开题报告：基于单片机的压力检测系统设计

基于单片机的压力检测系统的设计题目要求：（包括主要技术参数）本课题是基于单片机的压力的测量与显示系统。要求通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。而在显示的过程中通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，实时显示需要的值。且要求系统具有较强的抗干扰能力。主要技术参数为：量程：0~500kg综合精度：±0.25%kg响应时间：≦10ms本课题研究的目的与意义：在煤炭工业、制药、冶金、制造、钢铁、供水、化工等行业中，压力是生产过程中的重要参数之一。并且随着现代化工业的发展，工厂大多增加自动化生产线，提供生产效率，降低成本，以提高市场竞争力和适应现代化工业的应用，而对于压力检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。所以压力检测技术的改进与发展历来受到众多行业的高度重视。传统的传感器大都采用手工操作，特别是压力传感器，基本都是手动油压或气压标定。鉴于此，选择压力传感器作为前端检测元件，以单片机作为检测仪的新型的，成本低廉的，使用方便的压力检测系统的研制，则显得十分有意义，以期克服原有检测仪的不足。国内外研究现状:二十世纪80年代中后期，随着集成电路、微型计算机及软件技术的发展，在智能仪器的基础上又出现了虚拟仪器，它们都含有计算机，但在性能特点上又有新的飞跃，使压力信号采集与控制、信号分析与处理和结果的表达输出全部由计算机完成。现在通信从原来的模拟技术实现了到数字技术转变，特别是网络技术的发展，使异地实时测量成为现实。当前世界发达国家都高度重视和支持仪器仪表的发展，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关，日本科学技术厅把测量传感器技术列为21世纪首位发展的技术，德国大面积推广应用自动化测控仪器系统，20世纪90年代6年就增加了350％的市场，保证了劳动生产率增长1．9％，欧共体制定第三个科技发展总体规划，将测量和检测技术列为15个专项之一。目前，美国Paroscientific公司、DH公司、Mensor公司、英国Druck公司都推出了准确度不低于O．OI％FS年稳定性为0．01％FS的具有双向通讯和模拟数字输出功能的高精度数字化仪表。国内自动矿山压力监测系统起步较晚，但发展迅速。60年代停留在多点巡回检测阶段，从70年代开始研制以小型计算机为中心的数据采集、处理系统，自80年代起，由于微型计算机在我国得到广泛应用，自动检测技术得到逐步提高。目前，我国虽也在研制智能仪表(仪器)，但是很多都是引进国外现有设备，软件上进行二次开发应用。在压力监测技术的发展方面，其压力传感器技术、信号调理技术、高速数据采集和数据处技术获得了飞速发展，而且动态测试技术，总线技术和网络技术在压力测试和控制中得到了越来越广泛的应用。新型的智能传感器，可以把敏感元件、信号调理、A／D转换、微处理器、通过现场总线或网络传送给主计算机。虽然我国的压力监测系统起步晚，总体来说还落后于发达国家。但是矩形双岛膜结构的6000Pa量程微压传感器，其性能指标有了很大提高，如非线性为5×10qFS，滞后、重复性均小于5×10qFS，分辨率优于20Pa，过压保护范围大于20倍量程。对量程为lOOkPa的压力传感器，非线性、滞后、重复性均优于5xlO—FS。硅一兰宝石、高温硅压力传感器的工作温度分别达到一50,-．-,300。C和0---'400℃。压敏器件的可靠性已达到较好水平。元器件的品种增多，测压范围已拓展，已有微压、表压、高压、绝对压力、差压等力敏元件及其配套仪表问世。因此随着我国传感器技术等各方面技术的快速发展，我国的压力监测系统也将会取得长足的进步。拟采取的研究路线：第一步：将根据本设计的研究目的，调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握所要研究的问题。系统的掌握控制器的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，完成设计任务和功能的描述。第二步：研究文献后结合本课题的研究目的，提出设计方案，借助计算机和各种方法技术，减少或消除各种可能影响结果的无关因素的干扰。完成系统设计方案的论证和总体设计。第三步：以自己的感官和辅助工具去直接观察和分析系统需求，从全局考虑，完成硬件和软件资源分配和规划，分别完成系统的硬件设计和软件设计。第四步：利用C语言编写软件程序，用仿真软件绘制电路图，完成硬件测试，软件调试和软硬件的联调。第五步：实物制作。进度安排：第1~2周：通过网络和图书馆，进行资料查询与下载，整理出所需文献。第3~4周：查阅文献，理清研究思路，书写开题报告。第5~8周：设计系统的硬件和软件。第9~12周:深入研究课题内容，完成系统硬件设计及软件调试。第13周:进一步完善实物。第14~15周：做研究总结，撰写论文。第16周：准备论文答辩文献综述：基于单片机的压力检测系统的设计1．前言压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成智能化功能。2.主题：本课题是基于单片机的压力的测量与显示系统。要求通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器放大后送至A/D转换器，转换后发往单片机，单片机进行数据处理并发往LED显示。而在显示过程中可以通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，实时显示需要的值。可见系统整体结构应该包括：传感器模块、放大器模块、A/D采集模块、单片机模块、按键模块和显示模块。2.1传感器模块选择：压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器谐振式压力传感器等。