基于STCIAP15F2K61S2的振弦式传感器测量单元(硬件设计)毕业论文.docx

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1、河 海 大 学 文 天 学 院本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： 基于STC IAP15F2K61S2的振弦式传感器测量单元(硬件设计) 、毕业设计（论文）工作内容（从专业知识的综合运用、论文框架的设计、文献资料的收集和应用、观点创新等方面详细说明）： 振弦式传感器是岩土工程中埋于大坝和建筑物能长期给出可靠数据的一种传感器。它结构简单、长期稳定性好、精度和分辨力高，输出为频率信号，可以与微机直接接口，便于远距离传输，特别适用于远程监测。在大坝安全监测自动化系统中，振弦式传感器测量单元有着广泛的应用，能够测量振弦式仪器的频率和温度这两个参数，并对测量数据进行存储等。 在了解振弦式

2、传感器的基础上，对振弦式传感器测量单元进行硬件设计。工作内容如下：对振弦式传感器数据测量单元的硬件进行设计，绘制电路原理图；绘制电路板PCB图；DEMO电路的制作；编写电路调试大纲，进行电路调试；撰写设计论文。 、进度安排：2015年11月2日2015年11月22日（3周）：选择题目，收集材料； 2015年11月23日2015年12月20日（4周）：布置任务，明确目标、计划； 2015年12月21日2016年1月17日（4周）：试验环境搭建，关键技术试验，应用原型构造； 2016年1月18日2016年2月13日（4周）：方案研究，系统分析、设计，编码实现； 2016年2月14日2016年4月1

3、7日（5周）：继续前期工作，准备毕业设计中期院内检查； 2016年4月18日2016年5月8日（3周）：后期完善调整，系统完整实现； 2016年5月9日2016年5月22日（2周）：软件测试，指导老师验收成果，毕业论文写作； 2016年5月23日2016年5月31日（2周）：毕业论文预提交、修改、评阅、答辩。 、主要参考资料：1 江修FWC-2分布式网络测量系统的研制南京，南京航空航天大学硕士学位论文，2001 2 吴卿基于COS振弦传感器测频系统的设计北京，北京交通大学硕士学位论文，2007 3 白泽生一种基于振弦式传感器测频方法的实现传感器与微系统，2007-84 崔军辉，张培仁基于振弦式

4、传感器的频率检测模块设计无线电工程，2009-1 5 何立民，单片机高级教程，北京：北京航空航天大学出版社2000 6 何立民，单片机应用系统设计，系统配置与接口技术，北京：北京航空航天大学出版社，1990 7 陈桂友单片微型计算机原理及接口技术，北京：高等教育出版社出版，20128 南京水利科学研究院，岩土工程安全监测手册，北京：中国水利水电出版社，2008 指导教师：（签名： ）， 2015 年 11 月 16 日学生姓名：（签名： ），专业年级： 自动化2012级 系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）： 专业

5、负责人签字： ， 2015 年 12 月 1 日郑 重 声 明本人呈交的毕业设计（论文），是在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计（论文）所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本设计（论文）的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要振弦式传感器是岩土工程中埋于大坝和建筑物能长期给出的可靠数据的一种传感器。以振弦式压力传感器为传感元件是由振弦式传感器和单片机组成的压力测量仪 ,是测量的得力工具，单片机则实现了远程控测量

6、和数据的自动处理。为了满足大型远程监控中振弦式传感器的数据采集需求,利用STC IAP15F2K61S2微处理器,测量系统具有工作稳定性高、硬件电路简单、抗干扰能力强、扩展性好等优点。振弦式传感器是频率型传感器,它利用振弦的振动频率随其所受压力的改变而改变的特性,通过测量振弦的振动频率从而经换算得到相应的被测单元。该种传感器与CPU接口简单以及便于自动化测量等优点,利用单片机做中央处理单元,采集器采用脉冲激励的方法,使振弦式传感器产生共振,再将共振信号经放大器和滤波器输入到单片机,由单机处理后转换成数字信号,设计了一种高精度的测量系统,并给出具体的硬件电路。关键词：振弦式传感器；数据采集；ST

