1、精品文檔 常熟理工學院 電氣與自動化工程學院 傳感器原理與檢測技術課程設計 題目：基于AT89C51單片機的 壓力檢測系統的設計 姓 名：李瑩 學 號： 160509240 班 級：測控092 指導教師：戴梅 起止日期：2012年7月2 日- 9日 電氣與自動化工程學院 課程設計評分表 課程名稱： 傳感器原理與檢測技術 設計題目： 壓力檢測系統的設計 班級：測控092學號：160509240姓名：李瑩 項目 評分比例 得分 課程設計平時表現 20% 課程設計答辯 40% 課程設計報告 40% 課程設計總成績 指導老師： 戴梅 年月日 3歡迎下載 課程設計答辯記錄 答辯人：李瑩 自動化系測控專業

2、092 班級 課程設計題目壓力檢測系統的設計 記錄內容 記錄人 _ 精品文檔 目錄 第一章 概述 1. 相關背景和應用簡介 2. 總體設計方案 2.1 總體設計框圖 2.2 各模塊的功能介紹 第二章 硬件電路的設計 1. 傳感器的選型 2. 單片機最小系統設計 3. 模數轉換電路設計 4. 傳感器接口電路設計 5. 顯示電路設計 6. 電源電路設計 7. 原理圖 第三章 軟件部分的設計 1. 總體流程圖 2. 子程序流程圖及相關程序 第四章 仿真及結果 第五章 小結 參考文獻 第一章 概述 1. 傳感器的相關背景及應用簡介 近年來，隨著微型計算機的發展，傳感器在人們的工作和日常生活中應用越來越

3、普 遍。壓力是工業生產過程中的重要參數之一。壓力的檢測或控制是保證生產和設備 安全運行必不可少的條件。實現智能化壓力檢測系統對工業過程的控制具有非常重 要的意義。壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣 泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、生產自控、航空航天、軍 工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。壓力測量對實時監測和安 全生產具有重要的意義。在工業生產中，為了高效、安全生產，必須有效控制生產 過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數。由于壓力控制在生產過程中起著決定 性的安全作用，因此有必要準確測量壓力。通過壓力傳感器將需要測量的位置的壓 力信

4、號轉化為電信號，再經過運算放大器進行信號放大，送至8位A/D轉換器，然 后將模擬信號轉換成單片機可以識別的數字信號，再經單片機轉換成LED顯示器可 以識別的信息，最后顯示輸出。 此次設計是基于單片機的壓力檢測系統，選擇的單片機是基于 AT89C51單片機的測 量與顯示，將壓力經過壓力傳感器轉變為電信號，經過放大器放大，然后進入 A/D 轉換器將模擬量轉換為數字量顯示，我們所采樣的 A/D 轉換器為 ADC0808。 2. 總體設計方案 本次設計是基于AT89C51單片機的測量與顯示。電路采用 ADC0809模數轉換電路， ADC0809是 CMOS：藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉換芯片，片內

5、有帶鎖存功能的 8路模擬電子開關，先用ADC0809勺轉換器對各路電壓值進行采樣，然后將模擬信號 轉換成單片機可以識別的數字信號， 再經單片機轉換成LED顯示器可以識別的信息， 最后顯示輸出。本次設計是以單片機組成的壓力測量，系統中必須有前向通道作為 電信號的輸入通道，用來采集輸入信息。壓力的測量，需要傳感器，利用傳感器將 壓力轉換成電信號后，再經放大并經 A/D 轉換為數字量后才能由計算機進行有效處 理。然后用LED進行顯示。本設計的最終結果是，將軟件下載到硬件上調試出來了 需要顯示的數據，當輸入的模擬信號發生變化的時候， 通過A/D轉換后，LED將顯示 不同的數值。 5歡迎。下載 精品文檔

6、 設計框圖如下圖所示 壓力測量儀表原理方框圖 A/D轉換器是 電路主要分成兩個模塊：A/D轉換模塊和顯示模塊，我們選用的 ADC0808單片機為AT89C51顯示為4位數碼管顯示。根據硬件電路編程，調試出 來并顯示結果 9歡迎。下載 第二章 硬件電路的設計 1. 傳感器的選型 壓力傳感器是壓力檢測系統中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信 號轉換成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報警使用。 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓 阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器諧振式壓力傳感器及電容 式加速度傳感器等。 而電

