智能壓力測(cè)量?jī)x的研制

1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 智能壓力測(cè)量?jī)x的研制 學(xué) 院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 生 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 二一五年五月三十一日 36 摘 要本文介紹的是可調(diào)量程智能壓力測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。其功能主要是實(shí)現(xiàn)多量程的壓力的檢測(cè)，范圍010-100MP。該壓力測(cè)量?jī)x的工作原理為，電阻應(yīng)變式壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后傳送給ADC0809轉(zhuǎn)換器，A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送給89C51單片機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機(jī)處理后可由顯示系統(tǒng)顯示出具體的壓力測(cè)量值。其中硬件部分還包括按鍵和AT24C02存儲(chǔ)系統(tǒng)用于量程的調(diào)節(jié)。本文還包括軟件流程設(shè)計(jì)，以及PCB板的繪制。關(guān)

2、鍵詞：89C51單片機(jī)；ADC0809；電阻應(yīng)變式壓力傳感器；AT24C02存儲(chǔ)器ABSTRACTThe paper introduced the design of the intelligent pressure meter,witch has the  function of regulating range. Its main function is to realize the multiple range of pressure test, in the range of 0 10-100 mp.The working principle of pressure meas

3、uring instrument for resistance strain type pressure sensor acquisition signal amplifier amplification process will be sent to ADC0809 converter, A/D converts analog signals to digital signals sent after 89 c51.Data after processed by single chip microcomputer can be displayed by the system shows th

4、e specific pressure measurements.The hardware part includes buttons and AT24C02 storage system for regulating range. This article also includes the software process design, as well as the PCB drawing.Key words：89 c51; ADC0809; Resistance strain type pressure sensor; AT24C02 memory目 錄摘 要IABSTRACTII1.

5、前 言11.1背景與發(fā)展11.2意義12.工作原理32.1整機(jī)工作原理32.2應(yīng)變式傳感器的工作原理32.3應(yīng)變式傳感器的電橋原理43. 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖53.1壓力傳感器53.1.1壓力敏感元件53.2放大模塊63.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊73.4 AT89C51單片機(jī)83.5顯示模塊93.6 串行輸出單元93.7 按鍵模塊103.8 E2PROM存儲(chǔ)模塊114.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)124.1A/D轉(zhuǎn)換模塊程序124.2按鍵模塊流程圖144.3串行輸出程序設(shè)計(jì)164.4顯示電路模塊185.誤差分析195.1直流電橋非線性誤差補(bǔ)償195.2應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和其補(bǔ)償方法195.2.1溫度誤差產(chǎn)生的原因

6、195.2.2溫度補(bǔ)償方法205.3 A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)不確定度205.4測(cè)量誤差205.5誤差處理216.儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)237.使用說(shuō)明書24結(jié) 論25參 考 文 獻(xiàn)26致 謝27附 錄281.前 言 1.1背景與發(fā)展 17到18世紀(jì)期間，第一個(gè)測(cè)定到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的是意大利籍托里拆里，他的發(fā)現(xiàn)為液柱式壓力測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)定地基礎(chǔ)。我們所熟知的波登管壓力表因?yàn)槠涞膶?shí)用性，和簡(jiǎn)便性，被工業(yè)領(lǐng)域較為寬泛的應(yīng)用。20世紀(jì)初，由于壓力測(cè)量帶來(lái)很多限制性難題，人們開(kāi)發(fā)出了電接點(diǎn)壓力表、遠(yuǎn)傳壓力表。使得壓力測(cè)量變得更為方便，效率，應(yīng)用范圍更為廣泛。二十世紀(jì)后半葉，壓力測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)得到了改進(jìn)，更為輕便，適

7、應(yīng)的工作環(huán)境更為苛刻。使得其可以很好地被應(yīng)用于航空、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域，此時(shí)數(shù)字顯示也被引進(jìn)壓力測(cè)量的應(yīng)用當(dāng)中。二十世紀(jì)六十年代左右，多數(shù)工程項(xiàng)目中差不多都采用了彈簧式壓力儀表來(lái)完成壓力參數(shù)的測(cè)量。但由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)壓力測(cè)試技術(shù)的要求，尤其是航空領(lǐng)域給壓力測(cè)試技術(shù)提出了許多困難要求，要求必須迅速反映測(cè)量過(guò)程發(fā)生的變化情況，并將變化的信息送給計(jì)算機(jī)，以使達(dá)到測(cè)試過(guò)程或生產(chǎn)線要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，或者能直接輸入給顯示、記錄、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這樣就發(fā)展產(chǎn)生了電測(cè)試壓力儀，以代替過(guò)去那些只能測(cè)試靜態(tài)壓力的彈簧壓力計(jì)。壓力是我們生產(chǎn)生活中的一種常用的參數(shù)。為了保證生產(chǎn)和儀器的安全性能，壓力的測(cè)量是必不可

