一、緒論1.1前言在我國經濟社會信息化事業火速發展的今天,傳感器技術檢測應用系統的高度智能化和高度集成化已經逐漸成為其兩個重要的關鍵技術方向,而其目前所能達到的程度還是依賴于與之相結合的微機處理器的性能。具有工業自動化數據處理、自動識別、自動檢驗、自動數據采樣、自動誤差智能補償等功能的新型智能壓力傳感器自動檢驗系統已逐漸成為國內外工業技術開發和科學研究應用工作中的一個熱點。從探索宇宙到海洋資源利用技術的發展,從傳統自動化產業逐步替代手工業的生產,從傳統的生產過程控制技術發展到宇宙飛船的升空,傳感器已經出現在我們日常生活的各個方方面面,已經和我們的日常生活息息相關。此項技術更多的被廣泛地應用于了農業、工業、科學技術等各個行業的領域,且展示出了很大應用前景。因此,各個國家都非常注意傳感器技術的研究和推廣。在美國,人們把90年代稱它們為新型傳感器的時代,并將這些新型傳感器和信號處理技術都納入了到90年代各項重要的關鍵技術之中。在當今我國,對于這種傳感器的研究距今也走過了20多年的進步和發展史,取得了可見的進步。就現在而言,在中國科學技術作為第一生產力思潮的影響下,中國的各種科學技術都得到了巨大發展,在某些便攜式傳感器技術中己經接近或者已經逐步趕上了世界先進的水平。但總體來看,我國的這種傳感器研究和生產與國外相比仍是較為落后,處于蒸蒸日上階段。因為目前中國對該類傳感器系統在技術上的研發仍然起步比較遲,所以它們的技術水平尚遠未成熟,要想達到實際應用的技術要求仍然存在著很大的差距,尤其對于被廣泛應用在各種壓力計精準度、體積小且造價低廉的壓力傳感器系統仍然有待進一步的研發。所以,就目前而言,研發一種高質量的智能壓力傳感器系統將對于我國加快科技發展以及現代化技術體系建設起到非常重大的促進作用。1.2課題研究的背景及意義近些年來,隨著微型移動計算機和平板電腦的不斷普及而迅速得到發展,它在我們的生活中出現的頻率越來越高,應用也越來越廣。工業生產過程管理與控制技術是現代計算機應用最廣泛的領域。由單片機組合而形成的嵌入式控制系統愈被我們所重視。現在我們甚至可以毫不夸張地認為,沒有微型的計算機電腦參與控制的設備和儀器就無法被我們稱之為先進的控制儀器,沒有微型的計算機電腦參與控制的設備和系統就無法被我們稱之為現代化控制裝置。對于工作進行的實時監控和安全進行而言,壓力測量具有巨大的作用。在一個現代化的工業生產中,為了產品能夠真正實現高效、安全地生產,必須對生產環境中的空氣壓力、流量以及溫度等各種重要的參數進行有效準確的控制。由于對壓力有效的控制在工業生產的過程中起著決定性的關鍵作用,因此需要嚴格準確的測量壓力數值。本次工程設計中我們采用的這種以一個AT89C51單片機和八位電壓輸出信號為壓力控制管理核心的一種智能化八位壓力信號控制管理系統,將一個壓力控制記錄好的電壓輸出信號數值轉化成一個相應的高壓電信號,然后被放大轉換成0-5v的電壓,之后我們就能使它們可以進入一個八位數字化的A/D數位轉換器轉換成一個八位數字采樣量,然后我們就這樣可以對它們再進行一個八位采樣量的A/D數字轉換,ADC0832是一個分辨率能達到二百五十六級的8位A/D轉換器,它能夠充分滿足數據模擬器和數據快速轉換的各種普遍性。而其內部的模擬電源輸入與參考電壓的相互重用會直接使得芯片更加靈活,且模擬電流轉換的時間也只有32秒,為了使多個實驗的器材之間的連接更加的簡潔明了，我們選擇使用一個單獨的芯片進行控制。然后使用DI輸入數據，很輕松的就實現了通道功能的選擇。1.3研究目標1.熟練且能夠系統地掌握單片機、有關電子技術、傳感器等的研究設計流程及所要求的設計任務。2.