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1、-智能压力传感器的设计-第 11 页前言- 2 -1 压力传感器- 2 -压力传感器的简介- 2 -1.2 压力传感器的种类- 2 -1.3压力传感器的结构与特点- 2 -2 智能压力传感器- 3 -智能压力传感器的构造- 3 -智能压力传感器的作用- 3 -智能压力传感器的优势- 3 -与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：- 3 -智能压力传感器的前景- 4 -3 智能压力传感器的系统设计- 4 - 4 - 5 -4 系统硬件设计- 5 - 5 - 6 -4.3 A/D转换模块- 6 - 9 - 10 - 12 -4.7 硬件设计原理图- 12 -5软件程序设计- 17 - 17 -
2、17 -5.3 C语言程序设计- 17 -6问题与探究- 17 -7总结- 18 -参考文献- 19 -前言 压力传感器是目前最为大众常见所知的传统传感器，这种传感器以压力形变为指标体现压力变化，这种结构传感器存在质量大，敏感度低，不能和电路器件相连使用等缺陷。随便科技的进步，半导体的迅猛发展，半导体压力传感器的诞生弥补了这些不足，半导体压力传感器，不仅体积小，重量轻，而且可以和电路元器件配套使用，从而大大的提高了智能化和可操作性。压力传感器大大的推动了传感器的发展，让人们能够更好的实现压力体现发展。1 压力传感器压力传感器的简介 压力传感器是最为普遍的一种传感器，大多使用在各种自动化环境中，
3、涉及到电力石化，军工科技，船舶制造，数码产品等多方面。一般压力传感器都是用模拟信号转换成输出信号，将输出信号转换为数值表现。这种转换方式大大的提高了工作效率。进而为智能化提供了强有力的发展基础。1.2 压力传感器的种类 压力传感器通常分为以下几种：1；电容式，2；电阻式，3；压电式，4；电感式，5；智能式。智能式传感器是通过和微处理器相连，与传感器相结合，从而产生了智能化效果，它具有信号处理，信号记忆和逻辑思辨的能力。1.3压力传感器的结构与特点 本次论文采用差压式电容传感器，电容式传感器灵敏度高，性价比高，操作简单，质量高，过载能力强，在极端环境下，能够稳定工作，提供持续的传感能力，保证了整
4、个元器件工作，并把环境影响降到最低，特点鲜明。2 智能压力传感器智能压力传感器的构造智能压力传感器是利用精密机械制造工艺和集成电路原理，将智能芯片和传感器紧密结合在一个半导体原件上，与传统传感器相比，智能式传感器体积更小，质量小，适用范围更大。整个智能压力传感器结构如下图所示；被测压力传感器预处理及接口微型机输出接口模拟信号数字化输出接口信息处理及校正软件显示和记录D/A转换驱动电路 图2-1 智能压力传感器的结构框图智能压力传感器的作用逻辑判断和处理功能：对于收入的数据进行计算纠正也可以进行温度，线性，非线性，相应时差等进行补偿，提升了准确效率。 自检测功能：在开机和运行中都可以进行自行检测
5、，发现故障，解决故障，提升了机器运转效率。自适应、自调整功能：可依据不同的测量物体数据和结果，选择相适应的测量方式。组态功能：通过符合测量，拓展测量范围。记忆、存储功能：存取检测数据，提升了信息处理速度。数据通讯功能：拥有数据通讯接口，可以与计算机进行数据交换。智能压力传感器的优势 与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：性价比高：智能压力传感器通过调节核心芯片和计算机的协调工作，对于制作工艺要求不高，采购性价比高的芯片，并不影响，所以比传统传感器造价低。适应能力强：传感器运行时，会根据各个部件运转效率以及功耗，通过分析信号，调节运行，提升了效率。 准确度高：智能压力传感器的自行校准、自设量
6、程、自动补偿和自动修正各类误差等保证了它的高准确度，通过程序软件实现这些功能，相比以前更易实现。量程宽：智能压力传感器的测量范围大，负载能力强。集中控制：微处理器控制整个系统，自身控制处理数字能力大，智能压力传感器经由软件程序利用微处理器，发挥系统的多功能和优点，实现了集中的控制。智能压力传感器的前景 智能压力传感器体积小，灵敏度高，性价比高，稳定性强，而且集中程度高，这些优点促使其发展迅速，使用范围更为宽广，质量高，使用时间长这些都是当今传感器发展的一个重要趋势，未来汽车业，医疗行业，手机制造业对于高度智能的压力传感器需求大，要求高，这些都是智能压力传感器发展的强大动力。3 智能压力传感器的
