课程设计单片机数字压力传感器.pdf

目 录第1章摘要.2第2章 设计目的及设计要求.2第3章 硬件部分基本模块介绍.23.1 基本工作原理图.23.2基本模块介绍.23.2.1传感器桥路模块.23.2.2A/D转换器模块.43.2.3数码管显示模块.53.2.4 8051芯片介绍.7第4章 软件部分及其介绍.84.1 数据处理子程序的设计.84.2 数据采集子程序的设计.94.3 数据显示子程序的设计.104.4 程序清单.11心得体会.15参考文献.16附录原理图第1章引言本课程设计的数字压力传感器以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电 路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为压力纲（N即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变 式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用惠斯通电桥，使 系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算大电路的作用就是把传感器输出的微 弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ADC0809 的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到 显示电路中去，最后由显示电路，由八段数码管显示出测量结果。第2章设计目的及要求一、研究压力传感器电路的工作原理和弱信号传感电路,熟悉A/D变换电路的工作原理,利用实验板上提供的压力传感电路，完成压力的采样和显示。二、根据所选试件的要求，所测压力的范围为0-80N,精度为0.1N。第3章 硬件部分基本模块介绍3.1 基本工作原理框图电阻应交片 传感器ADC0809A/Da8051LED数码管显示器图1基本工作原理图3.2 基本模块介绍主要由四个部分组成，传感器桥路模块，A/D转换器模块，数码管显示模块，8051芯片 模块。3.2.1传感器桥路模块传感器电路原理图如图一所示式的压力传感器。它得到广泛应用的原因是温度特性好，减小温度变化带来的误差。膜 片上的压力使得电桥不平衡，从而产生一个差动的输出信号，这种结构的基本特性之一 是它的差动输出电压u与偏置电压成正比关系，这种关系隐含压力测量精度直接决定偏 置电源的容限值，当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输 出同时，它也能提供一种温度补偿最通用的方法。首先，Vcc给出一定值，15V,由于这里电容主要起滤除交流信号的作用，对分压作用影 响不大，可以忽略，从而5点的电压近似为Ui=3V,根据虚短，7点电压也为3V。然后1 A D经过电桥，由于是单臂桥路变化，所以经过电桥以后，AU=Ui,应变片电阻通常 4 R取值有100Q,120Q,160Q,其中以1200最为常见，这里取尺=1200。再经过放大电路的放大作用，放大倍数为用竺=”=833,最终结果为2.4KQ 2.4 x型”=5.2A7?,应变片应变为-=SxF,这里根据所选材料取S为4 120 2.4 R10-4,在o5V变化，把5V最大值代入得到F的最大值为80N,所以量程为0-80No3.2.2A/D转换器模块实验仪上有一个。5V的可调电位器，将可变电压输出端接入A/D转换电路的输入端，通过CPU软件处理，读进A/D转换值，再将转换值送数码管显示。我们可以调节电位 器，使之输出不同电压值，通过数码管的显示，检验A/D转换正确与否。A/D转换器大 致有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好；价格便宜，但速度慢;二是逐次逼近A/D转换器，精度，速度，价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价 格也昂贵。实验用的ADC0809属第二类，是八位A/D转换器。每采集一次一般需lOOus。本程序是用延时查询方式读入A/D转换结果，也可以用中断方式读入结果，在中断方式 下，A/D转换结束后会自动产生EOC信号，将其与CPU的外部中断相接,也可以得到实 验结果。表1 A/D转换器接线表连线连接孔1连接孔21IN0压力传感器输出2AD_CSCS25二226R8821AD6 20QD5 1 9AD4 1 8口口三：E；AD2 15Ml 14aDB 17GND 16UCC 1 21 8-一 76234 2 2 二二一 b234567b N N N N N s-z-s IIIII M222222IENABLE START CLOCKUllADC0809B62B61IN0INI27R86ORDvcc|R94图3 A/D转换器原理图B76MdA/D_CS0 1 5 c-oN N N EA/D转换器的结构如图所示，外部只有四个引脚可以连线，INO,INI,EOC,A/D_CSOADO-AD7为八位数字量输出端，INO-IN7为八位模拟信号输入端，AO、Al、A2与ALE控 制八路模拟通道的交换，分别与三根地址线与数据线相连，三个编码对应8个通道口地 址，AD0809虽然有八路模拟通道可以输入八路模拟信号，但是每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现，这里采用INO为输入通道，由压力传感器的 输出端直接与其相连作为输入信号。