【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電領(lǐng)域，如洗衣機(jī)、空調(diào)器、保安系統(tǒng)、 VCD 視盤(pán)機(jī)、電子秤、 IC 卡、手機(jī)等。這些設(shè)備中使用了單片機(jī)機(jī)芯后，大大提高了其控制功能和性能，并實(shí)現(xiàn)了智能化、最優(yōu)化控制。 (6)終端及外圍設(shè)備控制 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，如銀行終端、商業(yè) POS(自動(dòng)收款機(jī) )以及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備如打印機(jī)、通信終端和智能化 UPS 等。在這些設(shè)備中使用單片機(jī)，使其具有計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示、輸入等功能，具有和計(jì)算機(jī)連接的接口，使計(jì)算機(jī)的能力及應(yīng)用范圍大大提高。 本課題以單片機(jī)作為控制器之一，進(jìn)一步研究單片機(jī)在自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 本論文研究的主要內(nèi)容 本文的主要工作是研究與設(shè)計(jì)一種基于 AT89S51 的 壓力容器 檢 測(cè)裝置 ，使之應(yīng)用于 壓力容器的檢測(cè)工作上 ，在實(shí)用中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 論文主要工作包括： （ 1） 簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的 壓力容器檢測(cè)裝置 的目的與意義，介紹了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì) 壓力容器 以及 自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了論述。 （ 2） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取適當(dāng)?shù)钠骷?lái)組成此基于單片機(jī)的 壓力容器檢測(cè)裝置。包括基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 7 傳感器的選擇，放大電路的選擇， 多路 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 ，單片機(jī)的 選擇 以及顯示器的選擇 ，選擇的器件是否合適是能否實(shí)現(xiàn)此 壓力容器檢測(cè)裝置 設(shè)計(jì)要求的前提條件。 （ 3）利用所選器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于單 片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置的硬件部分。首先規(guī)劃此基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定應(yīng)變式傳感器，測(cè)量放大器，低通濾波器等每一部分電路的具體結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)規(guī)劃將各部分電路連接起來(lái)形成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)。 （ 4）規(guī)劃基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置的軟件流程，并且最終編出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序及顯示程序，實(shí)現(xiàn)此壓力容器檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)要求。 論文的主要工作對(duì)于應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的壓力容器檢測(cè)裝置具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 課題研究的意義 基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置的在實(shí)際中的 應(yīng)用， 可以 及 時(shí)排除了帶缺陷運(yùn)行的壓力容器的爆炸隱患，降低 惡性事故的發(fā)生 ，取得 重大的社會(huì)效益 。 20xx 年初步統(tǒng)計(jì)全國(guó)有 9000 多萬(wàn)臺(tái)壓力容器在生產(chǎn)中運(yùn)行，其中容積在 20 立方米 以上的壓力容器約占 15%，主要是大型的儲(chǔ)罐、球罐、合成塔、反應(yīng)器等化工反應(yīng)和儲(chǔ)存裝置中的核心設(shè)備，是生產(chǎn)中的重要設(shè)備，也是危險(xiǎn)性極高的設(shè)備，造價(jià)也十分昂貴。就南京市而言， 20xx 年全市普查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)中約有兩萬(wàn)多臺(tái)壓力容器在使用，其中容積在 20 立方米 以上的壓力容器約有 3000 多臺(tái)，這些壓力容器都是重要的設(shè)備，也是重大的危險(xiǎn)源。按照國(guó)家規(guī)定要求 ，在使用 3~6 年時(shí)，必須要實(shí)施定期檢驗(yàn) 。而常規(guī)檢驗(yàn)就必須停產(chǎn)、清洗、介質(zhì)置換、拆除保溫和附屬設(shè)施等，從而導(dǎo)致整套裝置或整個(gè)企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)，損失巨大。同時(shí)大型壓力容器的常規(guī)檢驗(yàn)耗時(shí)耗物，花費(fèi)巨大的人力、物力，有的大型壓力容器要花費(fèi)上千萬(wàn)元。