7、系统设计 本次论文将采用ADC0809芯片实现模数转换，ATC89C52为芯片，采用LCD1602进行显示，本次论文总体设计方框图如图3-1所示信号调理电路ADC0809单片机89C52LCD1602被测压力模拟电压信号送显示差动式传感器电容值数字信号 图3-1 总体方案设计图 本次论文设计压力传感器结构简易，利用单片机和A/D模块转换进行调节信号，偏差电容补偿利用负反馈技术实现，运用差动测量方式消除环境影响，提高抗干扰能力。本次论文添加了一个发光二极管做报警，报警功能可用软件实现。论文采用LCD1602作为显示器，整个流程即被测压力通过传感器变化为电容值，进入信号调理电路转换为模拟信号，输入
8、至ADC0809，ADC0809转换为数字信号，单片机处理信号送入显示器显示，系统特点清晰流畅。4 系统硬件设计 本次论文采用陶瓷电容作为传感器材料，从价格，功耗，已经环境影响角度出发，陶瓷最优。如下图所示。图4-1 圆柱差动变面积式电容位移传感器圆柱电容的计算公式：C = .其中，X为内外电极重叠部分长度；D、d分别为外电极的内外径。当重叠部分长度X发生变化时，电容变化量为：灵敏度为： K= .传感器三组定动片组成，当改变上下定片时，叠加重合面积部分会产生相关效应，称为差动电容。 测量计算差动电容变化量的电路原理图如图4-2所示。图4-2 信号调理电路图4.3 A/D转换模块本次论文选择AD
9、C0809作为模数转换芯片。ADC0809是逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示。 ADC0809的内部逻辑结构 由下图知，ADC0809拥有很多多路模拟类开关，A/D转换器，地址锁存编译器和三态输出锁存器的组成。模拟通道有多个，分时输入可以多路进行，A/D转换也可以进行多路进行。三态输出锁存器转换数字量，可以从三态输出转换完数据。 图4-4 ADC0809内部结构 ADC0809引脚结构 DC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：启动
10、转换信号的输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。EOC：用于转换输出引脚的信号，初始转换时表现为低电平，当显示高电平时表明转换结束。OE：用于输出控制端，方便打开三态输出器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线。图4-5 ADC0809引脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号应单极性，电压范围在0至5V，信号太小，放大器进行放大；输入的模拟量在转换过程中保持不变，若模拟量变化过快，需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线有多条； ALE是输入锁存地址线，显示高电平时才有效。当该线表现高电平时，地址锁存译码器将相对应的信号进行锁存，编译后被锁定的通道的模
11、拟量传输入转换器进行转换相关三条输入线，用于选通IN0IN7上进行模拟量输入。选择表如下图所示。表4-1 ADC0809通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条 开启信号必须ST转换，ST进行上调，内部寄存器则可以清零；下调时，A/D转换；此过程中，ST保持低电平。转换结束 高电平。OE是输出允许信号，可以向单片机输出数据。OE=1，通过输出转换得到新的数据；OE=0，输出数据的状态为高阻形式。时钟输入信号是CLK。ADC00809内部没有时钟电路存在，信号只能由外界提供，VREF正负为参
12、考电压输入。 ADC0809解释说明（1） ADC0809自身带有用于输出锁存器，可以直接与AT89S51芯片直接相连使用。 （2） 初始化时，让ST等OE信号全部低电平。 （3） 需送转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5） 判断转换是否结束，可以依据信号EOC进行判断。 （6） 当EOC表现为高电平时，OE就需要高电平，单片机就接受了处理信号。 本次论文采用单片机ATC89C52作为处理芯片，该芯片是一种低能耗、高性能8位微控制器，片内含可多次删除重写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器，调整时
