毕业设计（论文）-基于压力传感器的气压检测仪(19页).doc

-毕业设计（论文）-基于压力传感器的气压检测仪-第 9 页密 级 公 开 学 号 201340513215 衡水学院毕业论文（设计） 基于压力传感器的气压检测仪论文作者：指导教师：系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2013级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日 毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 论文题目：基于压力传感器的气压检测仪摘 要：该设计是基于压力传感器的气压检测仪。设计要求在减少成本的同时，能最大程度的实现预期功能。硬件方面，选择使用相应的单片机、压力传感器、A/D转换器以及LCD1602；而在软件方面，用C语言编写源程序，利用相关软件编译，之后再将文件拷入芯片中。在保证其所测数据准确性的前提下，尽量简化设计过程，节约成本。关键词：气压检测；压力传感器；单片机；A/D转换器；C语言编程TITLE：PRESSURE DETECTION INSTRUMENT BASED ON PRESSURE SENSORAbstract: The design is a pressure tester based on pressure sensor. Design requirements can achieve the expected function at the same time of reducing cost. In the hardware, select the use of the corresponding MCU, pressure sensor, A /D converter and LCD1602; In the software, the source program in c language, using the related software to compile, then the file copy chip. In the premise of ensuring the accuracy of the data, try to simplify the design process and save cost.Key words：Pressure Detection；Pressure Sensor；Monolithic Machine；A/D Convertor；C Language Programming目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题背景11.2国内外的研究现状11.2.1国内的现状11.2.2国外的现状11.3课题的设计目标22检测目标及其检测工具概况22.1气压的概念22.2压力传感器的种类32.3压力传感器前景的展望33基于压力传感器的气压检测仪的硬件设计33.1主要设计思路43.2压力传感器电路设计53.2.1压力传感器的选取53.2.2 BMP180的电路设计53.3 A/D转换器电路设计63.3.1 A/D转换器的选取63.3.2 ADC0832的基本用法63.3.3 ADC0832的简单介绍63.3.4利用单片机驱动ADC0832设计73.4主控电路的设计73.4.1 STC89C52的简要介绍73.4.2 STC89C52的参数83.4.3 STC89C52的引脚用法83.4.4 STC89C52与复位、晶振电路的设计93.5 LCD1602接口设计93.5.1显示装置的选取93.5.2 显示装置的接口设计103.6报警模块的设计103.7按键部分的选取104 气压检测的软件设计114.1主程序的设计114.2 A/D转换器的软件设计124.3 LCD1602的相关设计13结语14参考文献15致谢161 绪论1.1课题背景最近几年，先进的计算机技术飞速发展，不得不承认，我们已经愈发依赖这些高尖端技术了。诸多行业也越来越仰仗计算机及其相关技术的支撑，毫不夸张的说，计算机技术已经渗透到了现代社会的方方面面。其中单片机的应用渐渐为人们所熟知。伴随生活条件的逐渐改善，我们对相应单片机系列产品的规定也更加苛刻。单片机厂商们不断钻研新技术，开发出性能更高、价格更低的产品。越来越多的新产品映入人们的眼帘：各种导航装置、智能IC卡、电子宠物等等。基于压力传感器的气压检测仪的设计中也用到了单片机产品。