【正文】 壓力傳感器所使用的材料分類：半導(dǎo)體壓力傳感器、光學(xué)壓力傳感器、金屬壓力傳感器、金屬 氧化物壓力傳感器等。它是利用的原理時(shí)壓阻效應(yīng)，并采用微電子技術(shù)制成。 壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本課題采用差壓式電容傳感器作為敏感元件。 傳統(tǒng)壓力傳感器的局限性 傳統(tǒng)的壓力傳感器往往在性能和成本上不能兩全其美，為了提高性能，就要有居高不下的成本，因?yàn)橹谱鞑牧媳仨毱贩N多，性能高，制作過程要求非常嚴(yán)格，被測壓力 敏感 元件 轉(zhuǎn)換 元件 基本轉(zhuǎn) 換電路 電信號 壓力傳感器 2 寸偏大，但是時(shí)間相應(yīng)特性不高； 系統(tǒng)非線性導(dǎo)致隨時(shí)間漂移； 環(huán)境變化很容易影響到參數(shù)的變換； 器件信噪比不高，是傳感器容易受到噪聲的干擾致使結(jié)果不穩(wěn)定； 交叉靈敏度的存在導(dǎo)致傳感器的選擇性和分 辨率都不高。 智能壓力傳感器 3 第二章 智能壓力傳感器 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一芯片上，具有信號提取、信號處理、邏輯判斷、決策、自檢、自診斷和計(jì)算等功能。智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，其中作為作為“ 大腦 ” 的微型計(jì)算機(jī)，可以是單片機(jī)，也可也是微型 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 ② 具有自診斷、自校準(zhǔn)功能 ： 可在接通電源時(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。 ④ 具有組態(tài)功能 ： 可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測與使用范圍。 ⑥ 具有數(shù)據(jù)通訊功能 ： 智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。 ②適應(yīng)能力強(qiáng)：系統(tǒng)在進(jìn)行分析、判斷和處理信號時(shí)，可以根據(jù)工作狀況決定各個(gè)部分的供電和上極位傳輸速率，能夠是系統(tǒng)功耗最低，傳送率最優(yōu)，并具有多種動(dòng)能自動(dòng)補(bǔ)償。 ④ 量程寬： 智能壓力傳感器的測量范圍很寬，具有很強(qiáng)的過載能力。 智能壓力傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 智能壓力傳感器主要應(yīng)用于檢測流體或固體的壓力并進(jìn)行信號遠(yuǎn)距離傳輸。 目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個(gè)方面。傳感器的智能化是將傳感器與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。 本次論文的主要工作是在現(xiàn)在研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出具有體積小、成本低、壽命長、量程范圍大、反應(yīng)速度快、智能化程度高的智能壓力傳感器。 具有自動(dòng)報(bào)警功能，本次設(shè)計(jì)電路圖中加了一個(gè)發(fā)光二極管，若所施加壓力超出壓力傳感器的正常承受范圍，發(fā)光二極管將會自動(dòng)點(diǎn)亮，以保護(hù)傳感器安全。 信號 調(diào)理 電路 ADC0809 單片機(jī)89C52 LCD1602 被測壓力 模擬電壓信號 送顯示 差動(dòng)式 傳感器 電容值 數(shù)字信號 硬件設(shè)計(jì) 6 第四章 硬件設(shè)計(jì) 本次課程設(shè)計(jì)的硬件共分為前端傳感器、信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換、微處理器和顯示部分這五個(gè)模塊組成，下面將一一對這五個(gè)模塊做出詳細(xì)的介紹。 圖 41 圓柱差動(dòng)變面積式電容位移傳感器 圓柱電容的計(jì)算公式為： C =??????dln2DX?? . 其中， X為內(nèi)外電極重疊部分長度； D、 d分別為外電極內(nèi)徑與內(nèi)電極外徑。當(dāng)動(dòng)片上、下改變位置時(shí)，與兩組定片之間重疊面積發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。 信號調(diào)理電路 模塊 硬件設(shè)計(jì) 7 測量差動(dòng)電容變化量的電路原理圖如圖 42 所示。一正弦電壓 Us 用于激勵(lì)電路 ,其頻率為 f (Hz) ,幅值為 A(V) 。電壓信號也作為乘法器 M 的一個(gè)輸入端 ,M 的另一個(gè)輸入端與控制信號 Uc1 相連 。電流 Im 和 I1 之和被放大器 A1 轉(zhuǎn)換成電壓信號 UA1, 經(jīng)放大器 A2 后 , 輸出電壓信號 Uo1。 式中 C1 =C10 +ΔC1, C10為 C1的初始值 ,Δ C1為變化量。 Uo1和 Uo2同時(shí)輸入差動(dòng)放大器 A3,其增益為 Hi,得到輸出電壓信號 Uo 為 Uo = Uo1 Uo2 (1) 假設(shè) C10 = C20,ΔC1 =ΔC2 =ΔC, K1 =K2,則式 (1) 可以簡化為 Uo= [2Hi RfΔCR1ωAsin(ωt +π/2) ]/ R2. 將 Uo 輸入相敏檢波器 PSD中 ,輸出直流電壓信號 Ud為 硬件設(shè)計(jì) 8 Ud = [8Hi R1RfωAΔC]/πR2 (2) 式中 ,系數(shù) 4/π可由相敏檢波器 PSD 對輸入信號的整流和放大作用得出。因此 ,利用 AD轉(zhuǎn)換器將 Ud 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,再經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ,即可實(shí)現(xiàn)對差動(dòng)電容傳感器電容變化量的測量。δ Ud為 Ud 測量分辨力 。 n 為 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)?？梢酝ㄟ^提高輸出電壓的測量分辨力來提高電容的測量分辨力。 圖 43 自動(dòng)補(bǔ)償原理框圖 電壓信號 Uo1 和參考信號 Ur 分別為相敏檢波器 PSD1的兩個(gè)輸入 ,輸出信號Ud1 可以表示為 Ud1 = 4Hi Rf (C1 + K1Cm) R1ωA/πR2 =4Hi Rf (C10 +ΔC1 +Uc1 Cm/10) R1ωA/πR2. （ 3） 根據(jù)式 (3) ,有下式 U′d1(Uc1) = [2Hi Rf Cm R1ωA]/5πR2. 因此 ,利用信號 Uc1可以對電容器 C1的固定值 C10 進(jìn)行補(bǔ)償 ,則在理論上 , Ud1 移相器 90176。 令 電壓 Us 的幅值 A =0. 5V, 頻率 f = Hz, Cm =100p F, Rf =47kΩ, R1 = R2 =1kΩ, 運(yùn)算放大器為 TL 071,相敏檢波器為 AD630,乘法器為 MC1495, 差動(dòng)放大器為 INA102( Hi =100) ,8 位的 AD/ DA 轉(zhuǎn)換器工作電壓為177。 