8、少的。而且壓力測(cè)量的智能化，也是大勢(shì)可趨。近來(lái)壓力傳感器種類可謂多之又多，而且體積越來(lái)越小，越來(lái)越輕便，各個(gè)領(lǐng)域，各個(gè)行業(yè)無(wú)不有其的蹤影。為實(shí)現(xiàn)壓力的更精確的測(cè)量，人們將壓力傳感器和其他硬件，擴(kuò)展單元，電路原理結(jié)合在一起，使壓力的測(cè)量更為方便，準(zhǔn)確。例如，脈搏測(cè)量?jī)x，將微弱的脈搏跳動(dòng)信號(hào)通過(guò)傳感器后經(jīng)過(guò)放大器的信號(hào)放大，AD的數(shù)模轉(zhuǎn)換傳送給中央處理單元，信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，用顯示電路顯示出來(lái)，就可以得到具體的脈搏跳動(dòng)次數(shù)。當(dāng)然其中包括了軟件的處理過(guò)程。壓力測(cè)量過(guò)程中也會(huì)避免不了誤差的存在，除了在傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)化方面提高傳感器的質(zhì)量，減少誤差外，人們?cè)跍y(cè)量壓力時(shí)候，也會(huì)采取一些措施，比如信號(hào)防干擾措施

9、，數(shù)據(jù)誤差處理等等。本文的目的在于設(shè)置一種簡(jiǎn)單的智能壓力測(cè)量?jī)x，來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的壓力測(cè)量，里面涉及到可調(diào)量程功能，可編程按鍵。其中包括硬件原理，軟件，外部擴(kuò)展電路，儀器外形設(shè)計(jì)等等。誤差處理還引用了很多科學(xué)性強(qiáng)的公式。1.2意義 本文設(shè)計(jì)的可調(diào)量程智能壓力測(cè)量?jī)x，是一種把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)顯示單元展示給我們的實(shí)用性儀表。壓力信號(hào)的采集必須要先防止信號(hào)的干擾，傳感器選型要合理，A/D和單片機(jī)的選擇應(yīng)該適應(yīng)傳感器的工作環(huán)境要求，以得到精密的儀器。文中設(shè)計(jì)的按鍵電路和E2PROM模塊實(shí)現(xiàn)了量程的調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存功能，E2PROM模塊一次性輸入后將永久性保留這些數(shù)據(jù)，再次使用可以直接通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇。

10、儀器儀表的設(shè)計(jì)中誤差是不可避免的，包括，傳感器帶來(lái)的誤差，硬件電路部分帶來(lái)的誤差，為了測(cè)量更為方便本文中涉及到了誤差的分析以及處理，誤差可以通過(guò)電路的設(shè)計(jì)，例如阻容濾波對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行濾波和數(shù)學(xué)公式來(lái)處理掉，使測(cè)量的結(jié)果盡可能的符合實(shí)際情況。我覺(jué)得儀器儀表的設(shè)計(jì)多少是有些缺陷的，對(duì)應(yīng)的儀表只能測(cè)量一定的壓力，這在生產(chǎn)過(guò)程中，增加了儀表的使用量，也使同一工作原理的儀表重復(fù)性的被設(shè)計(jì)出來(lái)，我感覺(jué)這是一種浪費(fèi)。也許我們可以設(shè)計(jì)一種萬(wàn)能的儀表，對(duì)于同一物理量的測(cè)量只用這一種儀表就夠了。儀器的設(shè)計(jì)也需要符合全球的大環(huán)境，即實(shí)用也要環(huán)保。所以儀表技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該是創(chuàng)新和與時(shí)俱進(jìn)的。如今的人們離不開(kāi)儀表，

11、儀表的發(fā)展也離不開(kāi)人們的智慧，他們是相輔相成的，一些儀器給人們的生活帶來(lái)很多方便，使人們的生活效率也得到了提高，人們的出行，社交，學(xué)習(xí)，工作甚至于健康問(wèn)題現(xiàn)今隨著技術(shù)的發(fā)展都依賴于這些東西。所以這些功能的存在都是有意義的?？茖W(xué)是不斷發(fā)展的，技術(shù)是不斷被優(yōu)化，不斷被開(kāi)發(fā)的，前人留下的財(cái)富是寶貴的，過(guò)去用傳統(tǒng)的方式創(chuàng)造生活，這些都是值得去懷念學(xué)習(xí)的，基礎(chǔ)必須要銘記，但同時(shí)發(fā)展不能止步，現(xiàn)代生活要用更高端的技術(shù)來(lái)創(chuàng)造，所以為了未來(lái)，所有技術(shù)還要不斷的被改進(jìn)，以便于讓生產(chǎn)生活更高效的進(jìn)行。2.工作原理2.1整機(jī)工作原理 本設(shè)計(jì)中所采用的是MPM283壓阻式OEM壓力敏感元件，當(dāng)該傳感器受力時(shí)將產(chǎn)生壓力