7、阻應變式傳感器具有悠久的歷史。由于它具有結構簡單、 體積小、使用方便、性能穩定、可靠、靈敏度高動態響應快、適合靜態及動態測量、 測量精度高等諸多優點，因此是目前應用最廣泛的傳感器之一。電阻應變式傳感器 由彈性元件和電阻應變片構成，當彈性元件感受到物理量時，其表面產生應變，粘 貼在彈性元件表面的電阻應變片的電阻值將隨著彈性元件的應變而相應變化。通過 測量電阻應變片的電阻值變化，可以用來測量位移加速度、力、力矩、壓力等各種 參數。 金屬電阻應變片的工作原理：應變式壓力傳感器是把壓力的變化轉換成電阻值的變 化來進行測量的，應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，是一種將被測件上 的應變變化轉換成為一

8、種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部 分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻 應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑 緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一 起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種 應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通 過后續的儀表放大器進行放大， 再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU顯示或 執行機構。 2. 單片機最小系統的設計 單片機的最小系統由RAM ROM晶振電路，復位電路，電源

9、，地組成。 電路設計如圖 隨著電子技術的發展，單片機的功能將更加完善，因而單片機的應用將更加普及。 它們將在智能化儀器、家電產品、工業過程控制等方面得到更廣泛的應用。單片機 將是智能化儀器和中、小型控制系統中應用最多的有種微型計算機。 51單片機最小系統電路介紹 1.51單片機最小系統復位電路的極性電容 C1的大小直接影響單片機的復位時間，一 般采用1030uF, 51單片機最小系統容值越大需要的復位時間越短。 2.51單片機最小系統晶振 Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz在正常工作的情況 下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統晶振的振蕩頻率直接影響單片機的 處理速度，頻率越

10、大處理速度越快。 3.51單片機最小系統起振電容 C2、C3 般采用1533pF，并且電容離晶振越近越好， 晶振離單片機越近越好4.P0 口為開漏輸出，作為輸出口時需加上拉電阻，阻值一般 為 10k。 設置為定時器模式時，加1計數器是對內部機器周期計數（1個機器周期等于12個 振蕩周期，即計數頻率為晶振頻率的 1/12 ）。計數值N乘以機器周期Tcy就是定時 時間 t 。 設置為計數器模式時，外部事件計數脈沖由TO或T1引腳輸入到計數器。在每個機 器周期的S5P2期間采樣TO、T1引腳電平。當某周期采樣到一高電平輸入，而下一 周期又采樣到一低電平時，則計數器加 1，更新的計數值在下一個機器周期

11、的 S3P1 期間裝入計數器。由于檢測一個從 1到0的下降沿需要2個機器周期，因此要求被 采樣的電平至少要維持一個機器周期。當晶振頻率為12MHz時，最高計數頻率不超 過1/2MHz,即計數脈沖的周期要大于2 ms。 AT89C51單片機簡介 AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲(FPEROFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低電壓，高性能 CMOS位微處理器，俗稱單片 機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEI高密度非 易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管

12、腳相兼容。由于將 多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL勺AT89C51是一種高效微控 制器。 管腳說明 VCC供電電壓。 GND接地。 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。當P1 口的 管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以 被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后

13、，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉 為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL門電流，當P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣 故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸 精品文檔 出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數 據存儲器進行讀寫時，

14、P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在FLASH編程和校 驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL門電流。 當 P3 口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外 部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口： P3 口管腳備選功能 P3.0 RXD （串行輸入口） P3.1 TXD （串行輸出口） P3.2 /INT0 （外部中斷 0） P3.3 /INT1 （外部中斷 1） P3.4 T0 （記時器0外部輸入）

15、 P3.5 T1 （記時器 1外部輸入） P3.6 /WR （外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD （外部數據存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在 FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出 正脈沖信號， 此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定 時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如 想禁止ALE的輸出可在S

16、FR8EHfe址上置0。此時，ALE只有在執行MOV，MOV指 令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止，置位無效。 /PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期 兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現。 /EA:當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH，不管是否 有內部程序存儲器。注意加密方式 1時，/EA將內部鎖定為RESET當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電 源（VPP 。

17、 XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2來自反向振蕩器的輸出。 3. 模數轉換電路的設計 模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數字量。能夠完成這一任務的器件稱之為 模數轉換器，簡稱A/D轉換器。本次設計的中A/D轉換器的任務是將放大器輸出的 模擬信號轉換位數字量進行輸出。 A/D轉換電路的核心元件是ADC0808芯片 ADC0808是ADC0809的簡化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真時采用ADC0808 進行A/D轉換，實際使用時采用 ADC0809S行A/D轉換。 ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS 組件。