7、C IAP15F2K61S2IIABSTRACTVibrating wire sensor is buried near in rock and soil engineering and building long-term reliable data of a sensor is given. With vibrating string type pressure sensor for sensing element is made up of vibrating wire sensor and MCU pressure measuring instrument, is measuring

8、the effective tools, single-chip computer is realized far program-controlled automatic measurement and data processing. In order to meet the large remote monitoring of vibrating wire sensor data acquisition needs, using STC IAP15F2K61S2 microprocessor, the measuring system has high stability, simple

9、 hardware circuit, strong anti-interference ability, good extension.Vibrating wire sensor is a frequency type sensor, which makes use of the vibration frequency of vibrating string along with the change of the pressure change characteristics, through measuring the vibration frequency of the vibratin

10、g string and the conversion of measured pressure. This kind of sensor and CPU interface is simple and easy automation measurement, etc. the utility model, the use of single-chip microcomputer as the central processing unit, collector adopts the pulse excitation method, vibrating wire sensor resonanc

11、e, then the resonance signal through the amplifier and filter input to the Single Chip Computer, is converted into digital signal by a single machine processing, a high precision measurement system, and gives the specific hardware circuit.Key words：vibrating wire transducer，data acquisition，STC IAP1

12、5F2K61S2II河海大学文天学院本科毕业设计（论文）目 录摘 要IABSTRACTII目 录1第一章 引 言31.1 研究背景31.2 设计研究意义31.3 设计研究方法41.4设计任务及主要工作4第二章 方案论证62.1设计的基本思路62.2设计方案62.3控制器部分72.4数据采集部分82.4.1振弦式传感器的材料选择82.4.2通信选择82.5键盘及数据显示部分9第三章 硬件设计113.1振弦式传感器的原理与特性113.1.1振弦式传感器的原理113.1.2 振弦式传感器的特性113.2 振弦式传感器电路设计123.2.1振弦式传感器的激励123.2.2 激励电路133.2.3信号的

13、滤波与整形电路143.3 IAP15F2K61S2的功能及内部结构153.3.1控制器的功能153.3.2单片机STC IAP15F2K61S2的内部结构153.4单片机最小系统构成173.5 RTC电路173.6 温度传感器电路183.6.1 主板DS18B20温度传感器183.6.2 振弦式传感器的温度193.7 485通信193.8 显示和按键电路203.8.1 数码管显示部分203.8.2 矩阵按键213.9 EEPROM部分213.10 蜂鸣器223.11 电源设计23第四章 软件设计244.1 系统应用程序的设计244.2主程序设计244.3 子程序设计流程图254.3.1 振弦式

14、传感器的测频程序设计254.3.2 通信程序设计254.3.3 温度传感器在数码管读取264.3.4 数码管显示274.3.5 EEPROM读写及数据采集程序设计和说明284.3.6 矩阵式键盘接口程序设计29第五章 制作与调试315.1 原理图的制作与布局315.1.1 原理图的制作315.1.2 电路布局与电路连接315.2 产品的制作325.3 调试与下载程序325.3.1 STC仿真器使用指南325.3.2 烧录项目程序335.4 RS485控制下载说明33第六章 展望与结论35参考文献36致谢37附录38附录一 原理图38附录二 软件程序39第一章 引 言1.1 研究背景国内外大坝和

15、建筑物正在高速建设发展，建筑建设安全监测越来越重要。在过程中，内部结构会受到各种不同的温度和压力作用而引发频率振动千变万化，也会造成各种不同程度的结构承受能力不足造成损伤，为确保及时掌握大坝和建筑物的信息状态，可以通过STC IAP15F2K61S2微处理器分析了解受力情况，用振弦式传感器测量单元对大坝和建筑物建实际情况进行监测，以其结构简单、精度高、抗力强、信号采集精度高及对电缆的要求低等优异性能受到工程界的广泛关注。在国内拥有众多不同类型的大坝，由于长期运行达到一定的年限了，大部分大坝都可能存在各种不同程度的安全隐患及稳定性，从而间接给经济和社会发展带来很大的不确定性。因此，大坝和建筑物建