12、信號(hào)，傳感器將壓力信號(hào)以電壓信號(hào)的形式輸出，在單片機(jī)的控制下，可以將該電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)然后再由單片機(jī)計(jì)算處理，最后由4位數(shù)碼管顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。2.2應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變片的工作原理來(lái)自于金屬形變會(huì)導(dǎo)致阻值變化這一效應(yīng)，金屬片的阻值會(huì)隨著它的形變而發(fā)生大小變化的現(xiàn)象被稱之為金屬的電阻的應(yīng)變效應(yīng)。此電阻表示為 (2-1)式中，金屬片電阻率為；金屬片長(zhǎng)為l；橫截面積為A。導(dǎo)體受到外力時(shí)會(huì)引起、l、A的變化，從而導(dǎo)致R阻值的變化，它的相對(duì)的變化量可表示為 (2-2)對(duì)半徑是r的圓形截面電阻絲 (2-3) 可知電阻絲的徑向和軸向的變化關(guān)系為 (2-4)上式，為材

13、料的泊松比，(一般取值0.30.5)。把式(2-4)代入到式(2-3)，再代入式(2-2)得 (2-5)式(2-1-5)等號(hào)中間第一項(xiàng)表示應(yīng)變片的幾何尺寸效應(yīng)；第二項(xiàng)表示應(yīng)變引起的電阻率變化效應(yīng)即為壓阻效應(yīng)，k0電阻絲的靈敏度系數(shù)，其物理意義為單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，k0主要由幾何尺寸效應(yīng)和壓阻效應(yīng)兩個(gè)因素決定。2.3應(yīng)變式傳感器的電橋原理(1) 直流電橋平衡條件 直流橋路見(jiàn)圖2-1 示，E為電源，R1、R2、R3、R4為橋路電阻，RL為負(fù)載。 當(dāng)RL趨向于無(wú)窮大時(shí)，電橋輸出電壓為 (2-6)當(dāng)橋路平衡時(shí)，Vab=0，則有 (2-7)該式稱為電橋平衡條件。即電橋要平衡，其相鄰的兩電阻的

14、乘積(比值)應(yīng)該一樣。圖2-1 直流橋路電路圖（2）直流電橋電壓靈敏度應(yīng)變片在工作的時(shí)候，它阻值幾乎是不變的。所以我們通常通過(guò)放大電橋輸出的電壓來(lái)計(jì)算，得到電橋電壓靈敏度和供電電壓成正比，即靈敏度會(huì)隨著電壓的升高而不斷地升高。但供電電壓不能無(wú)限制提高，所以一般在允許范圍內(nèi)盡可能做出最恰當(dāng)?shù)倪x擇。 3. 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 圖3-1 硬件電路設(shè)計(jì)圖硬件電路結(jié)構(gòu)圖主要包括壓力敏感元件、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)處理單元、按鍵控制、LED顯示、串行數(shù)據(jù)輸出端口等。3.1壓力傳感器3.1.1壓力敏感元件選擇MPM283 壓阻式OEM壓力敏感元件如圖3-2。圖 3-2壓力敏感元件實(shí)物圖MPM283型

15、壓阻式壓力敏感元件是一種應(yīng)用不銹鋼波紋膜片隔離的OEM壓力測(cè)量元件。其優(yōu)點(diǎn)使耐壓值高、穩(wěn)定適合中高壓的測(cè)量，精度高，可廣泛用于過(guò)程控制系統(tǒng)，石油化工，液壓等領(lǐng)域。其測(cè)量范圍為：00.7MPa100MPa。表3-1壓力敏感元件的規(guī)格參數(shù)表參 數(shù)最小典型最大單位非線性±0.2±0.25%FS,BFSL重復(fù)性±0.05±0.075%FS遲 滯±0.05±0.075%FS零點(diǎn)輸出±3mVDC滿量程輸出70mVDC零點(diǎn)溫度誤差±0.75±1.0%FS,參比35滿度溫度誤差±0.75±1.0%FS

16、,參比35補(bǔ)償溫度范圍-1080工作溫度范圍-40125貯存溫度范圍-40125長(zhǎng)期穩(wěn)定性±0.1±0.2%FS/年膜片材質(zhì)不銹鋼316L殼體材質(zhì)不銹鋼316L供電電源2.0mADC安全過(guò)載150%FS輸入阻抗38K輸出阻抗3.56K3.2放大模塊放大電路包含4個(gè)運(yùn)算器和定值電阻。為了讓信號(hào)更穩(wěn)定，運(yùn)算電路插入了阻容濾波模塊。還包括調(diào)零單元。運(yùn)算器采用了低噪聲、輸入偏置電流低、開(kāi)環(huán)收益高的OP07。根據(jù)電路圖可以看出放大電路一級(jí)放大倍數(shù)為4倍、二級(jí)5、三級(jí)2.4倍，所以總的放大倍數(shù)為48倍。本設(shè)計(jì)用到的OP07噪聲非常低，是我們所熟知的非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器。其溫漂小