18、它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 （1）ADC0809勺內部邏輯結構 由下圖可知，ADC080抽一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換 器和一個三態輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分 時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存 A/D轉換完的數字量， 當0E端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。 IN0 1N1 IN2 IN3 M4 聯 IN7 A B C ALE （2）ADC0809勺引腳結構 ADC0809各腳功能如下: 1欽迎下載 精品文檔 D7-D0 : 8位數字量輸出引腳 IN0-IN7 : 8位

19、模擬量輸入引腳 VCC: +5V工作電壓 GND地 REF（ +）:參考電壓正端 REF （-）:參考電壓負端 START A/D轉換啟動信號輸入端。當ST上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿 時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。 ALE地址鎖存允許信號輸入端，高電平有效。當 ALE線為高電平時，地址鎖存與譯 碼器將A, B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量 進入轉換器進行轉換。 EOC轉換結束信號輸出引腳。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在 進行A/D轉換。 OE輸出允許控制端，用以打開三態數據輸出鎖存器。 7 朽 5 J O D

20、D D D D noc V CLK時鐘信號輸入端（一般為 500KHZ。 A、B、C:地址輸入線，用于選通IN0 IN7上的一路模擬量輸入。 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 行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 （3）ADC0809應用說明 1）ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51單片機直接相連。 2）初始化時，使ST和0E信號全為低電平。 3） 送要轉換的哪一通道的地址到 A，B，C端口上。 4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 5）是否轉換完畢

21、，我們根據EOC信號來判斷。 6）當EOC變為高電平時，這時給OE為高電平，轉換的數據就輸出給單片機了。 （4）ADC0809工作時序圖 在ALE=1期間，模擬開關的地址（ADDCADDB和ADDA存入地址鎖存。輸入啟動信 號START勺上升沿復位ADC0809下降沿啟動A/D轉換。EOC為輸出的轉換結束信號, 正在轉換時為0,轉換結束時為10 OE為輸出允許控制端，在轉換完成后用來打開輸 出三態門，以便從ADC0809俞出這次轉換的結果。 ADC0809勺時序圖如下圖 START A El C JS 4. 接口電路的設計 ADC0809W AT89C51采用中斷方式。由于ADC0809內有三

22、態輸出鎖存器，因此可以直接與AT89C51接口。這里將ADC0809乍為一個外部擴展并行I/O 口，采用先選法 尋址。由P3.0控制啟動轉換信號端（START，三位地址線加到 ADC080啲ADDAADDB ADDC端。當啟動 ADC0809時，先送通道號地址到 ADDA ADDB和ADDC鎖存通道號 并啟動A/D轉換。A/D轉換完畢，EOC端置1,然后使OE端有效，打開輸出鎖存器三 態門，8位數據便讀入到單片機中。 接口電路原理圖如下 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1ATXD P3.2/INT0 P3.3/INTT P3.-4

23、fTO P3 5/T1 P3.6M/R P3.7/RD 1T O123W567 M NNNNNNN U-八八 fc-1 2-3 4-5- CLOCK5 START EOC ADDA ADDB ADDC ALE 12 16 VREF(+) VREFH ADC0808 T I - OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUTS OUT6 OUT? OUT8 OE 5. 驅動與顯示電路 74LS245的原理 74LS245為8路通向三態雙向總線收發器，可雙向傳輸數據。 16個三態門每兩個三 態門組成一路雙向驅動。驅動方向由，DIR兩個控制端控制，I罰控制端控制驅動器 有效或高阻態，在一；控制端有效

24、（|=0）時，DIR控制端控制驅動器的驅動方向.即： DIR=0信號由BA; DIR=1信號由A B傳輸。在一；=1時，A B為高阻狀態。74LS245 的管腳圖如圖所示。 74LS245 niD-i 管腳圖 DIR 1 20 Vcc A0 - 19 |_C A1 18 _B0 A2 4 17 .B1 A3 5 16 B2 A4- 6 74LS245 15 B3 A5 7 14 B4 A6 8 13 B5 A7 9 12 B6 GND 10 一 11 B7 當數碼管顯示時，由于單片機的驅動能力達不到數碼管的驅動電流，有時工作不穩 定，因此需要一個驅動電路，使數碼管顯示電路，如下圖所示。本電路用