大型壓力容器采用 此 技術(shù)檢驗(yàn)，可以大大地節(jié)省時(shí)間和資金，有的還可以避免開(kāi)罐等過(guò)程，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 8 2 壓力容器檢測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)及器件選擇 壓力容器檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 圖 21 結(jié)構(gòu) 框圖 此 壓力容器檢測(cè)裝置 主要由 金屬電阻應(yīng)變片 、測(cè)量放大器、 低通濾波電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī) 及 LCD 顯示 組成。首先通過(guò) 金屬電阻應(yīng)變片 將 被測(cè)容器的形變 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為了提高 A/D 轉(zhuǎn)換精度，用測(cè)量放大器將該電 信號(hào)變換到 A/D 轉(zhuǎn)換電路的 最大輸入范圍內(nèi)，此放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后輸入 A/D 轉(zhuǎn)換電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路的輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后 用 LCD 顯示出來(lái)。 傳感器的選擇 傳感器的種類(lèi)繁多、原理各異，檢測(cè)對(duì)象幾乎涉及各種參數(shù)，通常一種傳感器可以檢測(cè)多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器測(cè)量。所以傳感器的分類(lèi)方法至今尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，主要按工作原理、輸入信息和應(yīng)用范圍來(lái)分類(lèi)。 （ 1）按工作原理分類(lèi)。按傳感器的工作原理不同，傳感器大體上可分為物理型、化學(xué)型及生物型三大類(lèi)。 物理型傳感器是利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器，它又可以分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu) 型傳感器。物性型傳感器是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)將被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是以結(jié)構(gòu)（如形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，在待測(cè)量作用下，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，利用某些物理規(guī)律，獲得比例于待測(cè)非電量的電信號(hào)輸出的傳感器。 化學(xué)傳感器是利用敏感材料與物質(zhì)間的電化學(xué)反應(yīng)原理，把無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器和離子傳感器等。 生物傳感器是利用材料的生物效應(yīng)構(gòu)成的傳感器，如酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、生理量（血液成分、血壓、心音、血蛋白、激素、筋肉?qiáng)力等）傳感器 、組織傳感器、免信號(hào)采集電路 測(cè)量放大電路 低通濾波電路 A/D轉(zhuǎn)換 51單片機(jī) 液晶顯示 基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 9 疫傳感器等。 （ 2）按輸入信息分類(lèi)。傳感器按輸入量分類(lèi)有位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、色傳感器、磁傳感器等，以輸入量（被測(cè)量）命名。這種分類(lèi)對(duì)傳感器的應(yīng)用很方便。 （ 3）按應(yīng)用范圍分類(lèi)。根據(jù)傳感器的應(yīng)用范圍不同，通?？煞譃楣I(yè)用、農(nóng)用、民用、科研用、醫(yī)用、軍用、環(huán)保用和家電用傳感器等。若按具體使用場(chǎng)合，還可分為汽車(chē)用、艦船用、飛機(jī)用、宇宙飛船用、防災(zāi)用傳感器等。如果根據(jù)使用目的的不同，又可分為計(jì)測(cè)用、監(jiān)視用、檢查用、診斷用、控制用和分析用傳感器等。 物性型傳感器 物理型傳感器 結(jié)構(gòu)型傳感器 傳感器 化學(xué)型傳感器 生物型傳感器 這里我們選擇電阻應(yīng)變式傳感器。它的基本原理是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻值，再通過(guò)測(cè)量此電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的。這類(lèi)傳感器的種類(lèi)很多，在幾何量和機(jī)械量測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常用來(lái)測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等非電量。 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用歷史悠久，但目前仍是一種主要的測(cè)量手段，因?yàn)樗哂幸韵陋?dú)特的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠； （ 2）易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)； （ 3）靈敏度高，測(cè)量速度快，適合于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量； （ 4）可以測(cè) 量多種物理量，應(yīng)用廣泛。 