17、，有很低的輸入失調(diào)電壓，所以一般情況下沒(méi)必要進(jìn)行調(diào)零。它還具有高開(kāi)環(huán)增益的特性，所以O(shè)P07最適用于高增益測(cè)量裝置。電路圖中采用了阻容濾波的濾波方法，其作用是，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中經(jīng)過(guò)放大電路時(shí)可以很好地過(guò)濾掉干擾波?；瑒?dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)調(diào)零的功能。整個(gè)電路電流傳輸過(guò)程如下傳感器提供的電信號(hào)通過(guò)差分放大正向和逆向的轉(zhuǎn)換完成3級(jí)放大，最后把得到的正電信號(hào)輸送給A/D轉(zhuǎn)換器。完成放大工作。圖3-3 放大模塊連接圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 本設(shè)計(jì)采用的是ADC0809轉(zhuǎn)換器。與單片機(jī)的硬件連接圖如圖3-4。 單片機(jī)所識(shí)別的二進(jìn)制碼，是數(shù)字量，傳感器采集的信號(hào)屬于模擬信號(hào)，如果要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、處理則必須將其

18、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)即數(shù)字量，由0和1組成，該數(shù)字位數(shù)是無(wú)限制的，字?jǐn)?shù)越多說(shuō)明精確度越高，反之越低。而將模擬線號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)需要A/D轉(zhuǎn)換；同樣的也可完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADC0809是系統(tǒng)中最常用的8位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部含有鎖存功能，具有8路模擬電子開(kāi)關(guān)，能同時(shí)對(duì)輸入的8路信號(hào)采取采樣、轉(zhuǎn)換，效率高。如圖所示，P2.6引腳與處理器（讀入）、（寫）選通相邏輯組合，把它作為轉(zhuǎn)換器的選通輸入信號(hào)。由邏輯組合可知P2.6低電平有效。當(dāng)P2.6為低電平時(shí)，令低3位地址碼作為8路模擬量輸入通道IN0IN7，每有一個(gè)采樣指令，就選通某一輸入通道，啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，OE呈高電平，單片機(jī)就可

19、以從ADC0809讀取一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣才算完成該路的A/D轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中還通過(guò)放大電路傳輸過(guò)來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后送給轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換其中實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字信號(hào)，會(huì)通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算出合理的測(cè)量值，測(cè)量過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)一些偏差比較大的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后會(huì)被處理掉。A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中需要足夠的延遲，以便于轉(zhuǎn)換過(guò)程更高效的進(jìn)行。A/D0809與單片機(jī)的硬件連接圖如圖3-4。 圖3-4 A/D0809與89C51的硬件連接圖3.4 AT89C51單片機(jī)圖3-5 AT89C51單片機(jī) 單片機(jī)內(nèi)部包含運(yùn)算器和控制器的、4K字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、

20、32個(gè)I/O接口，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)等組成。單片機(jī)應(yīng)用非常廣泛，這歸功于它的高速處理性能，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)主要作用是控制A/D轉(zhuǎn)換，與按鍵模塊交互實(shí)現(xiàn)量程調(diào)節(jié)，與外置存儲(chǔ)器連接，以及數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算和輸出等功能。3.5顯示模塊數(shù)碼管顯示部分由4個(gè)74LS164和4個(gè)8位數(shù)碼管組成如圖。數(shù)碼管的顯示是靠點(diǎn)亮里面的發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)碼管的公共端分為共陰和共陽(yáng)兩種情況。共陰即8個(gè)陰極連接在一起。共陽(yáng)就是8個(gè)陽(yáng)極連接在一起。靜態(tài)顯示以及動(dòng)態(tài)顯示是數(shù)碼管顯示的方式，此次設(shè)計(jì)所用的是靜態(tài)。當(dāng)通過(guò)位選信號(hào)選擇某個(gè)數(shù)碼管的亮滅時(shí)，由于共陰共陽(yáng)，所以其他數(shù)碼管顯示的數(shù)字也是一致的

21、，這就是靜態(tài)顯示。顯示單元電路圖的如圖3-6。 74LS164是用來(lái)實(shí)現(xiàn)8位同時(shí)串入，是一種常用的移位寄存器。串行輸入，而后并行輸出。其運(yùn)行方式是任意輸入端置為高電平以控制另一個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)輸入。因此輸入端一般是連在一起的，不用的一般接高電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)會(huì)輸送給顯示單元完成顯示。圖3-6 數(shù)碼管顯示3.6 串行輸出單元串行輸出的工作方式是把構(gòu)成字符的二進(jìn)制數(shù)，有序的逐位進(jìn)行傳輸。大多數(shù)儀器所讀取的數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)，因此需要把并行數(shù)據(jù)變換成串行數(shù)據(jù)才能正常的傳輸。在接收端再把串行數(shù)據(jù)變換成并行數(shù)據(jù)才能被儀器識(shí)別。上述轉(zhuǎn)換可以通過(guò)軟件和硬件連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3-7。中涉及的MAX220

22、是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，其功能主要是實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)的通信。為了防止干擾在其兩端接入了抗阻。TXD和RXD分別和單片機(jī)、PC連接起來(lái)，PC發(fā)出數(shù)據(jù)，命令單片機(jī)，而后單片機(jī)做出響應(yīng)，將處理的數(shù)據(jù)通過(guò)串口再發(fā)送給PC。從而完成整個(gè)的出入輸出過(guò)程。圖3-7串行數(shù)據(jù)輸出電路圖3.7 按鍵模塊按鍵分為彈性小按鍵，其特點(diǎn)是按下后松開(kāi)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)；自鎖式按鍵，按下閉合后會(huì)自動(dòng)鎖住，再次按下會(huì)彈出，通常會(huì)將其用作電源開(kāi)關(guān)。而在本設(shè)計(jì)中，控制單片機(jī)的按鍵采用的是彈性小按鍵，其工作原理是：把按鍵的一端接地，將初始狀態(tài)設(shè)為高電平，讓單片機(jī)不斷地檢測(cè)I/O口的電平，按鍵被按下時(shí)，電路接通，變?yōu)榈碗娖?，被單片機(jī)檢測(cè)到后執(zhí)行