为了使所要设计的电路更为简单，首先放弃了需要用到许多集成块的传统数字电路设计方法，转为使用成本相对较低，性价比相对较高的单片机设计思路。单片机借由编写软件程序和简单的硬件设计完成预计的功能，大大的节约了成本。基于压力传感器的气压检测仪可以将检测到的压力信号向电信号转变，并通过8位A/D转换器将输入的模拟信号向数字信号转变，最后用数码管显示结果。运用单片机STC89C52进行数据的分析和处理，利用8位分辨率的ADC0832将模拟量变为所需的数字量。ADC0832有着相对较高的分辨率和极短的转换时间，0至5V的模拟电压范围，双数据输出的数据校验保证了误差控制在较小的范围，拥有更快的转换速度和稳定性。1.2国内外的研究现状1.2.1国内的现状虽然我国的传感器相关产业的起步并不算晚，但实际正式大力发展相关项目是到“七五”之后的事情了。通过不断地探索，在力敏、温敏等领域有了一定成果，建立了具有相当规模的产业格局。这一格局有着很多明显的缺点：大规模的企业稀少、在各区域的发展差别较大、缺乏高档的产品等。但它也有自己的发展优势：实力提升速度极快、开发领域大幅拓宽、生产规模有着显著提高等。1.2.2国外的现状作为极具现实意义的前沿技术，传感器技术的发展始终在国外备受关注。美国、德国等国在这一领域的实力较强，他们还会时常举办有关传感器的产品交流会，相互借鉴、相互学习，从这些先进的展品身上往往能捕捉到发展趋势的影子。相对于国内来说，国外的传感器研究更注重产品的多功能化、新架构的开发、设定标准的测试手段等。1.3课题的设计目标根据基于压力传感器的气压检测仪的情况，此设计能实现以下预期功能：（1）达到较为精准的气压检测预期目标，完成实时测控；（2）装置设计思路清晰，分模块构成，硬件电路设计方便易行，而且容易实现对系统的有效操作； （3）保证在相同的设备测量气压值的情况下，此设计的价格更便宜，实用性更强大，性价比相对更高。据气压检测装置的一些情况，此设计主要用来减少的问题有：硬件电路的设计以及电路的仿真；显示模块和气压传感器程序的编写与调试问题；各功能模块的程序运行与系统的调试；气压检测过程中受其它因素影响而造成的测量误差。2 检测对象及其检测工具概况2.1气压的概念 有这样一层空气，内含NO2，O2，CO2以及稀有气体等，它围绕在地球的周围，人们通常把它叫做大气。这种空气疏密程度和高度有着密切的联系，而且它的厚度很厚，如同水压一样，大气中的各种事物也会受到气压的影响。 值得注意的是，大气压和平时所说的压力是有所不同的。所谓的大气压，指的是从宏观上看的大气压力，而平时说的压力则是一种微观的描述，二者有着很大的区别，不能一概而论。通常情况下，大气压和海拔、温度、纬度等因素有着直接的联系，它们都是研究大气压时不能忽略的干扰因素。2.2压力传感器的种类 作为核心构成要素，压力传感器的选取应更加慎重。它可以将测得的压力信号向相应的电信号转变，能让我们更容易的进行监测。伴随科学的进步，更多功能、更多种类的压力传感器陆续被研制出来。（1） 应变片压力传感器 电阻应变片由几个相应的模块构成，其中包括应变丝、绝缘保护片等必备材料。电阻阻值的选择应该合理，要在一定的限度内。既要防止因选用阻值过小，而出现零点漂移，又要防止所取阻值太大，而太容易被外界电磁场干扰。（2） 电容式压力传感器 此种压力传感器有其自己的分类，因此特点也有所区别。差动电容式的线性度更好，灵敏度更高；单电容式加工起来相对容易，有更为突出的过载能力。（3） 压阻式压力传感器 此型号的传感器需要用到四个特定电阻，使其构成电桥。无压力作用时，电桥处在平衡态。一旦检测到压力作用，电桥便会随之产生变化，通过产生的电信号来获取相应的压力值信息。2.3压力传感器前景的展望 本身，作为前沿高端产品的传感器正在飞速发展，没隔多久就会有新的产品被研制出来。随着微型加工技术的不断提高，越来越多的传感器将会被批量生产，有望在生物医学、微型机械等相关领域发挥更大的作用。3 基于压力传感器的气压检测仪的硬件设计3.1主要设计思路设计要求有作为电信号的输入通道的前向通道，为的是进行数据的收集，使用依靠单片机STC89C52组成的系统进行气压测量。利用传感器将检测到的压力向电信号转变，通过A/D转换器的处理使之变成数字量，计算机才能进行有效的处理。设置气压的有效范围，利用三极管、蜂鸣器等元器件制作报警电路，超出规定的范围值就会立即报警。气压检测仪使用STC89C52单片机作为微处理器，使用BMP180型号的压力传感器，利用ADC0832实现数字信号的转换，单片机与LCD1602相连来显示压力数据。气压的范围设置为15kpa到110kpa,一旦超出了这个范围，系统立刻自动报警。主要电路图设计见图3-1，结构图见图3-2。