系統的設計方案論證材料與總體設計材料。3.從整體上完成軟硬件資源的分配和規劃,分別對系統的軟硬件進行設計軟件設計。4.熟練進行實驗中硬件的調試、軟件的調試、軟硬件之間的聯調。二、系統總體方案設計2.1系統任務描述該系統的主要任務之一就是測量物體的壓力,并且它可以實時地顯示出目標的壓力值參數,而且它還能與上位機之間進行無線通信,且它還具有很高的抗干擾性。2.1.1主要儀器的比較選擇1.壓力傳感器的選擇壓力檢測控制系統的重要一個組成部分就是壓力傳感器,它將被檢測到的壓力值轉換成一個簡單的無線電信號,然后通過不同的靈敏性元件,在儀表上顯示出相應的壓力值,并用它們來進行控制和報警。壓力傳感器的類型主要有很多種,其中電阻應變傳感器被應用的次數最多且時間悠久。由于其系統結構簡單、使用方便、個頭小、性能可靠、高反應度、動態測量反饋快,特別是適用于各類靜態和各種動態的精度測量,且測量結果精度比較高。電阻式應變傳感器由兩部分組成,一部分是電阻式的彈性元件,另一部分是電阻式的彈性應變片。通過對各種電阻器和應變板中的各種電阻應變數值分別進行了自動計算和測量,這樣就可以得到不同的電阻參數。2.放大器的選擇該類型傳感器所檢測到的被檢測非電信號的幅值較低,不能直接用來進行A/D轉換,所以要將信號放大,為了實驗的簡單方便,選用三個放大器,由于它們都是在高共模電壓下工作的條件下,這個放大器可以通過差分電壓對信號進行接收放大,還有很大的電流和阻抗。這些優點使得它在許多不同的應用中得到了廣泛的應用。廣泛應用于各種壓力和溫度的檢測,熱電耦合溫度的檢測,各種高低電流的檢測。3.A/D轉換器的選擇目前,單片機已廣泛應用于各種電子信息產業的新產品中。很多不同類型的微型單片機中都沒有A/D信號轉換控制電路,但這些類型的單片機只相當于一個沒有A/D信號轉換電路的小單片機,價格比它高出幾元甚至很多。我們需要利用通用單片機和A/D信號轉換模塊設計并實現A/D信號轉換的各種功能。這里,A/D接口轉換器的主要類型有ADC083、ADC0809等;對于串行接口和并行應用接口的測量方法,雖然串行是A/D接口轉換器的眾多技術分類之一,但它也是實際工業應用中電子器件設計和選擇的重要測量標準。當器件轉換的圖像分辨率與器件轉換的執行速度相同時,不同的器件接口形式可能直接影響各種集成電路的器件結構和采用周期。通過對ADC0809和ADC083的分析比較,確定了A/D信號轉換器的選擇。這兩種并行轉換器常用于A/D串行接口,ADC0809并行數據接口和ADC083串行接口。本設計以ADC083為主要方案。A/D控制信號串行轉換被廣泛地應用于各種類型單片機的光和電動控制系統接口。串行信號數字化和A/D信號轉換器的主要技術優勢之一是它們都可以具有設計成本低和無功耗、性價比高、低功耗的芯片引腳。2.1.2總體方案的選擇經過以上經驗總結,本系統工程設計需要選用89C51單片機軟件作為壓力控制主電路芯片,并采用電阻應變式壓力傳感器,用于自動采集各種壓力傳感信號。通過高頻測壓傳感器,將測壓儀采集的高頻測壓信號轉換成相應的高頻無線電信號,經過ADC083放大后,通過89C51顯示在液晶屏上。當電流超過額定壓力流量限制時,蜂鳴器系統自動報警。2.2系統任務描述2.2.1系統組成圖2.1原理方框圖2.2.2系統檢測原理本次設計的測量系統由兩部分組成分別是單片機和傳感器是,因為需要輸入壓力信號且需要傳輸信號，所以該系統必須配備特需的前向通道，以此來收集輸入信息。而壓力的測量，則需要傳感器來完成，所以利用傳感器將壓力信號轉換成電信號,經A/D轉換后放大,轉換成數字量,計算機才能有效地對其進行處理。