23、相應(yīng)的命令。此處設(shè)置了兩個(gè)按鍵，S1和S2。S1的功能是調(diào)節(jié)智能壓力測(cè)量?jī)x的量程（010-100MPa），S2被用來(lái)確認(rèn)當(dāng)前被選擇的某個(gè)量程。它們的工作原理是，每按一次S1能夠給單片機(jī)一個(gè)低電勢(shì)，相應(yīng)的單片機(jī)會(huì)執(zhí)行增加量程的功能。此時(shí)單片機(jī)還把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到了E2ROM單元，為后續(xù)的測(cè)量工作做準(zhǔn)備。當(dāng)選擇到所需要的量程時(shí)，可以通過(guò)按下S2來(lái)確認(rèn)一下該量程已被選擇。當(dāng)量程達(dá)到上限時(shí)，再次按下S1可以實(shí)現(xiàn)重新從10MPa開(kāi)始往上增加。按鍵電路如圖3-8所示。圖3-8 按鍵電路3.8 E2PROM存儲(chǔ)模塊圖3-9 AT24C02與單片機(jī)的硬件圖本設(shè)計(jì)中采用AT24C02存儲(chǔ)器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力量程的調(diào)

24、節(jié)。AT24C02內(nèi)部分為32頁(yè)，每頁(yè)8個(gè)字節(jié)，共256個(gè)字節(jié)，有兩種尋址方式：芯片和片內(nèi)子地址尋址。芯片尋址，其地址是1010，控制字格式是1010A2A1A0R/W。A0、A1、A2是可編程的地址選擇位，他們引腳接高、低時(shí)能產(chǎn)生3位編碼，與1010合起來(lái)組成7位編碼，此編碼就是該元件的地址碼。R/W為讀寫位，當(dāng)其為低電平時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行寫操作；為高電平時(shí)進(jìn)行讀操作；片內(nèi)子地址尋址，可對(duì)內(nèi)部256B中任意一個(gè)進(jìn)行讀寫操作，尋址范圍是00FF，總共有256個(gè)尋址單元。該存儲(chǔ)器一般有兩種寫入方式，字節(jié)寫入和頁(yè)寫入，后者允許在一個(gè)寫周期內(nèi)對(duì)一字節(jié)到一頁(yè)的對(duì)個(gè)字節(jié)采取編程寫入，效率高。片內(nèi)地址在接受到一

25、個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)加1，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)寫入，在第8個(gè)數(shù)據(jù)后將地址強(qiáng)制加1，就會(huì)防止數(shù)據(jù)丟失，令寫入繼續(xù)到下一頁(yè)。字節(jié)寫入，即是一次寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，先發(fā)動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)，后送一個(gè)一位控制字，到第8位時(shí)發(fā)送一位停止信號(hào)，完成一次8位寫入。按鍵的實(shí)時(shí)控制所得到的所有數(shù)據(jù)將會(huì)及時(shí)傳入此存儲(chǔ)單元，所有數(shù)據(jù)將會(huì)根據(jù)上述的工作原理進(jìn)行存儲(chǔ)。也就是實(shí)現(xiàn)了量程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，當(dāng)再次使用此儀器時(shí)，這些量程數(shù)據(jù)將會(huì)直接從該存儲(chǔ)器提取，通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)路圖中兩個(gè)串電阻是為了降低芯片對(duì)單片機(jī)的傳入電信號(hào)到適當(dāng)范圍，起到保護(hù)電路的作用。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4-1。圖4-1 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.1A/D轉(zhuǎn)換模塊

26、程序A/D轉(zhuǎn)換程序段#include<reg51.h> #include<absacc.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit d1=P01; sbit d2=P02; sbit d3=P03; sbit d4=P04; sbit START=P26;void AD()ST=0;delay(2);ST=1; /啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換delay(2);ST=0;Wile(EOC=0);OE=1;dianyaz=P0;OE=0;void delayms(uint xms) /延時(shí) uint i,j;fo

27、r(i=xms;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-); void num uint n,num=num+num;for(n=4;n=1;n+);float average;average=sum/4;圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖4.2按鍵模塊流程圖#include<reg51.h> #include<absacc.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit key1=P22; sbit key2=P23;void delayms(uint xms)uint i,j;f

28、or(i=xms;i>0;i-) for(j=110;j>0;j-);void init()TMOD=0x01;TH0=(65536-45872)/256;TL0=(65536-45872)%256;EA=1;ET0=1;void keyscan()if(key1=0) delayms(10); If(key=0) num=num+10; If(num=100) num=0; wile(!key1); if(key2=0) delayms(10) if(key2=0) wile(!key2); TR0=TR0; 圖4-3 按鍵流程圖4.3串行輸出程序設(shè)計(jì)SMO=0;void ini

