數(shù)字壓力計(jì)的仿真設(shè)計(jì)

1、目錄目錄1. 概述1.1 壓力傳感器簡(jiǎn)介21.2 總體設(shè)計(jì)方案22.硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 傳感器的選型32.2 傳感器接口電路設(shè)計(jì)32.3 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)52.5 顯示電路設(shè)計(jì)62.6 電源電路設(shè)計(jì)73.軟件部分的設(shè)計(jì)3.1 程序設(shè)計(jì)及分析74.仿真及結(jié)果4.1 仿真圖125.設(shè)計(jì)小結(jié) 146.參考文獻(xiàn) 151.概述1.1 壓力傳感器簡(jiǎn)介壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，

2、這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失(這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小(也就說壓電系數(shù)比較低)，所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜

3、態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。 現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 1.2 總體設(shè)計(jì)方案壓力傳感器主要是用來測(cè)量壓力并將相應(yīng)的壓力值轉(zhuǎn)換為可直接讀取的值，因此，需要一個(gè)能智能顯示的壓力計(jì)，本設(shè)計(jì)方案本著低碳、綠色的理念設(shè)計(jì)，將成本縮減到最小。壓力傳感器主要由壓力傳感器，AD 轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)AT89C51,LED 顯示器構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)著信息采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，信息處理和數(shù)據(jù)顯示四個(gè)模塊。其間關(guān)系與操作流程如下兩圖所示： 2.硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 傳感器的選型MPX411

4、5系列壓電電阻傳感器是一個(gè)硅壓力傳感器。這個(gè)傳感器結(jié)合了高級(jí)的微電機(jī)技術(shù)，薄膜鍍金屬。還能為高水準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)提供一個(gè)均衡壓力。在0-85的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補(bǔ)償是-40-125。MPX4115壓力傳感器檢測(cè)的范圍是15KPA-115KPA，輸出電壓信號(hào)0.2V-4.8V。ADC0808的參考電壓 VREF+=5V，VREF-=0V。則（0V-5V）對(duì)應(yīng)（0-255），（0.2V-4.8V）對(duì)應(yīng)。其線性對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示： 系統(tǒng)最小分辨率： 2.2 傳感器接口電路的設(shè)計(jì) 采用 C1=47PF 的電容作濾波電路，以及內(nèi)部原理圖如下圖所示： 內(nèi)部原理圖 濾波電路2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)

5、計(jì) 選用的單片機(jī)為 AT89C51 系列芯片，該芯片的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片選信號(hào)構(gòu)成。在最小系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，將 P1 口作為模擬量的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的接收端，P0 口作 LED 顯示屏的數(shù)據(jù)發(fā)送端，P2 口作 LED 顯示屏的控制端口，同時(shí)作為過壓及欠壓的報(bào)警電路使用。具體最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如右圖所示： 2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)ADC0832 是美國(guó)國(guó)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。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提

6、高。8位分辨率雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換輸入輸出電平與TTL/CMOS 相兼容5V 電源供電時(shí)輸入電壓在05V 之間工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32SADC0832 為8位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、

7、CLK、DO、DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832未工作時(shí)其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，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。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第2、3個(gè)脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用

8、于選擇通道功能，其功能項(xiàng)見官方資料。 如資料 所示，當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì) CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端 IN+，CH1作為負(fù)輸入端 IN-進(jìn)行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將 CH0作為負(fù)輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行 輸入。到第3 個(gè)脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI 端則開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)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(gè)脈沖下沉 DO 端輸出下一位

9、數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束。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(jìn)行處理就可以了。 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí) ADC0832的輸入電壓是05V 且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為由 IN+與 IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行 IN+與 IN-的輸入時(shí)，如果 IN-的電壓大于 IN+的電壓則

10、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。其硬件引腳如圖所示: 2.5 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示界面利用 16X1 的 LM016L 的字符型液晶 LM020L 進(jìn)行顯示，相比 LED 顯示能顯示更多的內(nèi)容，人機(jī)界面更友好，而且節(jié)省單片機(jī)硬件資源。其引腳接線以及驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示： 如上圖所示：RS、RW、E 分別接至 P2.0、P2.1、P2,2作為顯示器的控制端口，D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7與 P0口直接相連，同時(shí)使用驅(qū)動(dòng)電路RESPACK-8來提供足夠的 LCD 電源。2.6 電源電路設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)的所有硬件電路均可有5V 的直流電源驅(qū)動(dòng)，因此使用標(biāo)準(zhǔn)的5V 的電壓源作為電路電源。3.軟件

11、部分的設(shè)計(jì) #include #include #include /包含必要的頭文件#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define delay4us() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();#define NOP _nop_()sbit HIGH=P23 ;sbit LOW=P24 ;sbit AD_CS =P10;sbit SCK=P11;sbit DO =P12;sbit DI =P12;sbit RS = P20;sbit RW = P21;sbit E = P22; /必要的位定義uns