然后顯示在LCD上。這次我們主要做A/D轉換,單片機和顯示器。目前,A/D轉換器的設計采用ADC083,單片機的硬件設計采用AT89C51,顯示器的設計采用LCD。根據檢測電路的軟硬件要求,實現了檢測結果的自動編程、調試和實時顯示。三、壓力傳感系統硬件設計3.1壓力傳感器3.1.1基本結構靈敏性元件、導線、覆蓋層和基底是電阻應變片的四個主要的組成部分。3.1.2測量電路我們在設計應變計的實驗過程中,可以將應變的變化轉變為電阻。之后，我們需要使用改變電壓或者電流的方式來改變電阻值，從而顯示和記錄應變電阻的變化。為了達到這個目的，我們需要采用特殊的檢驗電路，通過查閱資料發現，直流電橋或者交流電橋是一般的最常見的選擇。3.1.3工作原理因為傳感器所輸出的信號一般都比較弱,因此目前大多數小型應變片上的信號傳感器通常都是將其輸出電路經過橋式信號放大器的電路相互地連接在一起,直至傳感器的輸入端和信號的輸出端,如圖3.1所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC13.2信號放大電路3.2.1放大電路本次設計的放大器主要采用三個工模抑制比放大器,因為它們都是帶有高工模抑制比放大電路。它由三個可以集成的運算放大器組合而成,如圖3.2所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC2放大電路圖3.3A/D轉換器在數字輸入輸出通道設計中,模擬量輸入通道的主要任務是將模擬量的變化轉化為一個數值。能夠自動完成這一任務的轉換器稱為模數轉換器,也就是A/D轉換器。在本設計中,A/D信號轉換器的主要任務是將來自信號放大器或接收器的模擬信號轉換成位字節輸出。3.3.1A/D轉換器的簡介在本文的設計中,選擇一個8位ADC083作為一個具有兩個輸出通道的A/D轉換器。它指的是由一個美國國家半導體公司自主開發設計研制生產出來的8位元全精度高頻雙通道的模數轉換器微控制系統芯片。ADC083是一個8高分辨率數模轉換器,它能夠充分滿足數據模擬器和數據快速轉換的各種普遍性。而其模擬電源的輸入與電壓的相互重用會導致芯片更加靈活,使模擬電壓范圍控制在0-5v之間,且數據轉換的時間也只有32秒,為了使多個實驗的器材之間的連接更加的簡潔明了，我們選擇使用一個單獨的芯片進行控制。然后使用DI輸入數據，很輕松的就完成了通道功能的選取。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC3ADC0832結構示意圖3.4單片機隨著我國現代信息技術的進步和發展,單片機的結構和功能將越來越完善,在當代我國,單片機的應用范圍將越來越寬。它們將在我國廣泛地應用到智能儀表,家用電器,以及工業生產過程管理中。單片機將發展成為中小企業在智能化儀表及其控制裝置系統中使用最為普遍的微型計算機。3.4.1AT89C51單片機簡介AT89C51單片機在各種的設計研究型的項目中都是占據著很大的分量,具備基礎的寄存器和存儲器,功能的效果也是最完善的。每個單片機能擦除功率只有一百次。ATMEL的AT89C51是一種非常精密而有效率的八位閃存管理微控制器,AT89C51是一款具有更簡化菜單的閃存版本,如圖3.4所示。AT89C51為各種類型的采用嵌入式微處理器和運動控制集成單元的操作系統軟件設計者用戶提供靈活便宜、低廉的系統解決模式方案。。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC4AT89C51結構示意圖3.4.2主要特性和MCS-51相互支持兼容。