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基于mcs-51單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計-在線瀏覽

2025-05-01 10:03本頁面
  

【正文】 等各種參數(shù)。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。金屬 電阻 應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小,一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大,再傳輸給處理電路(通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU)顯示或執(zhí)行機構(gòu)。 金屬 電阻 應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變 電阻 隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象 ,俗稱為 電阻 應(yīng)變效應(yīng)。cm2/m ) S—— 導(dǎo)體的截面積( cm2) L—— 導(dǎo)體的長度( m) 圖 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)金屬絲受到軸向力 F 而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變 ,其電阻值會隨之變化 ,通過對( )式兩邊取對數(shù)后再取全微分得 : ??dAdARdR ??? LdL ( ) 式中 ??LdL 為材料軸向線應(yīng)變 ,且 DdDAdA 2? 跟據(jù)材料力學(xué) ,在金屬絲單向受力狀態(tài)下 ,有 LdLDdD ??? () 式中μ為導(dǎo)體材料的泊松比。)+c(12181。 上式表明 ,金屬材料電阻的相對變化與其線應(yīng)變成正比。 電阻變化率 △R/R 的表達(dá)式為: K=Δ R/R181。 當(dāng)金屬絲受外力作用時,其長度和截面積都會發(fā)生變化,從上式中可很容易看出,其 電阻 值即會發(fā)生改變,假如金屬絲受外力作用而伸長時,其長度增加,而截面積減少, 電阻 值便會增大。只要測出加在 電阻 的變化(通常是測量 電阻 兩端的電壓),即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情 。如圖 所示 ,電阻絲是應(yīng)變片敏感元件 。引 出線用以連接測量導(dǎo)線。 電橋電路的工作原理 由于 應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱,所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連,如圖 所示。由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多,因此可將電橋輸出端看成開路,這種電橋成為電壓輸出橋,輸出電壓 U0 為 U0=SURRRR RRRR ))(( 4321 4231 ?? ? ( ) 由上式可見:若 R1R3=R2R4,則輸出電壓必為零,此時電橋處于平衡狀態(tài),稱為平衡電橋。 110 4 RRUU ?? ( )由式( )表明: ΔR 《 R1 時,電橋的輸出電壓于應(yīng)變成線性關(guān)系。電橋供電電壓 U 越高 ,輸出電壓 U0 越大,但是,當(dāng) U 大時,電阻應(yīng)變片通過的電流也大,若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流,傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 非線性誤差及溫度補償 由式( )的線性關(guān)系是在應(yīng)變片的參數(shù)變化很小,極 ΔR 《 R1 的情況下得出的,若應(yīng)變片承受的壓力太大,則上述假設(shè)不成立,電橋的輸出電壓應(yīng)變之間成非線性關(guān)系。如圖 所示,以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。粘貼應(yīng)變片時,使兩個應(yīng)變片一個受壓,一個受拉。設(shè)電橋在初始時所示平衡的,且為等臂電橋,考慮到Δ R=Δ R1=Δ R2 則得半橋差動電路的輸出電壓為 URRU ?? ?? 2 ( ) 由上式可見,半橋差動電路不僅可以消除非線性誤差,而且還使電橋的輸出靈敏度提高了一倍,同時還能起到溫度補償?shù)淖饔?。為使電路簡單便于調(diào)試,本設(shè)計采用三運算放大器,因為 在具有較大共模電壓的條件下,儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘栠M行放大,并且具有很高的輸入阻抗。 三運放大電路 本次設(shè)計的放大器采用了三運放,因為它具有高共模抑制比的放大電路。 三運放 高共摸抑制比放大電路 其中 A1和 A2 為兩個性能一致 (主要指輸入阻抗,共模抑制比和增益 )的同相輸入通用集成運算放大器,構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級, A3 構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級,用來進一步抑制 A1和 A2的共模信號,并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。因為輸入電壓經(jīng)過放大后(在 A1 和 A2的輸出端)的差分電壓呈現(xiàn)在 R5, RG和 R6這三只電阻上,所以差分增益可以通過僅改變 RG 進行調(diào)整 。如果 R5 = R6,R1= R3 和 R2 = R4,則 VOUT = (VIN2- VIN1)(1+ 2R5/RG)( R2/R1)。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在 RG兩端具有相同的電位,從而不會在 RG 上產(chǎn)生電流。因此,共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器,而差分電壓將按〔 1+( 2 RF/RG)〕的增益系數(shù)被放大。 在理論上表明,得到所要求的前端增益(由 RG 來決定),而不增加共模增益和誤差,即差分信號將按增益成比例增加,而共模誤差則不然,所以比率〔增益(差分輸入電壓) /(共模誤差電壓)〕將增大。 最后,由于結(jié)構(gòu)上的對稱性 ,輸入放大器的共模誤差,如果它們跟蹤,將被輸出級的減法器消除。 A/D 轉(zhuǎn)換器 模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本次設(shè)計的中 A/D 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進行輸出。在同樣的轉(zhuǎn)換分辨率及轉(zhuǎn)換速度的前提下,不同的接口方式會對電路結(jié)構(gòu)及采用周期產(chǎn)生影響。這兩個轉(zhuǎn)換器都是常見的 A/D 轉(zhuǎn)換器,其中 ADC0809 的并行接口 A/D 轉(zhuǎn)換器, ADC0832 是串行接口基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計 13 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的簡介 在這次設(shè)計中我們 A/D 轉(zhuǎn)換器選用兩通道輸入的八位 ADC0832, ADC0832[3]是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。 ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片,其最高分辨可達(dá) 256級,可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μ S,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗,以減少數(shù)據(jù)誤差,轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端,可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 ? CH0 模擬輸入通道 0,或作為 IN+/使用。 ? GND 芯片參考 0 電位(地)。 ? DO 數(shù)據(jù)信號輸出,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 ? Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入(復(fù)用)。 它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。當(dāng)差輸入時,要分配輸入通道的極性,兩個輸入通道的任何一個通道都可作為正極或負(fù)極。 表 的配置位邏輯表 表中“ +”表示輸入通道的端點為正極性;“ ”表示輸入端點為負(fù)極性 H 或L表示高、低電平。 ADC0832 工作時序圖 當(dāng) CS 由高變低時,選中 ADC0832 。在第一個時鐘期間 ,DI 為高,表示啟動位,緊接著輸入兩位配置位。轉(zhuǎn)換開始后,經(jīng)過一個時鐘周期延接著在第一個時鐘周期延遲,以使選定的通道穩(wěn)定。數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位( D7~ D0)輸出完轉(zhuǎn)換結(jié)果后,又以最低位開始重新遍數(shù)據(jù)( D7~ D0 ),兩次發(fā)送的最低位共用。但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的,所以電路設(shè)計時可以將 DO和 DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)要進行 A/D轉(zhuǎn)換時,須先將 CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。在第 1個時鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平,表示啟始信號。 其功能項見表 。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 “1” 、 “1” 時,只對 CH1 進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng) 2位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “1” 時,將 CH0 作為負(fù)輸入端 IN, CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。從第 4個脈沖下沉開始由 DO 端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7,隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù)。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù),即從第 11 個字節(jié)的下沉輸出 DATD0。最后將 CS 置高電平禁用芯片,直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了。它們將在智能化 儀器、家電產(chǎn)品、工業(yè)過程控制等方面得到更廣泛的應(yīng)用。 AT89C51 單片機簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲 的低電壓,高性能CMOS8 位微處理器,俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 AT89C51單機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供 靈活性高且廉價的方案。 與 MCS51 兼容 全靜態(tài)工作: 0Hz24Hz 128*8 位內(nèi)部 RAM 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 可編程串行通道 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計 18 管腳說明 VCC:供電電壓。 P0 口: P0 口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口,每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1 口: P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口, P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在 FLASH編程和校驗時, P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時, P2 口的管腳被外部拉低,將輸出電流。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時, P2 口輸出地址的高八位。P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口: P3 口管腳 備選功能 RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) T0(記時器 0外部輸入) T1(記時器 1外部輸入) 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計 19 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。在 FLASH 編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外,該引腳被略微拉高。 /PSEN:外部程序存儲器的選通信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn) 。注意加密方式 1 時, /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET;當(dāng)/EA 端保持高電平時,此間內(nèi)部程序存儲器。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 振蕩器特性 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶 振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 芯片擦除 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。 基于 MCS51 單片機的壓力采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計 20 單片機于鍵盤的接口技術(shù) 鍵盤功能及結(jié)構(gòu)概述 鍵盤是單片機系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的常用輸入設(shè)備。 鍵盤按照其內(nèi)部不同電路結(jié)構(gòu),可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤二種。使用時,只要按下編碼鍵盤的某一個鍵,硬件邏輯會自動提供被按下的鍵的鍵碼,使用十分方便,但價格較貴。由于價格便宜,而且使用靈活,因此廣泛應(yīng)用在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中。 鍵盤抖動及去除 目前各種結(jié)構(gòu)的鍵盤,主要是利用機械觸點的合、斷作用,產(chǎn)生一個電壓信號,然后將這個電信號傳送給 CPU。抖動時間長短 , 與開關(guān)的機械特性有關(guān),一般約 5~ 10ms之間。為保證 CPU 對鍵的一次操作僅作一次輸入處理,必須去除抖動影響及人為的操作時問長短的影響。 也可采用軟件延時的方法除去鍵盤抖動產(chǎn)生的影響。 圖 RC 去抖動電路 單片機與鍵盤的連接 鍵盤與單片機的連接 在單片機系統(tǒng)中鍵盤中按鈕數(shù)量較多時,為了減少 I/O口的占用,常常將按鈕排列成矩陣形式,如 圖所示。這樣,一個端口(如 P1 口)就能組成 4*4=16 個按鈕,比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍,而且線數(shù)越多,區(qū)別越明顯,比如再多加一條線就能組成 20 鍵的鍵盤,
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