25、74LS245 16個三態門每兩個三態門組成一路雙向驅動。 通過單片機輸送過來的信號有 74LS245 進行驅動，由數碼管進行顯示。 19歡迎下載 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6. 8 7 9 8 1 Jn 1 1 1 i 1 pppppppp nJ Ao T8 A E N 1 12 3 4 5 6 7 E A A A A A A A c A I8 :B 17 A 16 :D :E 14 13 .G 12 ；DP11 Ro引B2B3R4R6R6B7 6.電源電路的設計 C5 上 C7 一 C4丨+ 470p? O.OlpF JP1 4?0pF O.OlpF 7.原理圖 精品文檔 第三章

26、軟件部分設計 1. 總體流程圖 主程序模塊 主程序主要完成定時器初始化和 A/D轉換模擬值通道口選定，調用顯示子程序等。 主程序的流程圖下圖所示。 圖8主程序流程圖 2. 子程序 1) A/D轉換程序 A/D轉換子程序用于對ADC0809勺輸入模擬電壓進行A/D轉換，并將轉換的數值存入 8個相應的存入單元中。A/D轉換子程序每隔一定時間調用一次，即每隔一段時間對 輸入電壓采樣一次。 2) 顯示子程序 顯示子程序采用動態掃描法實現 4位數碼管的數值顯示。LED數碼管采用軟件譯碼動 態掃描方式。在顯示子程序中包含多路循環顯示和單路顯示程序。多路循環顯示把8 個存儲單元的數值依次取出送到 4位數碼管

27、上顯示。每一路顯示1秒，單路顯示程 序只對當前選中的一路數據進行顯示。每路數據顯示時需經過轉換變成十進制BCD 碼，放于4個數碼管的顯示緩沖中。單路顯示或多路顯示通過標志位控制。在顯示 控制程序中加入了對單路或多路循環按鍵和通道選擇按鍵判斷。 1歐迎下載 精品文檔 程序代碼 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned char code tab=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; uchar code tab1

28、=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7; uchar dis_buf4; sbit ST=P39 sbit OE=P3A1; sbit EOC=P3A2; sbit CLK=P3A3; sbit P20=P2A0; sbit P21=P2A1; sbit P22=P2A2; sbit P23=P2A3; sbit AA=P3A5; sbit BB=P3A6; sbit CC=P3A7; void delay()/ 延時函數 uchar t; for(t=0;t250;t+); void display() uchar j; for(j=0;j4;j+) P1=tabdis_bufj;

29、 P2=tab1j; delay(); P2=0 xff; void t1() interrupt 1 /定時器中斷服務函數；作用：產生CLK信號 TH0=(65536-200)/256； TL0=(65536-200)%256； CLK=CLK； void main()/ 主函數 uchar sj=0,ge=0,shi=0,bai=0,qian=0； uint temp； TMOD=0 x01； TH0=(65536-200)/256; 定時時間為 0.2us,亦即 CLK周期為 0.4us TL0=(65536-200)%256； EA=1; ET0=1; TR0=1; while(1)

30、AA=0;/ 選擇通道 0 BB=0; CC=0; ST=0;/ 關閉轉換 OE=0;關閉輸出 ST=1;/ 開啟轉換 ST=0;/ 關閉轉換 while(EOC=0);/ 判斷是否轉換結束 : 是則執行以下語句 , 否則等待 OE=1;/ 開啟數據輸出允許 sj=P0;/ 將數據取走 , 存放在變量 sj 中 OE=0;/ 關閉輸出 temp=sj;/ 電壓值轉換 ,5V 作為參考電壓 , 分成 256 份 qian=temp/1000; / 個位 bai=(temp-qian*1000)/100;/ 十位 shi=(temp-qian*1000-bai*100)/10;/ 百位 ge=te

31、mp-qian*1000-bai*100-shi*10;/ 千位 dis_buf0=ge; dis_buf1=shi; dis_buf2=bai; dis_buf3=qian; display(); OE=0; 25歡。迎下載 精品文檔 27歡迎下載 第四章 仿真及結果 I I I u u I 1 CDEF DP 12 刨匕 2 E STAL H 匸ra CUT1 CUT? A：U& 30 w 91 Al 號 33 曙 耳4 M 2 98 杞 U7 CE .初祜 3245 pOjowki pcl 叫Afrq FU2iAP2 唧ws R8T P05WM POJWH FWM7 P2.DMQ pzvaa PSEN P3 2TA.KI 門泅1 ALE P2 邨 12 EA P2 StM2 P2 0i*Al4 n Jims P10 pq 1 円Qffl扎P m/w ri.2 釧im Fl J P1 4 F1.5 Plft r：-J IN 1 臨4I1Q F3J3JM P3ftfllR_ ra 7rr * 201 557 -