16、测试是一项非常重要工作。在大坝安全监测自动化系统中，振弦式传感器测量单元有着广泛的应用，能测量振弦式仪器的频率和温度这两个参数，并对测量数据进行存储等。1.2 设计研究意义振弦式传感器结构简单、自动化程度高、长期稳定性好、精度和分辨率高，输出是频率信号，能适合与数据采集的电路，便于远距离传输，特别是适用自动化远程监控。由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号,因此,具有抗干扰能力强、受电参数影响小，易于传输，零点飘移小，受温度影响小，易于数字化，性能稳定可靠，耐震动，寿命长等特点。（1）无地域的限制，适合远距离传输能及时远程的反馈信息掌握实时的数据变动。对输出电压的波形不会有失真和衰减而影响监

17、控值。振弦式传感器能在恶劣的环境下运行。（2）输出量的频率能够及时、便捷、准确的进行数字读取各种运行状态实时监测的重要参数，同时也方便在现场监测读取。（3）分辨率和精密度高，更加的方便数字显示及读取，精度高了升级振弦式传感器的稳定高效性。（4）振弦式传感器的敏感元件是振弦，它的蠕变是非常小的，零点漂移也比较小，更具备重复性和可靠的稳定性。如果是长期的运行时是不需要校验和初始调整的，使用的寿命是很长久的。（5）在测试中是可以实现不同的复杂岩土和建筑物的测量，更能长久的埋入岩土中使用。（6）保证大坝和建筑正常安全的运行，数据的采集量非常的大，更助于分析受力情况，对测量的数据进行存储。1.3 设计研

18、究方法基于STC IAP15F2K61S2的振弦式传感器测量单元分析出工作特点、工作原理及其主要构成类型,论证了输出信号频率与其所受压力存在的对应关系，设计原理及主要硬件电路，分别设计振弦式传感器的激励电路、实时时钟晶振电路、放大滤波电路、温度信号采集电路、电源电路、存储电路、通信电路等硬件电路，对系统的通信方式做详细分析来验证该设计的可行性，进行仿真结果演示。采用性能较强和处理速度较快的单片机STC IAP15F2K61S2来做中央处理单元，采集器收集脉冲的激励，使振弦式传感器产生共振的频率和温度处理后转换成数字信号。在结合大坝和建筑物的安全监测系统的实际案列，展现该设备在整个结构管理中的重

19、要性，扩展该技术的更多功能并广泛充分运用于大坝和建筑物的安全监测中，提高管理的自动化监测的更上一个水平。运用现代电子技术、材料和制造技术的进步，振弦式仪器技术需要更进一步完善并大量运用到实际建筑工程中。1.4设计任务及主要工作考虑到振弦式传感器的重要作用和广泛应用，有必要对振弦式传感器做比较深入的研究，考察基本工作原理和特性到设计的电路中去，本文的主要工作如下：第一章阐述了研究背景，研究的意义，提到了本文的研究方法及主要工作。第二章系统地设计了研究方向和主电路框架，论证了单片机和通讯及显示与键盘的选用，分析数据采集部分。第三章阐述了基于STC IAP15F2K61S2的振弦式传感器测量单元的实

20、现，包括振弦式传感器的原理和特性，在主控器中利用最小系统实现电路的设计，其中有通信电路，激励电路，信号放大滤波与整形电路，显示和按键及电源进行设计电路。 第四章进行主程序和子程序分析并设计出流程图。第五章对产品的制作和调试中的电路设计要点和程序下载的步骤测试产品的可行性。第六章对所做的工作进行了总结和展望，并提出完成的任务和不足之处。第二章 方案论证2.1设计的基本思路设计的流程先确定课题，再根据课题的要求和目的确定设计方案，依设计方案分硬件和软件部分。硬件设计确定硬件组成再画出原理图，制作PCB板；程序设计流程图再编程，烧录程序；制作和调试。这样的设计是分析问题和解决问题的前提，为后面论文提