29、t() /定時(shí)器初始化程序TMOD=0x20; /T1的工作方式TH1=0xfd; /TH1,TL1賦初值TL1=0xfd;TR1=1; /啟動(dòng)T1REN=1; /允許串口就收位SM1=1; /串口的工作方式EA=1; /定時(shí)器使能ES=1; /串口中斷允許void UART() /串口發(fā)送數(shù)據(jù)程序 init(); while(1) If(flag=1) /標(biāo)志位 ES=0; /關(guān)閉串口中斷，防止發(fā)送（接受）數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入串口中斷 for(i=0;i6;i+) SBUF=tablei; while(!TI); /發(fā)送完后由硬件將其置1 TI=0; SBUF=a; while(!TI); TI=0

30、; ES=1; flag=0; void ser()interrupt 4 RI=0; a=SBUF; flag=1;4.4顯示電路模塊圖4-4 顯示電路流程圖5.誤差分析5.1直流電橋非線性誤差補(bǔ)償采用差動(dòng)電橋法，將電橋四臂接入4片應(yīng)變片，如圖5-1所示，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則 (5-1) (5-2)此時(shí)全橋差動(dòng)電路不存在非線性誤差且電壓較精確，同時(shí)還有對(duì)溫度補(bǔ)償有一定的作用。圖 5-1全橋差動(dòng)電路5.2應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和其補(bǔ)償方法 5.2.1溫度誤差產(chǎn)生的原因?qū)?yīng)變片安裝在裝置上，在不受外力作用的情況下，如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，應(yīng)變片的

31、阻值也會(huì)發(fā)生變化。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。該誤差稱為溫度誤差。產(chǎn)生誤差的原因有兩種： (1)應(yīng)變片阻值本身隨溫度變化而變化電阻與溫度的關(guān)系可表示為 (5-3) (5-4)式中，Rt 溫度t時(shí)的電阻值； R0 溫度在t0點(diǎn)的阻值； t 溫度的變化值； Rr 溫度變化t時(shí)對(duì)應(yīng)的阻值變化； 應(yīng)變片的阻值溫度系數(shù)，溫度提高或減少1時(shí)阻值的相對(duì)變化。 （2）儀器材料與應(yīng)變片的線行膨脹系數(shù)不一致，導(dǎo)致應(yīng)變片產(chǎn)生變形造成阻值的變化。5.2.2溫度補(bǔ)償方法 （1）電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是一種常見(jiàn)的高效的補(bǔ)償法。在橋路上安裝一工作應(yīng)變片，在另外一個(gè)與被測(cè)件的材料相同，但不受外力的補(bǔ)償件上安裝一個(gè)補(bǔ)償應(yīng)變片

32、。補(bǔ)償片與被測(cè)片同在室溫下。有時(shí)也可以不設(shè)補(bǔ)償件，而是將補(bǔ)償片貼在被測(cè)件上，使其既能起到溫度補(bǔ)償作用又能提高靈敏度。 （2）應(yīng)變片自補(bǔ)償法 這種應(yīng)變片是一種比較特殊的，溫度產(chǎn)生變化，會(huì)使附加應(yīng)變相互抵消。用自補(bǔ)償應(yīng)變片的這種方式稱為自補(bǔ)償法。 （3）串熱敏電阻補(bǔ)償法 在橋路電壓輸出端串入一熱敏電阻，在溫度增加的情況下，導(dǎo)致應(yīng)變片靈敏度下滑，而熱敏電阻的阻值隨著變低，使電橋輸入電壓增加，進(jìn)而提高電橋輸出。5.3 A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)不確定度模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)和理論上是有差別的。所以A/D存在標(biāo)準(zhǔn)不確定度，s(St)、s(S2)、s(S3)按照均勻分布，其均值為 (5-5)5.

33、4測(cè)量誤差在對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)數(shù)次測(cè)量所得到的結(jié)果的平均值之差，被稱作為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是沒(méi)有規(guī)律的是離散型的，但是總的來(lái)說(shuō)還是遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。重復(fù)性測(cè)量的結(jié)果多數(shù)遵循正態(tài)分布。正態(tài)分布所體現(xiàn)出來(lái)的誤差并不是很夸張，誤差絕對(duì)值大的占少數(shù)甚至沒(méi)有，誤差絕對(duì)值小的，越靠近零越多，即具有一個(gè)單峰值。無(wú)窮倍標(biāo)準(zhǔn)差的絕對(duì)值幾乎是不存在的。實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量次數(shù)是有限的，真值必須要用最佳的估計(jì)值，一般就用算術(shù)平均值代替，標(biāo)準(zhǔn)差公式 (5-6)式(5-6)被稱為貝塞爾公式，用來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值。vi稱為殘差，實(shí)際測(cè)量中能算出其值。s被稱標(biāo)準(zhǔn)差。測(cè)得值通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差這一指標(biāo)，可以明顯的得到哪些值誤差小，哪些