图3-1 主电路图复位电路气压传感器A/D转换器液晶显示STC89C52单片机报警电路图3-2 系统框图3.2压力传感器电路设计3.2.1压力传感器的选取压力传感器的选取要依据其相应的性能参数和实际的需要，不是随便一个就行的。一定要具备温度补偿的功能，利用这一特点来解决常见的温度漂移问题，使得数据变得更加准确可靠。为了保证电路的简化以及具备相对较高的稳定性和抗干扰性，所选用的传感器必须具备温度补偿功能。所以考虑使用BMP压力传感器，它内含放大电路，无需另外增加放大电路，可以产生高精度的模拟电压。作为一种半导体压力传感器，该类型利用了先进的微电子技术以及薄膜镀金属，能以极高的水准为其输出信号提供均衡压力。为了保证使误差在可控范围之内，应该要求一定的温度补偿。由于其具有极高的可集成度，所以它深受广泛的欢迎。3.2.2 BMP180的电路设计我们可以通过分别给模拟电源、数字电源接上一个固定值的电容，借此来测量不同程度的电压值。读数的话，从I2C接口便可实现。从发送信号算起，大约耗费几毫秒的时间，便能够得到结果。期间，还会利用到E2PROM里面的规范数据，要注意压力单位间的换算。若想要读取这些数据，还要再一次用到I2C接口。（注意：不同类型的电源能实现对BMP180的独立供电）连接方式如图3-3所示。图3-3 BMP180电路图3.3 A/D转换器电路设计3.3.1 A/D转换器的选取 现如今的单片机的相关产品种类繁多，其中就有内部自带A/D转换电路的单片机，但相应的比起普通不带A/D转换功能的单片机来说，其价格就高出了很多。所以，综合考虑，我们选择使用单片机外接A/D转换器，以此来实现想要的功能，例如ADC0832、ADC0809等。A/D转换器分为串行接口和并行接口，这作为一项重要的指标应妥善选择。通过比较不同类型的A/D转换器，综合考量它们性价比，最后我们决定选取ADC0832这一种，它具备串行接口的特点，相比其他类型，结构更为简单，应用更为广泛。3.3.2 ADC0832的基本用法ADC0832工作的CS是在下降沿。当时钟信号从高电平变为低电平时，ADC0832里面的地址移位寄存器接收DI传入的数据。再接下来，开始通过输入模拟通道进行转换。为了使选定通道稳定，连续两个时钟周期延迟。在第四个下降沿时，得到相应的数据，接下来，再由高向低逐位输出。要想使输出变成高阻态，需要使时钟信号变为高电平。若要进入下一轮的转换，只需重复上述过程。3.3.3 ADC0832的简单介绍ADC0832具备的特点： 分辨率为8位 使用双通道A/D转换 输入电压在05V间取值（供电电源为5V） 约15mW的功耗 具有和TTL/COMS相兼容的输入输出电平 8p、14p的双列直插（DIP）、PICC多种封装配置位的说明ADC0832运行的时候，输入方式要看输入配置位如何选取。如果考虑输入通道的极性，则说明是差分输入，其中能作为正负极的出入通道不作要求，则任取一个即可。对于差分输入来说，如果配置位的高低位均为低电平，则选择通道号的高位的输入端口为正极性、低位的输入端口为负极性；如果配置位的高位为低电平、低位为高电平，则选择通道号的高位的输入端口为负极性，低位的输入端口为正极性。对于单端输入来说，如果配置位的高位为高电平、低位为低电平，则选择通道号的高位的输入端口为正极性；如果配置位的高低位均为高电平，则选择通道号的低位的输入端口极性为正。3.3.4利用单片机驱动ADC0832设计通常，单片机借由四条数据线CS、CLK、DI、DO与ADC0832相连。由于DI和DO端与单片机间是双向接口，在工作时只能有一个有效，所以可以采用并联的方式将他们连接起来。若ADC0832停止使用则CS输入端为高电平，假如处于工作状态则CS输入端为低电平。对CLK及DI/DO的电平不作要求。直到转换结束前，CS输入端不能出现高电平，必须保持低电平。转换工作开始，芯片开始处理时钟脉冲信号，另一方面，经DI端输入数据信号。起始信号用DI端的高电平表示。当CH0要做单通道转换时，SGL/DIF、ODD/SIGN分别取1、0；当CH1做单通道转换时，SGL/DIF、ODD/SIGN的取值均为1。当CH0、CH1分别为正负输入端时，SGL/DIF、ODD/SIGN的取值均为0；当CH0、CH1分别为负正输入端时，SGL/DIF、ODD/SIGN取值分别为0、1。当DI端不再具备输入作用时，DI/DO端便可以读取相应的数据，通过D0端进行数据输出。最高位D7在第四个下降沿开始输出，随着脉冲下降沿的不断到来，数据依次输出，最终在第十一个脉冲到来时，完成了指定数据的输出任务。之后输出相反字节的数据，直到第十九个脉冲时，一次完整的A/D转换完成。