12、igned char adval;uchar Display_Buffer = 000.0KPa;uchar code Line1 = Current Press:; /初始化所顯示的字符 uchar adc0832(uchar channel) /讀 ADC0832 函數(shù),采集并返回 uchar i=0; uchar j; uint dat2=0; uchar ndat=0; if(channel=0)channel=2; if(channel=1)channel=3; AD_CS=0;NOP; NOP; /拉低 CS 端，AD 片選DI=1;NOP; NOP; /在第一個(gè)脈沖下降之前 DI

13、 必須是高電平,表示啟始信號(hào) SCK=1;NOP; NOP; SCK=0;NOP; NOP; SCK=1; DI=channel&0 x1;NOP;NOP; /在第二和第三個(gè)脈沖下降之前 DI 輸入兩位表示通道 SCK=0;NOP; NOP; SCK=1; DI=(channel1)&0 x1;NOP; NOP; SCK=0; /寫命令完成,DI 失去輸入作用 DI=1;NOP;NOP; dat2=0; for(i=0;i8;i+) /讀出 8 字節(jié)數(shù)據(jù) dat2|=DO; SCK=1;NOP; NOP; SCK=0;NOP; NOP; dat2=1; if(i=7) dat2

14、|=DO; for(i=0;i8;i+) j=0; j=j|DO; SCK=1;NOP; NOP; SCK=0;NOP; NOP; j=j7; ndat=ndat|j; if(i=1; AD_CS=1; SCK=0; DO=1; dat2=8; dat2|=ndat; return(dat2); /返回?cái)?shù)據(jù)void DelayMS(uint ms) /延時(shí)程序，相應(yīng)數(shù)值為相應(yīng)毫秒數(shù) uchar i; while(ms-) for(i=0;i120;i+); /1mS 延時(shí) uchar Read_LCD_State() /檢測(cè) LCD 是否“忙” uchar state; RS=0;RW=1;E

15、=1;DelayMS(1); state=P0; /返回 P0 的值 E= 0;DelayMS(1); return state; /返回狀態(tài)void LCD_Busy_Wait() while(Read_LCD_State()&0 x80)=0 x80); DelayMS(5); void LCD_Write_Command(uchar cmd) /寫命令函數(shù) LCD_Busy_Wait(); RS = 0; RW = 0; E = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; /將 CMD 值寫入 LCD 產(chǎn)生相應(yīng)的控制 delay4us(); E = 1; del

16、ay4us(); E = 0; void Set_LCD_Pos(uchar pos) LCD_Write_Command(pos | 0 x80);void LCD_Write_Data(uchar dat) /寫數(shù)據(jù)函數(shù) LCD_Busy_Wait(); RS = 1; RW = 0; E = 0; P0 = dat; delay4us(); E = 1; delay4us(); E = 0;void LCD_Initialise() /LCD 初始化函數(shù) LCD_Write_Command(0 x38); DelayMS(1); LCD_Write_Command(0 x0c); Del

17、ayMS(1); LCD_Write_Command(0 x06); DelayMS(1); LCD_Write_Command(0 x01); DelayMS(1);void Display_LCD_String(uchar p,uchar *s) /LCD 顯示函數(shù) uchar i; Set_LCD_Pos(p); for(i=0;i246) /判斷過壓函數(shù) HIGH=1;LOW=0; /開啟過壓報(bào)警燈 DelayMS(1) ; write_sfm(6,bai); write_sfm(7,sh); write_sfm(8,ge); write_sfm(10,xiaoshu); /寫數(shù)據(jù) e

18、lse if(c10) /開啟欠壓報(bào)警燈 LOW=1; HIGH=0; write_sfm(6,bai); write_sfm(7,sh); write_sfm(8,ge); write_sfm(10,xiaoshu); /寫數(shù)據(jù) else HIGH=0;LOW=0; /正常狀態(tài)，顯示壓力值 write_sfm(6,bai); write_sfm(7,sh); write_sfm(8,ge); write_sfm(10,xiaoshu); /程序完4.仿真及結(jié)果 如下圖所示，是當(dāng)壓力值小于和大于 115kPa 時(shí)的顯示與報(bào)警電路： 5.小結(jié) 在這炎炎夏日，為期5天的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在這5天里，我們學(xué)習(xí)了有關(guān)壓力計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)，跟深刻的認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)了單片機(jī)、LCD 顯示屏、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的使用。在實(shí)踐中，我們有幸的綜合了各種技能的使用，讓我們對(duì)未來從事工作跟有信心。雖然在此次的設(shè)計(jì)中，我們只是使用了軟件來仿真壓力計(jì)的設(shè)計(jì)，但我們同時(shí)也希望能夠有真正自己動(dòng)手的機(jī)會(huì)，從而來做出屬于自己的東西，那樣應(yīng)該更加有價(jià)值。壓力計(jì)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的課程設(shè)計(jì)課題，其中具體體現(xiàn)了大學(xué)生動(dòng)手的精神，在課程設(shè)計(jì)中，需要我們使用已經(jīng)學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)，