34、值誤差大。誤差越大，數(shù)據(jù)越分散，方差也會(huì)變大。正態(tài)分布圖峰值越尖銳，說(shuō)明測(cè)得的這組數(shù)據(jù)越符合實(shí)際情況。所以測(cè)量過(guò)程中盡量選擇比較靠譜的數(shù)據(jù)，以便減小誤差。5.5誤差處理在壓力測(cè)量過(guò)程中，存在很多誤差，在計(jì)算系統(tǒng)誤差時(shí)，應(yīng)考慮壓力傳感器的誤差，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，和舍入誤差。（1）極限測(cè)量下壓力傳感器的誤差本設(shè)計(jì)采用MPM283 壓阻式OEM壓力敏感元件，由其規(guī)格參數(shù)可以知道，其非線性誤差為±0.2%FS，最大測(cè)量范圍100MPa。則壓力傳感器的極限測(cè)量誤差為(kPa) (5-7)（2） 舍入誤差在數(shù)據(jù)處理中，對(duì)余數(shù)要進(jìn)行四舍五入處理，即舍入誤差（kPa） (5-8)（3）A/D轉(zhuǎn)換器

35、的極限轉(zhuǎn)換誤差本設(shè)計(jì)中，采用的是8位ADC0809，所以A/D的轉(zhuǎn)換誤差為，A/D轉(zhuǎn)換器極限轉(zhuǎn)換誤差為（kPa） (5-9)可知系統(tǒng)的極限誤差為 （kPa） (5-10) 所以系統(tǒng)的極限誤差為（kPa）。因?yàn)樵摐y(cè)量?jī)x的最大測(cè)量范圍是010-100MPa。所以該測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度為。因?yàn)椋员緶y(cè)量?jī)x測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)要求。6.儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）儀表總體設(shè)計(jì)框架圖6-1 儀表外形圖（2）儀表前面板圖圖6-2 儀表正面圖（3）儀表后面板圖圖6-3 儀器背面圖7.使用說(shuō)明書 安全事項(xiàng) 智能壓力測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)010-100MPa范圍的壓力測(cè)量，使用過(guò)程中，應(yīng)避免被測(cè)物件質(zhì)量對(duì)傳感器的壓力超過(guò)量程的限制而損

36、壞傳感器。當(dāng)測(cè)量完成時(shí)應(yīng)把重物隨即拿下，來(lái)保證壓力測(cè)量?jī)x的精準(zhǔn)度。儀器要輕拿輕放，避免高溫環(huán)境下工作，避免不必要額誤差，以及元器件的損壞。儀器閑置時(shí)應(yīng)將其放置在干燥環(huán)境下。 按鍵操作說(shuō)明 按鍵1 實(shí)現(xiàn)量程的調(diào)節(jié) 按鍵2 實(shí)現(xiàn)量程的確定 結(jié) 論 本文設(shè)計(jì)的可調(diào)量程智能壓力測(cè)量?jī)x，是一種把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)顯示單元展示給我們的實(shí)用性儀表。從設(shè)計(jì)中可知，壓力信號(hào)的采集必須要先防止信號(hào)的干擾，傳感器選型要合理，A/D和單片機(jī)的選擇應(yīng)該適應(yīng)傳感器的工作環(huán)境要求，以得到精密的儀器。本文中設(shè)計(jì)的按鍵電路和E2PROM模塊實(shí)現(xiàn)了量程的調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存功能，E2PROM模塊一次性輸入后將永久性保留這些數(shù)據(jù)，

37、再次使用可以直接通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇。儀器儀表的設(shè)計(jì)中誤差是不可避免的，包括，傳感器帶來(lái)的誤差，硬件電路部分帶來(lái)的誤差，為了測(cè)量更為方便本文中涉及到了誤差的分析以及處理，誤差可以通過(guò)電路的設(shè)計(jì)，例如阻容濾波對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行濾波和數(shù)學(xué)公式來(lái)處理掉，使測(cè)量的結(jié)果盡可能的符合實(shí)際情況。以上是我在做本設(shè)計(jì)時(shí)總結(jié)的結(jié)論。我覺(jué)得儀器儀表的設(shè)計(jì)多少是有些缺陷的，對(duì)應(yīng)的儀表只能測(cè)量一定的壓力，這在生產(chǎn)過(guò)程中，增加了儀表的使用量，也使同一工作原理的儀表重復(fù)性的被設(shè)計(jì)出來(lái)，我感覺(jué)這是一種浪費(fèi)。也許我們可以設(shè)計(jì)一種萬(wàn)能的儀表，對(duì)于同一物理量的測(cè)量只用這一種儀表就夠了。這樣可以達(dá)到保護(hù)環(huán)境，節(jié)省資源的目的，讓綠色環(huán)保