21、供方法和方向。图2.1设计思路方案2.2设计方案在硬件设计中涉及到主控器和传感器的模块及显示模块都是要有参考的方向。振弦式传感器硬件设计：系统主要由激振电路、开关电路、放大电路、滤波电路、整形电路，送到处理器这边，然后通过时钟模块和存储器电路、通信设备再连接好电源，基本电路设计出来后在显示部分显示出数字形式读取出来。 图2.2 总电路设计框图2.3单片机部分在岩土中测量安全系统，利用单片机与PC机的RS485通信进行控制，单片机为控制对象。方案一：选用PIC单片机是Microchip公司的产品，它也是一种靠指令型的单片机，指令数量是比较少的，中档的PIC系列也就仅仅有35条指令而已，低档的仅有

22、33条指令。MICROCHIP公司的产品,最大的特点是体积小,功耗低,精简了指令集,抗干扰性好,支持较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片是支持其兼容的FLASH程序存储器的芯片。方案二：选用51单片机STC IAP15F2K61S2芯片很适合程序开发调试。不需要外部晶振与复位电路、1个时钟、可以在线编程，同时支持KEIL设置断点。STC是增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,加密性好，抗干扰强。直连USB数据线就能实现程序下载与主控供电，不需要有专门的下载器与电源标配器，还设计出一键下载在下载程序中按下载按键就能下载好程序，用笔记本电脑的话，非常

23、方便程序调试和电源的切断和打开；支持独立电源输入和输出，单片机上有稳压芯片通过电源标配器输入外部912V电源；RS485接口使用的是单片机串口2，支持进行485通信。IAP15F2K61S2是单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、极可靠、低功耗、超强抗干扰能力的单片机，采用了STC加密技术，加密型强，指令代码兼容8051单片机。（1）8051的CPU是增强型的1T单时钟周期，支持软件选择工作频率5MHz35MHz，灵活性超高，能够外部复位电路和晶振，工作电压3.8V5.5V；（2）单片机上61K FLASH，2048 RAM，支持在用户程序中修改用户程序，所有FLASH都能EEPROM修

24、改，擦写次数可达10万次以上；内部具有高可靠的复位，内置硬件设置了看门狗定时器和外部掉电检测电路；（3）支持6个16位定时器和计数器为T0/T1/T2，同时支持3路CCP/PWM/PCA的模块，低功耗的设计选用了低速模式、空闲模式、掉电模式和停机模式，可达到多种方式唤醒的功能；（4）IAP（应用编程）不需要专用的编程器能直连串口下载用户程序。综上所述，进一步研究分析得出如果使用了汇编语言编写PIC单片机的程序就会有一个致命的弱点PIC中低档单片机里是有一个翻页的概念，编写程序挺麻烦。芯片内部也没有RC振荡，如过需要芯片正常工作的话，需要外加振荡源晶振，功耗也是比较的高，芯片不能定义成内部复位方

25、式，只能用外部微分电路复位。芯片里面的P0口没有上拉电阻（P1,P2,P3口有上拉电阻）如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉。所以选用方案二。2.4数据采集部分2.4.1振弦式传感器的材料选择设计出一种能比较适合的数据振弦式传感器，是为达到传感器的量程和功能都可以进一步扩展，能实现一些基本参数的测量，传感器的灵敏度及测量精度的选用以测量的数据能够进行存储，数据测量的稳定性要高些，传感器输出对外界环境抗干扰能力强。在遇到问题时能够实现自诊断功能，对发生故障的部分做到及时且准确地锁定，解决出一类通过硬件下不能实现的问题。信号输出形式和接口选择更花样，通信距离会有更大的提升。振弦传