每字節4K的可編程閃存格式數據包存儲器。三級程序存儲器鎖定。I/O線可編程。有5個中斷源。片內振蕩器和時鐘電路。3.4.3管腳說明Vcc：電壓。GND：接地線。P0口：擁有一個8位的I/O端口,就可以提供8位邏輯電平供顯示器進行連接,并且每個I/O端口都可以與其他的引腳相連接。P1口：可以提供的8位的I/O端口,并結合上拉電阻使得電路的整體設計更加穩定。P2口：P2口為擁有一個8位的雙向I/O端口。P2端口上的緩沖器主要用于與之進行雙向無線通信,且通信時輸出4個雙向TTL門的輸入電流。當每個p2端口都被放在一個大寫字母"1"中時,其中一個輸入引腳可以用作電流的輸入。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/0口,可接收輸出4個TTL門電流。P3口:作為單片機的最重要的引腳部分,其功能的用處最大,包含著時鐘頻率。RST:復位輸入。ALE/PROG:當需要訪問外部數據存儲器時,地址數據鎖存器需要設置一個允許的固定輸出輸入電平,該電平可以作為地址鎖存器輸入地址的固定位置輸入字節。/PSEN:外部程序存儲器的選通信號。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入和內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2:反向振蕩器的輸出。3.4.4振蕩器特性XTAL1和XTAL2能夠搭配芯片的振蕩器,晶體的振蕩和陶瓷的震蕩都是可以選擇的。若是驅動采用外部的時鐘,就不接XTAL2。內部脈沖時鐘輸入信號的冗余脈沖輸出必須通過二進制脈沖觸發器。因此,雖然外部內部脈沖輸出信號的外部脈沖輸出寬度并不是一個嚴格的技術標準要求,但必須能夠確保外部脈沖輸出信號的內部脈沖輸出寬度不會需要高電平或者低電平。3.4.5芯片擦除AT89C51還特別為用戶配備了一種新型的穩態掉電邏輯,它不僅使用戶可以為每個頻率從低到零適合各種靜態掉電邏輯,還支持兩個處理軟件所選擇的動態掉電響應模型。在此模式下,CPU很有可能就會自動地停止正常運行操作。然而其相應的硬件系統仍能正常運行。在自動切換或者斷電的模式下,RAM數據會自動存儲,并且一個振蕩器也就可以被自動地凍結。在下次硬件驅動程序重置之前,禁止再次嘗試使用其他配置芯片功能。3.5報警模塊報警模塊由蜂鳴器和三極管組成。當蜂鳴器的輸出壓力大大增加超過其設計壓力范圍時,單片機的輸出電壓報警將其調高,蜂鳴器的輸出電壓隨時自動變化,發出新的聲音值并發出電壓報警,液晶屏給出提示。例如,當小壓力電路控制器的輸入電壓值信號比正常時大于輸出電壓值,意味著當壓力輸入和控制器的輸出電壓信號較低時,蜂鳴器就不會產生聲音。蜂鳴器和單片機的相互連接結構如圖3.5所示:圖3.SEQ圖3.\*ARABIC5報警電路圖四、軟件設計4.1軟件編程軟件設計是整個系統的一項非常重要的組成部分。軟件主要負責控制數據輸入和送回、數據處理等功能。這些功能都是保證整個系統能夠正常、可靠地運行的一個重要前提。本課程的設計主要采用C語言來實現系統的各種智能功能。C語言本身實際上是一種基于大規模計算機軟件應用的軟件設計編程語言。同時,它還具有許多高級和通用匯編語言的功能。C語言已經被廣泛地移植到大、中、小型和微型個人計算機上。也可以直接作為基于主機工作系統硬件設計的編程語言應用,幫助基于操作系統的主機應用編程,同樣,也可以直接作為基于主機應用硬件設計的編程語言應用,這樣編程就不需要過于依賴它在基于計算機系統硬件的操作系統上的應用。