38、無(wú)處不在。參 考 文 獻(xiàn)1 周娟,袁良豪,曹德森. 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)J. 北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2007,(04) . 2 張海峰,汪至中. 一種新型的汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)J. 世界電子元器件,2005,(10) .3 張海峰,汪至中. 一種新型的汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)J. 世界電子元器件, 2005,(10) . 4 黨選發(fā),李曉峰. PTB220氣壓傳感器在測(cè)量大氣壓力中的應(yīng)用J. 中國(guó)計(jì)量, 2008,(03) . 5 趙中華,高應(yīng)俊,駱宇鋒. 光纖壓力傳感器J傳感器技術(shù), 2005,(12) . 6 張?chǎng)?郭清南,李學(xué)磊. 壓力傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J電機(jī)電器技術(shù),2004,(

39、04) . 7 劉躍輝,張旭蘋,董玉明. 光纖壓力傳感器J光電子技術(shù), 2005,(02) . 8MPM283型壓阻式壓力敏感元件，9 MCS51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)，李華等，北京航天航空大學(xué) .10 PROTEL2004電路原理圖及PCB設(shè)計(jì)，清源科技，機(jī)械工業(yè)出版社。11 基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究，曹衛(wèi)芳，山東科技大學(xué)，20055. 12 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編，何立民，北京航空航天大學(xué)出版社，2000.13 檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，張靖等，中國(guó)電力出版社，2001. 14 田捷，楊鑫.智能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M.北京：電子工業(yè)出版社，2005 

40、.15 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編M.北京航空航天大學(xué)出版社,2003.16 童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與 C語(yǔ)言編程 M .北京:北京航空航天大學(xué)出社，2005. 3843. 17 王雪文.傳感器原理及應(yīng)用.北京M.北京航空航天出版社,2004. 18 賴麒文.8051 單片機(jī) C語(yǔ)言徹底應(yīng)用.北京M.科學(xué)技術(shù)出版社. 19 楊振江等編著. 智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社.20 王幸之，鐘愛(ài)琴,王雷等.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)

41、60;M .北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004:345346.21 David Heeley.Understanding Pressure and Pressure MeasurementD.Phoenix, Arizona,200522 ATA-UR-REHMAN, SALMAN AFGHANI, MUHAMMAD AKMALMicrocontroller and Sensors Based Gesture VocalizerD.Cambridge, UK February 20, 2008致 謝本文的撰寫是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，劉老師不僅給我提供了良好的畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境和條件

42、，而且在撰寫的過(guò)程中劉老師給予了極大的幫助。讓我能夠比較順利的完成。在整個(gè)設(shè)計(jì)的完成的過(guò)程中，老師給了我很大的幫助。沒(méi)有他孜孜不倦的教誨，我的設(shè)計(jì)工作肯定不能這么順利的完成。劉老師積極地引導(dǎo)和鼓勵(lì)使我不僅鞏固了有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還擴(kuò)展了知識(shí)面，而且對(duì)自己的設(shè)計(jì)課題越來(lái)越有興趣。雖然劉老師平日里事務(wù)繁忙，但在有問(wèn)題問(wèn)他時(shí)他總能不耐其煩地耐心講解。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)他付出了很多的心血，也耽誤了很多寶貴的時(shí)間。老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，無(wú)私奉獻(xiàn)的精神深深地影響著我，也讓我更加努力的學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。相信他的科研精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和認(rèn)真的工作風(fēng)度對(duì)我以后的職業(yè)生涯和人生都會(huì)產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響。在此

43、，我謹(jǐn)表示我個(gè)人表示衷心的感謝！其次要感謝控制學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和老師們，感謝他們四年來(lái)，為我們提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，傳授給我們知識(shí)。畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)院為我們提供了專門的實(shí)驗(yàn)室，給我們提供了很大的方便，創(chuàng)造了良好的環(huán)境。 由于水平有限，本設(shè)計(jì)中還存在著很多的不足之處，請(qǐng)各位老師批評(píng)、指正，謝謝！附 錄附錄一程序#include<reg51.h>unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,/不帶小數(shù)點(diǎn)的編碼0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0xbf,0x86,/帶小數(shù)點(diǎn)的編碼0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xf

44、d,0x87,0xff,0xef; sbit DL=P24;sbit WL=P25;sbit Beep=P27;sbit d1=P20;sbit d2=P21;sbit d3=P22;sbit d4=P23;sbit START=P26;sbit MOVE=P37;sbit UP=P36;sbit DOWN=P35;sbit OK=P34; unsigned char pos=0; unsigned int shan=0;void delay(unsigned int t)while(t-);void display(unsigned int t)char c=shan/15;shan+; P

45、0=tablet/1000;if(pos=1)&&(c%2) P0=0x00;DL=1;DL=0;d1=0;WL=1;WL=0;d1=1;delay(500);P0=tablet%1000/100+10;if(pos=2)&&(c%2) P0=0x00; DL=1;DL=0;d2=0;WL=1;WL=0; d2=1;delay(500);P0=tablet%1000%100/10;if(pos=3)&&(c%2) P0=0x00; DL=1;DL=0;d3=0;WL=1;WL=0;d3=1;delay(500);P0=tablet%1000%100%10;if(pos=4)&&(c%2)P0=0x00; DL=1; DL=0; d4=0; WL=1; WL=0; d4=1; delay(500); int set_value=50;void main(void)unsigned int adc_va