26、感器的金属材料选择与工艺处理升级将影响传感器的精度、灵敏度和长期稳定有效性。振弦式传感器要支持激发模式中高压脉冲并且在一定程度上不会影响传感器频率的读取精度，在材料选择与工艺处理方面是一个重要的参数。2.4.2通信选择方案一：RS-485总线通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准RS-485采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采取半双工的工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多

27、信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS485采用差分信号负逻辑，2V6V表示“0”，- 6V- 2V表示“1”。方案二：RS-232在低速率串行中采取的是不平衡的传输方式（单端传输通讯），发送数据传输时，驱动器就会发送正电平是+5V+15V,负电平是-5V-15V，没有数据传输时，线上是TTL电平到RS-232电平再回到TTL的电平。点对点通信非常适合在本地的通讯设备，驱动负载时应在3K7K。RS-232需要加数字地线、发送线和接受线三条线，同时还可以加上控制线完成同步功能的一种双工工作方式。综上所述，要实现设备的远距离传输并远程监控，选

28、择方案一。2.5键盘及数据显示部分1. 键盘是一种常开的按钮型开关，当按下时，两个触点是处于闭合状态，正常情况下两个触点是断开的状态。要实现人机通讯，可以通过键盘按下通断来操作，在键盘上输入数据和控制命令。方案一：独立键盘独立键盘是各个按键相互独立地连接在一起输入到数据线，这种键盘采取的是查询方式进行扫描而获得按键的信息，电路简单，当按键数较多时，将会同时占用CPU系统的I/O资源，不是很适合在I/O资源比较紧张的环境下运行。独立式按键是用I/O口线来构成的单个按键电路，每一个独立按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作运行是不会影响其他I/O口线的工作运行，就是一个按键对应着一

29、个端口输入，上拉电阻按键松开I/O口线是高电平。若I/O口线内部上接电阻时，外电路不需要配置上拉电阻，能采取查询方式和中断方式读取按键。方案二：矩阵式键盘矩阵式键盘是不受I/O资源的影响，键盘是排成矩阵的形式存在的，矩阵式键盘对按键的处理一般采用每行扫描查询或者每列扫描查询法，每行查询是判断按键是不是有按下，将键盘中的行列全设置成0，然后再读取列线的信号，如果有按下则有列线信号为0，接着再判断是哪个按键被按下，将键盘中的行线依次置0。一直交叉的扫描按键是不是被按下，实现着矩阵式键盘的按键识别及其处理。综上所述，达到人机对话的效果，对资源的使用率，选择方案二。2. 显示器是我们所见CPU系统最基

30、本的一种人机读取的设备，用它来显示字符，图形。方案一：液晶显示器显示器屏幕上的字符是点阵集合的形式显示出来的，点距中不同的像素两种颜色的发光点的距离，刷新的频率以每秒屏幕刷新的次数，人眼的滞留效果不是很高，易发生扭曲，沾污显示表面的话会影响使用效果，很容易产生静电。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电可以显示出图形。液晶显示除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。方案二：数码管数码管根据LED的连接方式有共阴型数码管和共阳型数码管，静态显示方式的优点就是控制和管理简单，显示的亮度较高。驱动电压低，不会影响显示效果，易保养。耐强光的照射及温度的变化不影

31、响功能，很难有结雾的情形，在焊接的时候要求不高。综上所述，显示器要在差的环境下工作，要保证模块的质量，不易脏，温度环境下能正常工作，稳定性高，价格便宜的话选用数码管能够显示的更清晰，适合在白天强光下显示。故选择方案二。第三章 硬件设计3.1振弦式传感器的原理与特性3.1.1振弦式传感器的原理振弦式传感器是通过拉紧机械位移转为弦振动频率变化的一种可靠的传感器。从形状上看, 它有点像我们的提琴弦线的调音。振弦传感器的材料与质量将会直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。选用钨丝来做敏感元件的话性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度就很高,也是常用的振弦材料之一；另外,还可以用提琴弦、高强度钢丝、钛丝等来做振