如果要是想要提高转换的宽度，则可以考虑设置一个较大范围的电压值。3.4主控电路的设计当今的科技发展速度迅猛，电子技术受到越来越多人的关注，单片机的各项性能也逐渐趋于完善，尤其在像是智能家居、智能控制等领域应用更为广泛。3.4.1 STC89C52的简要介绍 8K字节Flash，512字节RAM 32位I/O口线 看门狗定时器 内置4KBEEPROM MAX810复位电路 3个16位定时器/计数器3.4.2 STC89C52的参数工作频率适用范围：040MHz，相较通常的8051的080MHz，真正的工作频率接近48MHz用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM 具有EEPROM功能共3个16位定时、计数器。即T0到T2 若想要完成数个UART，则可以利用到相应的定时器软件。 运行温度的范围：-40+85（工业级）/075（商业级） PDIP封装3.4.3 STC89C52的引脚用法 VCC(40引脚)：电源电压 VSS(20引脚)：接地P0口：双向I/O口，一共有八位。可以驱动八位逻辑电平，此时将其用作输出口。想要用其作为高阻抗的输入时，需要对其写入数字1。当将其用于低八位数据复用时，可以实现对数据存储器、外部程序的访问。此时，默认内含上拉电阻。此外，当涉及规定字节的传输时，它可用于接收相关的指令。应该注意一点，这时要在其外部连接一个上拉电阻。P1口：双向内含上拉电阻的I/O口，一共有八位。可以驱动四位逻辑电平，此时它起到了输出缓冲器的作用。要想将其用于输入数据，则需对其写入数字1，利用内阻拉高端口。如果将其用作输入，有些引脚受到外部因素以及存在内阻的影响，则会输出电流。P2口：双向内含上拉电阻的I/O口，一共有八位。若想驱动四位逻辑电平，将其用作输入口，需要对其写入数字1，利用内阻拉高端口。如果将其用作输入，有些引脚受到外部因素以及存在内阻的影响，则会输出电流。若想让P2口输出高八位地址，在此种情况下，由于具有很大的内阻，也可用于输出数据。当访问外部数据时，要用到八位地址，实现输出锁存器内部的数据。除此之外，也可以接收一些相应的控制信号以及高位字节。P3口：双向内含上拉电阻的I/O口，一共有八位。可以驱动四位逻辑电平，此时可以将其用作输入口，需要对其写入数字1，利用内阻拉高端口。如果将其用作输入，有些引脚受到外部因素以及存在内阻的影响，则会输出电流。除此之外，也可以接收一些特殊的控制信号。RST：实现输入的复位。单片机复位的条件振荡器处于工作状态，引脚出现高电平且持续两个周期以上。ALE:地址锁存允许可以用来锁存低八位字节，一般是访问存储器时使用这一功能。它还可以用来输出固定脉冲信号，应用这一特点可以完成定时（有时还要跳过一个脉冲），利用此引脚还可以实现编程脉冲的输入。ALE操作可人为控制，通过一些具有特殊功能的寄存器里的位置位实现对其的控制。而激活ALE则要利用位置位后的一条指令。PSEN:作为读选通信号（外部程序存储器），每个周期输出两个脉冲，此时单片机从外部存储器取出相应的数据。若此时访问外部存储器，则要略过两个此类信号。EA/VPP：EA应持续为低电平，以此来使CPU只访问外部存储器。假如EA为高电平，则不能保证只访问外部存储器，有时也会访问内部存储器，执行相应的指令。VPP为允许电压，数值为12V。3.4.4 STC89C52与复位、晶振电路的设计该部分相对应的电路图设计如图3-4所示。图3-4 最小系统电路图3.5 LCD1602接口设计3.5.1显示装置的选取LCD1602的使用十分广泛，常常被用来作为显示输出设备应用于数字系统里。通常情况下，字符型的芯片更多基于HD44780，因为它们的工作原理基本一致，而HD44780更能适应市场的大多需求，应用起来更加方便。LCD1602液晶显示要用到单片机的I/O端口，相对于别的方法来说，这种方式有着更为简单的编程和更高的亮度。它既能显示中文，又可以展示所测数据的上下限，一目了然，相较数码管有着得天独厚的优势。但这种方式也有其弊端，可用的端口数是固定的，如果涉及到的端口数目较多，则在无意当中便使电路变得更为复杂。3.5.2 显示装置的接口设计经过慎重考虑，最终选择了如下的连接方式，如图3-5所示。图3-5 显示接口电路图3.6报警模块的设计设计时，要注意一个地方，为了保证主芯片可以控制该报警模块，应该要让阻值为1K的电阻两端联系着单片机和三极管。具体连接方法如图3-6所示。图3-6 报警电路图3.7按键部分的选取为了保证各个按键不会相互干扰，考虑使用一个按键对应连接一条输入、输出端口线的独立型按键。