數(shù)字壓力計的仿真設計.doc

目錄目錄 1 概述 1 1 壓力傳感器簡介 2 1 2 總體設計方案 2 2 硬件電路的設計 2 1 傳感器的選型 3 2 2 傳感器接口電路設計 3 2 3 最小系統(tǒng)設計 4 2 4 模數(shù)轉換電路設計 5 2 5 顯示電路設計 6 2 6 電源電路設計 7 3 軟件部分的設計 3 1 程序設計及分析 7 4 仿真及結果 4 1 仿真圖 12 5 設計小結 14 6 參考文獻 15 1 概述 1 1 壓力傳感器簡介 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器 其廣泛應用于各種工業(yè)自 控環(huán)境 涉及水利水電 鐵路交通 智能建筑 生產自控 航空航天 軍工 石 化 油井 電力 船舶 機床 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制造而成的 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 壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的 在一定 的溫度范圍之內 壓電性質一直存在 但溫度超過這個范圍之后 壓電性質完全 消失 這個高溫就是所謂的 居里點 由于隨著應力的變化電場變化微小 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)境下才能夠應用 磷酸二氫胺屬于人造晶體 能夠承受高溫和相當高的濕度 所以已經得到了廣泛 的應用 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理 壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量 因為經過外力 作用后的電荷 只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存 現(xiàn)在壓電效應也應用在 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 總體設計方案 壓力傳感器主要是用來測量壓力并將相應的壓力值轉換為可直接讀取的值 因此 需要一個能智能顯示的壓力計 本設計方案本著低碳 綠色的理念設計 將成本縮減到最小 壓力傳感器主要由壓力傳感器 AD 轉換器 單片機 AT89C51 LED 顯示器構成 分別對應著信息采集 數(shù)據(jù)轉換 信息處理和數(shù)據(jù)顯 示四個模塊 其間關系與操作流程如下兩圖所示 2 硬件電路的設計 2 1 傳感器的選型 MPX4115系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器 這個傳感器結合了高級 的微電機技術 薄膜鍍金屬 還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力 在 0 85 的溫度下誤差不超過1 5 溫度補償是 40 125 MPX4115壓力傳感器檢測的范圍是15KPA 115KPA 輸出電壓信號0 2V 4 8V ADC0808的參考電壓 VREF 5V VREF 0V 則 0V 5V 對應 0 255 0 2V 4 8V 對應 其線性對應關系如下圖所示 系統(tǒng)最小分辨率 2 2 傳感器接口電路的設計 采用 C1 47PF 的電容作濾波電路 以及內部原理圖如 下圖所示 內部原理圖 濾波電路 2 3 單片機最小系統(tǒng)設計 選用的單片機為 AT89C51 系列芯片 該芯片的最小系統(tǒng)由時鐘電路 復位電 路 片選信號構成 在最小系統(tǒng)構成的 基礎上 將 P1 口作為模擬量的轉換為數(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 同時作為過壓及欠壓的報警電路使 用 具體最小系統(tǒng)設計如右圖所示 2 4 模數(shù)轉換電路設計 ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率 雙通道 A D 轉換芯 片 由于它體積小 兼容性 性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎 其目前 已經有很高的普及率 學習并使用 ADC0832 可是使我們了解 A D 轉換器的原理 有助于我們單片機技術水平的提高 8位分辨率雙通道 A D 轉換輸入輸出電平與 TTL CMOS 相兼容5V 電源供電時輸入電壓在0 5V 之間工作頻率為250KHZ 轉換時間 為32 S ADC0832 為8位分辨率 A D 轉換芯片 其最高分辨可達256級 可以適應一般的模 擬量轉換要求 其內部電源輸入與參考電壓的復用 使得芯片的模擬電壓輸入在 0 5V 之間 芯片轉換時間僅為32 S 據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗 以減少數(shù) 據(jù)誤差 轉換速度快且穩(wěn)定性能強 獨立的芯片使能輸入 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 可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇 正 常情況下 ADC0832 與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線 分別是 CS CLK DO DI 但 由于 DO 端與 DI 端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的 所以電路 設計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用 當 ADC0832未工作時其 CS 輸入 端應為高電平 此時芯片禁用 CLK 和 DO DI 的電平可任意 當要進行 A D 轉換 時 須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束 