AD0809的工作过程如下：首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行M0VX DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换 结束后发出结束信号，置E0C引脚信号为高电平，该信号可以作为中断申请信号，当读 允许信号到，0E端有高电平，则可以读出转换的数字量，利用MOVX A,DPTR把该通道 转换结果读到累加器A中。转换电压为05V,调节桥路中的电位器，使其输出电压为05V,可以在较小范 围内波动，当满量程输出时对应八个1的输出，由于前边计算的电压变化和电阻变化成 正比关系，而且电阻变化和应变成正比，进而得出的压力和电压是成正比的。传感器桥 路输出的电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入P0 口。3.2.3数码管显示模块LED显示电路如图和连线表如下Adi 4.川xt,4-Aoi U”UUTMTmiTj 即图4 LED及键盘原理图表2 LED显本接线表连线连接孔1连接孔21KEY/LED_CSCSO用6位8段码LED显示电路，只要按地址输出相应数据，就可以实现对显示器的控制。显示共有6位，用动态方式显示。8位段码、6位位码是由两片74LS374输出。位码经 MC1413或ULN2003倒相驱动后，选择相应显示位。本实验仪中8位段码输出地址为 0X004H,位码输出地址为0X002H。此处X是由KEY/LED CS决定，参见地址译码。做键 盘和LED实验时，需将KEY/LED CS接到相应的地址译码上。以便用相应的地址来访问。例如，将KEY/LED CS接到CSO上，则段码地址为08004H,位码地址为08002H八段数码 管的字型显示表如下：表3数码管显示字形表显示字形dpgfedcba段码0011111113FH10000011006H2010110115BH3010011114HF40110011066H5011011016DH6011111017DH70000011107H8011111117FH9011011116FHA0111011177HB011111007CHC0011100139HD010111105EHE0111100179HF0111000171H显示过程如下：经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的压力值。3.2.4 8051芯片介绍本设计采用8051单片机，其管脚图如下图所示。Pl.0 Pl.1 Pl.2 Pl.3 Fl.4 Pl.5 Pl.6 Pl.7 RST/Vro RXD/P3.O TXD/P3.1 INT0/P3.2 INTT/F3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/F3.6 而3.7XTAL1 XTAL2Vss012345678900987654321098765432143333333333222222222 1:5Vcc PO.0 FO.1 FO.2 FO.3 PO.4 FO.5 PO.6一PO.7EA/Vgp一ALE/PROG一PSEN F2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0Vcc-Vss _XTAL1更XTAL2RST/Vro-，EA/Vct-w-PSEHALE/FROG.Pl 口二三三口 口 口 P0F2P3 地址a总线 地址总线 In图5 8051管脚图其管脚功能如下：1.电源(1)VCC-芯片电源，接+5V；(2)VSS-接地端；2.时钟XTALK XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.控制线(4根)(1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。ALE功能：用来锁存P0 口送出的低8位地址。PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2)PSEN:外ROM读选通信号。(3)RST/VPD:复位/备用电源。RST(Reset)功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。(4)EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。Vpp功能:开始M编程期间，施加编程电源Vpp。应的是5V,而压力与电压的变换是线性关系，对应AD转换器的输出为八个1,当有一定的压力值输入时，对应这个关系转化成相应的二进制代码送入P0 口。然后再反过来 应用这个变化关系，经最终得到的数值进行二进制到BCD码转化，然后逐位在LED数 码管上显示。4.2 数据采集子程序的设计数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的。5模拟信号转换成对应的数字量OOHFFH,然后再存入 存储器的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延时等待方式和 中断方式。