32、弦材料。通用的振弦式传感器是由振弦、磁铁、夹紧装置和受力结构组成。振弦式传感器是以机械位移转为弦振动而引起频率变化的传感器。监测振弦的固定频率察看测量引起固定频率变化的非电量弦的长度，其中固定振动频率的变化量可代表弦所受压力的大小,通过对应的测量单元电路,可得出与压力成一定关系的电信号。振弦的固定振动频率为f,T为压力；L为振弦的长度；p为单位长度的质量。 （31）方程式中，当p 和L 为一定值时, 其固定频率f受压力T 变化, 可以用张力T 和f来测量振动。振弦是在磁场中, 它在频率变化时, 能感应出电势, 感应出来的电势频率就是振弦振动的频率，故测量出电势的频率就可以测量振弦的频率, 即可

33、得出与待测参数相关的张力。振弦式传感器拉伸的长度和自振频率成一定的关系，转动轴接在振弦的两端，运动时会使轴发生扭曲变形引发弦的长度变化，致使振弦的固定频率的变化。3.1.2 振弦式传感器的特性（1）非线性由可知, 振弦式传感器是非线性的特性曲线, 可以采取线性回归, 再进行线性化处理。（2）灵敏度由 灵敏度与弦长L是成反比关系,取一下对数再求导数得: （3-2） 可简化为： （3-3）上式中f 称为振弦的灵敏度，要提高灵敏度就需要是缩短弦长,在保证振弦能够发生振动的情况下,采用细弦,减小抗弯刚度是可以提高灵敏度，无阻尼振动的微分方程中,弦是不能过短, 弦长和直径之比300400之间为最佳。（3

34、) 温度影响振弦传感器的金属材料不同膨胀系数也会不同,导致温度误差不同。减小误差需要选择好金属材料,应当考虑传感器设备结构的自身热平衡,在结构设计和安装要不断调整尺寸和固定的位置, 使温度补偿达到最好的效果。振弦式传感器因温度而影响的力变，温度测量为G，温度的初始值为G，压强的初始值为P，变化量的系数为B，温度系数为K，压强为P，那么大坝或者建筑的内部压力变化值Q为： （3-4）3.2 振弦式传感器电路设计3.2.1振弦式传感器的激励测量好振弦的固定频率f后,还需要激励振弦振动。其中有一种方式是振弦间歇触发激励, 另一种方式是连续激励。（1) 连续激励:振动千变万化在测量中需要使设备一直处在振

35、动状态振动的激励方式, 弦线是振荡线路重要的一部份。电流法振弦线上有电流通过。传感器与测量电路相连接后在通电的情况下, 会有初始的电脉冲流经过振弦。振弦传感器位于磁场中因电磁感应振弦会受到垂直于磁力线的作用, 达到激励振弦的频率振动从而保持振弦的等幅的频率振动,有部份放大的功率会反馈到振弦的两端, 振弦传感器将产生的电压同相到该放大器时是具有增益自动控制功能, 对此能让振弦传感器运用等幅连续振动。图3.1电流法激励示意图（2） 间歇触发激励:一旦电磁的线圈导入一脉冲电流时, 电磁铁会把纯铁片吸引。当电流断开后, 电磁铁自动失去吸力形成振弦被一吸一放的效果, 发生振动的频率就是振弦的固定频率，通

36、上一定周期的脉冲电流的话, 振弦是以间歇地振动使振弦发生振动时形成感应电势达到从电磁线圈中输出。振弦式传感器通过一根张紧的金属丝，采用间接激发法，在电激励下，产生固有频率振动，经过测量固有频率，可测量出振弦张力的大小激励脉冲消失，经过短暂的时间后，振弦式传感器输出固有频率信号。 图3.2 间歇激励示意图3.2.2 激励电路振弦式传感器通过一根张紧的金属丝，采用间接激发法，在电激励下，产生固有频率振动，经过测量固有频率，可测量出振弦张力的大小。TR IN0由单片机控制，TRI0 _P和TRI0 _N接入传感器，当TR IN0为高电平时，BG1，BG2，BG3同时导通高压脉冲激励信号，当TR IN