此時芯片開 始轉換工作 同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘脈沖 DO DI 端則使 用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號 在第1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須 是高電平 表示啟始信號 在第2 3個脈沖下沉之前 DI 端應輸入2 位數(shù)據(jù)用于選 擇通道功能 其功能項見官方資料 如資料 所示 當此2 位數(shù)據(jù)為 1 0 時 只對 CH0 進行單通道轉換 當2 位數(shù)據(jù)為 1 1 時 只對 CH1進行單通道轉換 當2 位數(shù)據(jù)為 0 0 時 將 CH0作為正輸入端 IN CH1作為負輸入端 IN 進行輸入 當2 位數(shù)據(jù)為 0 1 時 將 CH0作為負輸入端 IN CH1 作為正輸入端 IN 進行 輸入 到第3 個脈沖的下沉之后 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 進行轉換數(shù)據(jù)的讀取 從第4個脈沖下沉開始由 DO 端輸出轉換數(shù)據(jù)最高位 DATA7 隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù) 直 到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0 一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成 也正是從此位 開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù) 即從第11個字節(jié)的下沉輸出 DATA0 隨后輸出8 位數(shù)據(jù) 到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成 也標志著一次 A D 轉換的結束 最后將 CS 置高電平禁用芯片 直接將轉換后的數(shù)據(jù)進行處理就可以了 作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832的輸入電壓是0 5V 且8位分辨率時的電壓 精度為19 53mV 如果作為由 IN 與 IN 輸入的輸入時 可是將電壓值設定在某一 個較大范圍之內 從而提高轉換的寬度 但值得注意的是 在進行 IN 與 IN 的輸 入時 如果 IN 的電壓大于 IN 的電壓則轉換后的數(shù)據(jù)結果始終為00H 其硬件引腳如圖所示 2 5 顯示電路設計 顯示界面利用 16X1 的 LM016L 的字符型液晶 LM020L 進行顯示 相比 LED 顯示 能顯示更多的內容 人機界面更友好 而且節(jié)省單片機硬件資源 其引腳接線以 及驅動電路如下圖所示 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 同時使用驅動電路 RESPACK 8來提供足夠的 LCD 電源 2 6 電源電路設計 此設計的所有硬件電路均可有5V 的直流電源驅動 因此使用標準的5V 的電 壓源作為電路電源 3 軟件部分的設計 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 P2 3 sbit LOW P2 4 sbit AD CS P1 0 sbit SCK P1 1 sbit DO P1 2 sbit DI P1 2 sbit RS P2 0 sbit RW P2 1 sbit E P2 2 必要的位定義 unsigned 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 在第一個脈沖下降之前 DI 必須是高電平 表示啟始信號 SCK 1 NOP NOP SCK 0 NOP NOP SCK 1 DI channelNOP NOP 在第二和第三個脈沖下降之前 DI 輸入兩位表示通道 SCK 0 NOP NOP SCK 1 DI channel 1 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 i 8 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 DO for i 0 i 8 i j 0 j j DO SCK 1 NOP NOP SCK 0 NOP NOP j j 7 ndat ndat j if i 1 AD CS 1 SCK 0 DO 1 dat2 8 dat2 ndat return dat2 返回數(shù)據(jù) void DelayMS uint ms 延時程序 相應數(shù)值為相應毫秒數(shù) uchar i while ms for i 0 i 120 i 1mS 延時 uchar Read LCD State 檢測 LCD 是否 忙 uchar state RS 0 RW 1 E 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 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 產生相應的控制 delay4us E 1 delay4us 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 DelayMS 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) else if c 10 開啟欠壓報警燈 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 仿真及結果 如下圖所示 是當壓力值小于和大于 115kPa 時的顯示與報警電路 5 小結 壓力計的設計是一項綜合性的課程設計課題 其中具體體現(xiàn)