它應用范圍廣泛,具有較強的工程數據處理和信息分析計算能力。它不僅可以用于工業軟件的開發,而且在教學和科研過程中具有很強的實用性。它需要充分利用這種C語言,適合用戶編寫工業系統管理軟件、三維和二維工程圖形及視頻動畫。4.2軟件程序組成本次項目設計的兩個軟件模塊包括了一個主程序與兩個軟件模塊均由子程序共同開發構建,編寫與軟件運行都相對比較簡單。該軟件主要功能包括了啟動主程序、ad轉換為數據的啟動子程序、lcd轉換顯示器的啟動子程序、中斷及延時器的子程序。4.2.1系統的主程序圖4.1主程序流程圖4.3系統子程序設計4.3.1A/D轉換器的軟件設計根據電路中輸出的信號格式不同,常用的AD電流轉換模式控制方法一般可以劃分為直接并行模式AD和串行模型AD兩種,雖然直接并行模式控制器可以通過電流直接進行轉換,但是芯片引腳選擇的方式相對較多;串行模式采用了相對少量的線針和小封裝,但它們也要求軟件處理才能夠獲得必要的數據。然而,單片機中的I/O引腳卻不是很多。采用一個串行裝置的控制系統能夠有效地降低I/O資源的浪費。。4.3.2ADC0832芯片接口應用程序的設計和編寫單片機以串行方式工作的時候,此時串行口是作為同步移位寄存器存在。這里,P3.3端是數據移位的出入口,P3.6提供所需要的脈沖。單片機串行口方式0與ADC0832接口,單片機P2.0接芯片的CS,P3.6接芯片的CLK位置提供時鐘輸出,P3.7接0832的D0、DI當開始位。在CS變低之后,ADC0832的D0側處于高電阻狀態,一直持續三個循環;在開始轉換之后,需要停止DI線,所以DO和DI可以接在一起。adc0832的劃分輸出和輸入數據段的總分為15位,由兩個相同的輸出數據段分別進行組合而成,切兩個相同的輸出數據段都組合應該總分是8位。第一段首先一節使用的號碼是最高位,第二段最后一節所依次使用的也同樣就是最高和低位,兩段小節中的最高和低位分別兩人共享。只有在每一個時鐘的轉速下降經過線路沿,adc0832的數字串行定時器中的數據才能夠有機會自動地轉移到最后一位。單片機設計可以同時控制多臺計算機的數字時鐘和音頻信號源的發送,而P3.6與ADC0832相連對其進行相應的控制輸出,把數據的內容呈現出來。并且要保證所輸出的數據是8位的,所以單片機需要對數據更加的看重,要進行兩次的數據收集,最后呈現的就是8位的數據。當模擬信號從輸入芯片中的功能信號開始,第一選擇CS使用該功能信號,即在芯片中選擇的功能信號是有效的。此時,低電平有效。如果芯片選擇率高,轉換將暫時停止。讀取數據后,模擬量被轉換成若干文本。A/D轉換后,單片機自動讀取一個值。如果轉換未完成,它將返回到啟用的開始。adc0832數據讀寫程序的工作流程圖4.2所示:圖4.2系統子程序流程圖4.3.3LCD數碼管顯示程序設計LCD顯示是一個慢指令顯示設備。所以,在每個指令顯示之前,我們應該確保顯示模塊的時間忙速度標志必須是一個小的低級別,這可能意味著除非工作進程忙,否則模塊指令將自動刪除或無效。如果需要直接輸入一個特殊字符,那么久需要一個模塊來顯示其文本地址。如下面的屏幕截圖所示,文件地址使用lmo16以內部方式顯示。圖4.3是lmo16的內部顯示地址。圖4.3LM016內部顯示地址圖LCD顯示程序流程如圖4.4：圖4.4流程圖五、智能壓力傳感器系統的仿真5.1智能壓力傳感器仿真原理圖圖5.SEQ圖5.\*ARABIC1智能壓力傳感器系統仿真原理圖5.2仿真結果按壓壓力傳感器，壓力數值的變化在顯示屏上顯示出來。繼續加大壓力，直到壓力超過設定的壓力上限,此時，我們安置的壓力報警器會發出聲響。如圖5.2所示。圖5.SEQ圖5.