【1】而电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移加速度、力、力矩、压力等各种参数。测量电路：应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。电阻相对变化很小，用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，所以必须用专门的电路测量这种微弱的电阻变化。最常用的电路为直流和交流电桥电路。【2】2.2放大器的选择被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理【3】。为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器，因为在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。2.2A/D转换器选择A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量。本次设计的中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换为数字量进行输出。串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分类中的一种，但却是应用中器件选择的一个重要指标。在同样的转换分辨率及转换速度的前提下，不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影响。【4】对A/D转换器的选择我们通过比较ADC0809和ADC0832来决定。这两个转换器都是常见的A/D转换器，其中ADC0809的并行接口A/D转换器，ADC0832是串行接口A/D转换器。我们所做的设计选择ADC0832，A/D转换在单片机接口中应用广泛,串行A/D转换器具有功耗低、性价比较高、芯片引脚少等特点。2．4控制器选择控制器选择AT89C51单片机。目前国外使用较多的微控制器是以51内核拓展出的单片机【5】，51单片机的使用已经发展到一个很高的层次，编程多以c语言为主，操作简单，用途广泛，易于控制。AT89C51片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.5LED显示电路在应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，接口简单易行。LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类LED数码管编码方式：当LED数码管与单片机相联时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、„、g、Dp按某一顺序接到AT89C51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、„、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平。【6-8】2.6键盘键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。操作员通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片机系统处于预定的功能状态。键盘按照其内部不同电路结构，可分为编码键盘和非编码键盘二种【9-10】。编码键盘本身除了带有普通按键之外，还包括产生键码的硬件电路。使用时，只要按下编码键盘的某一个键，硬件逻辑会自动提供被按下的键的键码，使用十分方便，但价格较贵。由非编码键盘组成的简单硬件电路，仅提供各个键被按下的信息，其他工作由软件来实现。由于价格便宜，而且使用灵活，因此广泛应用在单片机应用系统中。总结：综上所述，整个系统选用AT89C51作为主控制器，应用电阻应变式传感器配以电桥电路采集压力参数，然后通过三运算放大器将采集到的微弱信号放大，并传送给ADC0832转换器件，将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号后发送给单片机，51单片机将信息分析处理后发往LED数码管显示。系统选用非编码键盘，可在显示数据的同时向计算机系统输入各种数据和命令。整个系统结构紧凑、成本低，可实现性高。参考文献：[1]杨帆.传感器技术[M].西安：西安电子科技大学出版社.2008[2]安盼龙,赵瑞娟.电阻应变式传感器的研究[D]物理与工程.2010[3]张靖,刘少强.检测技术与系统设计[M]北京：中国电力出版社2002[4]朱彩霞.基于AT89C51单片机A/D转换电路的研究[J]淮阴工学院学报.2011.01[5]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]北京：清华大学出版社1996[6]宫贤令主编.自动显示技术.北京:冶金工业出版社,1989.17.[7]何利民编著.单片机应用系统设计.北京[M]:北京航天航空大学出版社,1994[8]YongxianSong,YuanFeng,JuanliMa,XianjinZhang.DesignofLEDDisplayControlSystemBasedonAT89C52SingleChipMicrocomputer[J]JOURNALOFCOMPUTERS,VOL.6,NO.4,APRIL2011[9]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]北京航空航天大学出版社1990[10]林毅。基于AT89C51单片机构成的键盘显示电路[J]现代电子技术.2006.13