工作原理 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻 — 應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將相應(yīng)地發(fā)生變化。金屬導(dǎo)體的電阻 — 應(yīng)變用應(yīng)變靈敏系數(shù) K 描述，它決定于導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化△ R/R 與其長(zhǎng)度相對(duì)變化△ l/l之比值： //RRK ll??△ △ R/R△ ε (21) 式中，ε =△ l/l— 軸向應(yīng)變。 一根長(zhǎng)為 l、截面積為 s、電阻率為ρ的金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻為 lR s?ρ (22) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 10 當(dāng)電阻絲受到拉力 F 作用時(shí)，將伸長(zhǎng)△ l，橫截面積相應(yīng)減小△ S，電阻率則因晶格發(fā)生變形等因素的影響而改變△ρ，故引起電阻值變化△ R。將式（ 2— 2）全微分，并用相對(duì)變化量來(lái)表示，則有 R l sR l s? ? ?△ △ △ △ ρρ (23) 式中，（△ l/l） =ε為電阻絲的軸向應(yīng)變，常用單位με（ 1με =1 106mm/mm）。由于S=π R2=π d2/4，則△ S/S=2△ d/d，其中，△ d/d 為徑向應(yīng)變，由材料力學(xué)可知△ d/d=με，式中，μ為電阻絲材料的泊松比。將前面關(guān)系代入式（ 2— 3），可得 △ R/R=（ 1+2μ）ε +△ρ /ρ (24) 其應(yīng)變靈敏系數(shù)為 //RRK ??△ △ ρ ρ（ 1+2 μ ） +ε ε (25) 從式（ 2— 5）看出，應(yīng)變靈敏系數(shù) K 受兩個(gè)因素的影響：一是受力后由于材料的幾何尺寸變化引起的，即（ 1+2μ）項(xiàng)；另一因素是受力作用后由于材料的電阻率ρ發(fā)生變化而引起的，即（△ρ /ρ） /ε。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，（△ρ /ρ） /ε項(xiàng)比（ 1+2μ）項(xiàng)小得多，而對(duì)于半導(dǎo)體材料的（△ρ /ρ） /ε項(xiàng)比（ 1+2μ）項(xiàng)大得多，甚至可認(rèn)為 K=（△ρ /ρ） /ε。 金屬材料在彈性變形范圍內(nèi)，泊松比μ =~，在塑性變形范圍內(nèi)μ≈ 。所以（ 1+2μ） =~（彈性區(qū)）或（ 1+2μ）≈ 2（塑性區(qū)）。但是根據(jù)對(duì)各種金屬材料的靈敏系數(shù)進(jìn)行的實(shí)測(cè)表明，一般都超過(guò) ，這說(shuō)明（△ρ /ρ） /ε項(xiàng)對(duì)金屬材料的靈敏系數(shù)還是有影響的。但大量實(shí)驗(yàn)證明，在應(yīng)變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即 R KR ?△ ε (26) 應(yīng)變片測(cè)試原理 使用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片牢固地粘貼在被測(cè)彈性試件上，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的金屬敏感柵隨之相應(yīng)變形，從引起應(yīng)變片電阻的變化。如果應(yīng)用測(cè)量電路和儀器測(cè)出應(yīng)變片的電阻值變化△ R，則根據(jù)式（ 2— 6），可得到被測(cè)試件的應(yīng)變值ε，而根據(jù)應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系 ? =Eε 式中， E— 試件材料彈性模量；? — 試件的應(yīng)力；ε — 試件的應(yīng)變。計(jì)算可得應(yīng)力值?。 通過(guò)彈性敏感元件的作用，將位移、力、力矩、壓力、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以將應(yīng)變片由測(cè)量應(yīng)變擴(kuò)展到測(cè)量上述能引起應(yīng)變的各種參量，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。 基于單片機(jī)的壓力容器檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 11 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的 A/D 轉(zhuǎn)換器是可編程的 ADC0809。 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次型 A/D 轉(zhuǎn)換器， CMOS 工藝， ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如 圖 22 所示。 IN0 EOC D0 IN7 A D7 B C ALE VR(+) VR() OE 圖 22 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖中 8 路模擬量開(kāi)關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道， 8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì) A、 B、 C 三個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時(shí)序電路、逐次逼近寄存器、樹(shù)狀