在當(dāng) 壓力傳感器所受壓力處于 0~100KPa 時(shí)， 通過對差動(dòng)式電容應(yīng)變力的設(shè)計(jì)，使得 ΔC 處于 0~ 410?? F 上下限 范圍內(nèi)。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 本次課題選擇 ADC0809 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它是逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。多路開關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 硬件設(shè)計(jì) 10 圖 44 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) ADC0809 各腳功能如下： D7D0： 8位數(shù)字量輸出引腳。 VCC： +5V 工作電壓。 REF（ +）：參考電壓正端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號輸入端。 （以上兩種信號用于啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換） . EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。 CLK：時(shí)鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 硬件設(shè)計(jì) 11 圖 45 ADC0809引腳圖 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通道選擇表如下表所示。當(dāng) ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間， ST 應(yīng)保持低電平。當(dāng) EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OE＝ 1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)； OE＝ 0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。 CLK 為時(shí)鐘輸入信號線。 ADC0809 應(yīng)用說明 （ 1）． ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51 單片機(jī)直接相連。 （ 3）． 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上。 （ 5）． 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷。 微處理器 本次課題采用 單片機(jī) STC89C52 作為處理芯片， STC89C52是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù) 硬件設(shè)計(jì) 13 位電路，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。最高運(yùn)作頻率 35Mhz， 6T/12T可選。 圖 46 單片機(jī) STC89C52引腳圖 顯示模塊 LCD1602 的優(yōu)點(diǎn) 本次課題的顯示模塊采用 LCD1602 液晶顯示屏進(jìn)行顯示。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍 。 ② 體積小、重量輕 ： 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的 ， 在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 1602 字符型 LCD 簡介 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于 顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式 LCD，目 前 常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模塊。一般 1602 字符型液晶顯示器實(shí)物如圖 47 圖 47 LCD1602 實(shí)物圖 1602LCD 的基本參數(shù)及引腳功能 ① 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量 :162 個(gè)字符 ； 芯片工作電壓 :— ； 工作電流 :() ； 模塊最佳工作電壓 : ； 字符尺寸 :(WH)mm 。 圖 48 1602LCD的引腳圖 硬件設(shè)計(jì) 15 1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 3 腳： VL 為液晶顯 示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成 低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15 腳：背光源正極。 1602LCD 的指令說明及時(shí)序 ① 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令，如表 42所示 表 42 1602LCD控制指令表 硬件設(shè)計(jì) 16 ② 1602LCD 基本操作時(shí)序圖 圖 49 讀操作時(shí)序圖 硬件設(shè)計(jì) 17 圖 410 寫操作時(shí)序圖 溫度補(bǔ)償模塊 課程設(shè)計(jì)采用 DS18B20 芯片進(jìn)行溫度的采集，并實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 DS18B20 的主要特征 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 3 、 最高 12 位分辨率，精 度可達(dá)土 攝氏度。 5 、 可選擇寄生工作方式。C ~+125176。F ~+257176。 8 、 64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機(jī)掛接。 DS18B20 引腳功能 GND 電壓地 DQ 單數(shù)據(jù)總線 VDD 電源電壓 DS18B20 工作原理及應(yīng)用 硬件設(shè)計(jì) 18 DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上 ，從而抗干擾力更強(qiáng)。在講解其工作流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲器資源。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。 RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失， DS18B20共 9 個(gè) 字節(jié) RAM，每個(gè)字節(jié)為 8位。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第