\*ARABIC2報警仿真圖按壓這個按鍵,顯示器會自動出現一個預設的操作界面。如圖5.3所示:圖5.SEQ圖5.\*ARABIC3顯示仿真圖5.3總結（1）本次仿真有兩個仿真結果。第一種是自動調整壓力傳感器。無需手動按鍵即可將數值設置為1。顯示器上顯示的壓力值正常。當壓力升高超過極限時,蜂鳴器開始報警。第二種情況是按下一個鍵,即使按鍵值已經達到2,系統會停止工作,但是顯示屏上會出現一個預定的畫面。一旦擁有了這個顯示屏,我們就已經可以充分利用它,例如闡述一個系統的功能,生產單元等。（2）這種模擬也存在一些問題。由于模擬器的設計特點是可以直接完成對氣體、液體和壓力的測量,所以都需要選擇電阻應變片作為模擬傳感器,但在實際使用過程中沒有這樣的分組鍵,所以選用滑動變阻器來保證模擬結果的正確性。而且,在最初模擬不成功的情況下,我發現當我用其他軟件連接到一個硬件電路時,布局沒有注意到,導致與其他軟件連接的端口錯誤,之后重新排列了軟件的位置,使畫作更加簡單明了。六、總結6.1設計總結本課題的設計從理論和應用實踐兩方面入手,詳細地介紹了各個軟件和部件以及組成單元的軟件電路特點和其工作原理。與硬件緊密聯系的模塊化應用程序,基本上滿足了軟件設計的要求。相對于大多數的壓力傳感器體系的研究,本次設計具有以下幾個主要方面的優勢和特點:(1）本軟件設計充分利用AT89C51單片機,利用基于單片機的操作系統中的可編程擦寫功能和Flash先進的具有閃光燈擦寫功能的芯片設計技術,改進后的系統大大提高了軟件設計和工作效率。（2）傳感器的選擇結合了本設計的理論采用的是電阻應變傳感器。電阻應變傳感器相對于設計類中的傳感器應用來說,是很方便快捷,對于各種的應變環境來說,具有可靠穩定的效果,不管是否動靜都可以進行詳細的測量,達到最精準的數據。（3）該設備具有很強的可擴展性和大量的I/O端口,這對系統的擴展非常方便。（4）本系統的通用性也很強,只要更換系統中的傳感器,就可以實現溫度、重量等方面的測量。6.2展望和不足隨著工業現代化和計算機軟、硬件等相關科學信息技術的進一步與不斷飛躍式快速發展,新信息產品、新信息技術也在日新月異地得到應用。每一個電子產品都必須面對新的機遇和挑戰。同時,由于作者經驗不足,技術水平有限,本文所研究的智能壓力傳感器控制系統存在一些問題,需要改進,主要體現在一下幾個方面:（1）壓力采樣點問題由于時間問題和設計限制,只能使用一個電阻式傳感器或一個電壓傳感器來采集壓力值。在實際應用中,應采用多點采樣和單點控制。否則,在實踐和測量中很難獲得更具說服力的數據。（2）自身的不足在這個實驗的過程中,我們也遇到了很多困難,這些都是我們老師和同學幫助下一步前進的方向。但這可能是我理論知識的一大不足。在學習繪畫的同時,我也明白我對繪畫的工具不是很熟悉。這些可能是我今后在工作過程中會遭受的致命損失。因此,我應該更加努力地改進和完善我的專業技術理論。參考文獻[1]單片機原理及應用，張鑫等，電子工業出版社.[2]MCS51單片機應用設計，張毅剛等，哈爾濱工業大學.[3]MCS51系列單片機實用接口技術，李華等，北京航天航空大學.[4]PROTEL2004電路原理圖及PCB設計，清源科技，機械工業出版社.[5]基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究,曹衛芳,山東科技大學，2005.5.[6]單片機應用技術選編，何立民，北京航空航天大學出版社，2000.[7]檢測技術與系統設計，張靖等，中國電力出版社，2001.[8]田捷，楊鑫.智能設計基礎[M]，北京:電子工業出版社，2005.[9]何