图6 A/D转换流程图4.3 显示子程序的设计显示子程序是字符显示，首先调用事先编好数码管显示子程序。初始化命令，然 后输出写显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的 过程参数，当有压力信号输入时，调用显示子程序在数码管上显示。图7显示部分流程图4.4 程序清单：AD0809 equ OaOOOh;AD0809 片选1OWF equ 0HIGHF equ 80OUTBITequ 08002h；位控制口OUTSEGequ 08004h；段控制口LEDBufequ60h；显示缓冲Numequ70h；显示的数据DelayTequ75hADResult equ76h;A/D转换结果orgOOOOhIjmpStartAD0809Read:;读刈口子程序movdptr,#AD0809mova0movxdptr,a；起动A/Dmova,#40hdjnzacc,$;延时 lOOusmovxa,dptr；读入结果movADResult,aretLEDMAP:;八段管显示码db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07hdb 7fh,6fh,77h,7ch,39h,5eh,79h,71hDelay:;延时子程序mov r7,#0DelayLoop:djnz r7,DelayLoopdjnz acc,DelayLoop retSearchLedMap:;查表子程序mov dptr,#LEDMAP move a,a+dptr retDisplayLED:mov rO,LEDBufmov rl,#3；共3个八段管mov r2,#00001000b;从左边第三个开始显示Loop:mov dptr,#OUTBITmova,#0movxdptr,a；关所有八段管mova,r0movdptr,#OUTSEGmovxdptr,amovdptr,#OUTBITmova,r2movxdptr,a；显示一位八段管mova,#01hcall delaymova,r2;显示下一位rramovr2,aincrOdjnzrl,Loopmovdptr,#OUTBITmova,#0movxdptr,a；关所有八段管retStart:；主程序nopcall AD0809Read;调用读AD 口子程序mov a,ADResultmov b,#(HIGHF-LOWF)mul abpush amov a,bmov b,#Oahdiv abcall SearchLedMapmov ledbuf+O,amov a,bcall SearchLedMapadd a,#80hmov ledbuf+l,apop amov b,#Oahmul abmov a,bcall searchledmapmov ledbuf+2,amov delayT,#80HDisplayAgain:call DisplayLED;调用显示子程序;显示十位数；调用显示子程序;显示个位数及小数点；调用显示子程序；显示小数位djnz DelayT,Display Againnopsjmp Startend心得体会经过一周的单片机课程设计，感触很深，和别的课程设计不一样，它需要我们自己 上机调试程序，完成对某个具体功能的实现。不仅是对前面所学知识的一种检验，而且 也是对自己能力的一种提高。通过这次设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己 要学习的东西还很多，以前老是觉得有点眼高手低。以前上课时编的程序都是比较简单 的小程序，当自己拿到这样的设计题目时，开始无从下手，经过查阅资料，上网查询,逐渐抽象出自己的设计需要学过的与之相关的内容。然而，真正进入程序的编制阶段时，才发现许多错误，经过不断地调试，当程序 编译没有错误时，连接硬件线路，在试验箱上实现所需功能。经过自己对程序的调试，我明白细节决定成败，任何一处小的失误都有可能导致实验的失败。明白学习是一个长 期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素 质。在这次课程设计还使我明白了，有什么不懂的大家在一起商量，或者请教老师，及 时查阅资料。听听不同的看法对我们更好的理解知识。真是万事开头难，不知道如何入 手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。止匕外，还得出一个结论：知识必须通过应用 才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认 为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教 等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中 我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信 会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体 会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。参考文献单片机微型计算机接口技术及其应用 张淑清国防工业出版社单片机原理及应用技术 张淑清 国防工业出版社单片机应用技术汇编