若要分析按键的开关状态，可利用研究相应的输入、输出端口时钟信号的高低来间接得到。选用此种按键，能使得电路设计更为简洁，相应的软件程式的设计也更为容易。这种按键使用时比较受限制，假如设计的电路需要很多输入、输出端口，则就无法选用该种按键了。电路设计如图3-7所示。每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可判断出被按下的按键。图3-7 按键电路图4 气压检测的软件设计4.1主程序的设计借由对气压值的实时检测，来掌控气压的变化情况。流程图如图4-1所示。开始系统初始化数据采集处理读到的数据 送入LCD1602显示若气压值大于110kpa或小于15kpa不报警报警 否是结束图4-1 主程序流程图4.2 A/D转换器的软件设计 通常，单片机控制系统输出的格式有所不同。串行AD、并行AD是其中较为常见的一种分法。相比并行方式，串行方式有着更小的封装和更少的引脚，不过要用软件处理相关的数据。而并行方式具备足够数量的引脚，无需额外再进行处理。本次设计无需很多引脚，故利用串行方式更为合理。虽然还有与STC89C52具有相同功能的器件，但他们所拥有的输入通道数有所不同，故不能轻易的相互替换。子程序流程图如图4-2所示。开始 初始化函数A/D转换将转换后的电压转换成压力返回 图4-2 子程序程序流程图4.3 LCD1602的相关设计我们这次设计选择使用LCD1602。数据总线DB0到DB7置为高电平时，用于输出；置为低电平时，用于输入。其中内置了相应的RAM，以便显示相应的代码。如果向00H写进想要的代码，则能在显示屏幕上的首行首列显示代码对应的字符，一行只要前十六的地址就可以了。结语伴随人们生活质量的逐步提高，许多人对高标准生活环境愈发关注，这也就意味着传感器以及气压检测技术被更多场合所需要。所以，在这一相关领域，无疑会有更加可观的发展市场。而且，近几年，有关这一领域的技术不断更新换代，越来越多贴近人们日常生活的技术正在逐步开拓并占领着市场。所以说，对气压检测技术的学习是极具现实意义的。该设计能简单的测量周围的气压值，使用LCD1602进行气压显示，并能够进行报警。使用BMP180压力传感器作为气压的检测单位，借由其相对较高的稳定性和抗干扰性，能产生较为精准的模拟电压，再通过A/D转换器转换成数字信号，最终把数据传递给LCD1602液晶显示器和报警系统。该设计可为温度、湿度等一系列测量指标的检测提供思路，对电子产品的发展起到了一定程度的推动作用。参考文献1 潘小囡.基于单片机的弹丸表面压力数据采集系统设计J.2016.2 肖兵兵，王奇帅，赵鹏辉，罗坤.关于谐振式硅微结构压力传感器的综合研究J.2016.3 任国晶，蔡春丽，汪大海.压力传感器位移分析及疲劳寿命预测J.2016.4 叶虎，宁辉，田彦民，杨猛，杨文森.基于压力传感器的脉冲微波量热计J.2016.5 焦文龙，苑伟政.微谐振式压力传感器的系统级建模与仿真J.2016.6 郭旭，余尚江，陈晋央，周会娟，杨吉祥.压电式压力传感器动态特性补偿技术研究J.2016.7 章琳.提高应变式压力传感器的性能研究J.2016.8 刘昕，乔飞帆，曹丽丹，刘维.光纤压力传感器的性能研究J.2016.9 崔保健，毕文辉.基于精密压力传感器气密性检测装置设计J.2016.10 乔东坡，王超.基于电池供电的无线压力传感器设计J.2016.11 简荣坤，唐胜武，姜晶.基于 Zig Bee 技术的压力传感器数据采集系统设计J.2016.12 贺长伟，刘增良，王宝林，刘桂媛.压力传感器特性测量实验的智能化设计J.2015.13 王晨，张万娟，刘婧婧，林敏，武折章，张峻鋮，张全.天气预报相关因素选择与使用分析J.2015.14 赵亚丽.光开关在光纤光栅压力传感解调系统中的应用J.2015.15 赵英杰，郝惠姣，沈月，李宏.基于压电感应发光的不透明容器储量显示J.2015.16 leiwei. Digitalization of a Pressure-Transducer Based Plethysmograph through a PowerLabEquipment for Recording Rat Paw VolumeJ.2016.致谢首先感谢我的指导老师侯晓云。论文从选题、结构安排、文字处理直至最终定稿的全过程无一不是在侯晓云老师的悉心指导、严格要求和亲切关怀下完成的。在实际的设计过程中，我遇到了重重困难，但老师秉着严谨的科学态度和精益求精的工作作风，耐心的教我弄明白不会的部分。凭借老师的帮助，我最终顺利的克服了遇到的种种难题，也从老师身上学到了宝贵的求学精神。在此，谨向侯晓云老师致以最为诚挚的敬意。谢谢！