13、的功能控制。功能包括内部存储器，数据RAM等部件初始化，相关单片机AT89C52引脚图如下；图4-6 单片机ATC89C52引脚图 LCD1602的优点 本次论文显示模块采用LCD1602液晶显示屏，该显示屏具有以下特点；显示对比度高，显示质量高，不会有重影出现，而且是数字型，显示可靠，与单片机相连更为方便，使用便捷。与传统显示器相比，显示质量更高，而且质量更轻。效率高，相比于传统传感器，耗电量更低。 LCD1602 字符型LCD简介LCD1602液晶显示器是一种点阵式，工作电压有两种模式可选，3.3或5V，对比度可调，并含有复位电路，提供多种控制命令，我们可以自定义字符发生器CGRAM。显示
14、器实物如下图所示；图4-7 LCD1602实物图 LCD1602的基本参数及引脚功能 1602LCD 主要技术参数：显示容量:162 即32个个字符；芯片工作电压:4.55.5V ；模块最佳工作电压:5.0V ；字符尺寸:2.954.35(WH)mm。 引脚功能说明1602LCD的引脚图如图4-8所示。图4-8 1602LCD的引脚图1602采用标准的16脚接口，其中：第 1 脚：VSS 是地电源。第 2 脚：VDD 接 +5V 电源。 第 3 脚：此脚是用于调整对比度，接0电源时，对比度降低，当接地时，对比度升高，对比度偏高时有重影产生，10K电位器用于调整重影。第 4 脚：RS 为寄存器选
15、择。第 5 脚：当读写信号线高电平时为读操作，反之，低电平写操作。RS和R/W共为低电平可以写入和显示地址。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 15 脚：正背光源。 第 16 脚：负背光源。 本次论文采用DS18B20采集温度，作为常用温度传感器，体积小，质量轻，价格低，精密度高的特点。4.6.1 DS18B20的主要特征1、 可进行全数字温度转换和输出。2 、单总线数据通信。3 、最高分辨率是十二位，精度可达-摄氏度。4 、12位分辨率的一般最大工作达750毫秒每周期。5 、选择工作方式多种多样其中
16、可以寄生6 、检测温度范围在负55度至正125度 (负66F 正275F)7、 内置EEPROM，温度报警功能实现。8 、64位光刻ROM，内置设有相关的序列号，便捷几台机器的连接使用。4.6.2 DS18B20的引脚功能GND 电压地 DQ 单数据总线 VDD 电源电压 4.7 硬件设计原理图本次课程设计采用protel软件原理图的绘制。原理图中， LCD1602与单片机相关接口相连，因本次设计只需让LCD1602从该单片机中读取数据，因此将它的R/W引脚电平拉低，直接与地相连。如图4-14所示。图4-11 硬件电路原理图本次课程设计采用protues仿真软件对原理图进行仿真。图中，采用滑动
17、变阻器代替传感器出入信号进行信号的采集，调节温度也能测量出压力变化值，如图4-15所示。一，在常温25度下，通过改变电阻仿真出结果如下图；（1） 电阻为1K时（2） 电阻为2K时（3） 电阻为3K时二，在电阻为5K时，通过改变温度仿真出结果如下图；（1） 温度为40度时（2）温度为60度时（3） 温度为80度时通过上述的仿真实验我们可以归纳总结成以下两个表格；表一；温度不变，改变电阻得到的压力变化；温度/252525电阻/K123压强/Kpa表二；电阻不变，改变温度得到的压力变化温度/406080电阻/K555压强/Kpa 通过以上两个表格我们可以初步看书，电阻和温度都能影响压力变化值，深入影
18、响，我们可以进一步探讨，以后的工作学习进一步研究发现。 图4-12 硬件电路仿真图及表格5软件程序设计本次论文设计采用C语言程序设计，C语言是一种计算机程序设计语言，它既有高级语言的特点，又有汇编语言的特点。 如下图所示 如图所示 开始结果数据转换数字滤波读A/D转换系统初始化温度数据读取压力显示温度补偿结果数据转换电流输出图5-1 程序流程图5.3 C语言程序设计 程序见附录6问题与探究本论文设计的的智能压力传感器的抗干扰依靠硬件功能实现，具体实施过程可以这样：为了降低电磁干扰以及电场效应可以接地或者屏蔽，这样可以消除影响，相关电路图如下；图3寄生电容等效图参考文献1. 刘迎春.传感器原理、设计和应用.天津天津大学出版社.1997:1102王化祥.传感器原理及应用.国防工业出版社.1999:1205. 黄晓东.单片集成MEMS电容式压力传感器研究.东南大学.2005:3035 6. 程素娥.基于FPGA的智能压力传感器系统.潍坊学院.2009 7. 李瑜芳.传感器原理及应用.电子科技大学出版社.2001:4560 8. 祈树胜.传感器与检测技术.北京航空航天大学出版社.2010:1159. 来清民.传感器与单片机接口实例.北京航空航天大学出版社.2008:115 10111213.邱关源