37、0为低电平时，BG1，BG2，BG3 同时截止，激励脉冲消失，经过短暂的时间后，振弦式传感器输出固有频率信号。 图3.3 激励电路3.2.3信号的放大滤波与整形电路振弦传感器的信号是比较差的，需要设计信号调理电路，当信号不能被送到主控器中运行处理，对此要设计调节信号电路将信号调到能被主控器所接收的信号。在振弦传感器的输出端加上滤波电路、放大电路，传感器的激励信号是能够起到加强的作用。采用模拟开关来放大倍数，通过调档数选择实际情况放大倍数的那一档，具体的选择哪个档位是由控制器来控制实现的。测量部分设计还要有滤波器，用来消除外部环境的干扰，提升频率输出的稳定性。测量设计一个5KHz的低通滤波器与2

38、00 Hz的高通滤波器，用这些构成需要的带通滤波器。测量参数中传感器频率和温度检测是由振弦式传感器输出的频率在一个幅度不停的衰减过程中要利用好信号调理电路，信号调理电路主要包含滤波放大和信号整形。滤波放大性能是用来滤除振弦信号以外的高频干扰噪声而维持输出信号有充足的振幅。图3.4 信号放大滤波和整形电路图3.3 IAP15F2K61S2的功能及内部结构3.3.1控制器的功能在主控器中处理功能是至关重要的，主要包含程序的下载和显示处理及转换功能的实现。（1）设计一键下载按键，在频繁开关电源来下载程序，只要轻触一下就可以实现下载程序；（2）实时钟芯片DS1302具有带后备电池在断电时也可保存时钟信

39、息；（3）EEPROM芯片用来保存系统常用的数据，当EEPROM断电时是可以依旧保存数据不丢失；（4）2x3行列按键，可做行列键盘扫描和输入实现人机交流功能；（5）源蜂鸣器用来做报警；（6）74HC595锁存器芯片，用于驱动数码管显示。3.3.2单片机STC IAP15F2K61S2的内部结构1. STC IAP15F2K61S2单片机的组成中央处理器CPU、程序存储器Flash、数据存储器SRAM、看门狗、定时器、CCP/PWM/PCA、I/O口，高精度的R/C振荡器和高可靠复位模块。其中STC IAP15F2K61S2单片机包含了数据的采集和控制运算的单元模块。 图3.5 STC15F2K

40、61S2单片机的内部结构图2.单片机STC IAP15F2K61S2的管脚图单片机焊接比较容易，包括电源引脚、外接晶体引脚、控制和复位引脚、输入/输出（I/O）引脚。图3.6 STC15F2K61S2单片机管脚图3.4单片机最小系统构成单片机中最小系统是指在外部电路条件下可以使单片机独立的工作系统。STC15F2K61S2是集成了60KB程序存储器、2048字节RAM、高可靠复位电路与高精度的R/C振荡器，一般情况下是不用外部复位电路和外部晶振只需要接上电源就能在VCC和GND之间连接上滤波电容C7和C8，就能使单片机正常运行，通过对其进行存储扩展、A/D扩展来添加单片机的完整功能。图3.7

41、单片机最小系统构成电路3.5 RTC电路实时时钟晶振电路设计中（1）电源引脚VCC接电源的5V；（2）外接晶体引脚XTAL1和XATL2芯片内部一个反相放大器的输入端和输出端用来连接晶体振荡器。STC15F2K61S2单片机中高精度R/C振荡器，工作可以用内部振荡器或者外部晶体振荡器产生的时钟，使用内部R/C振荡器时钟时，XTAL1和XTAL2引脚悬空。使用外部晶振时连接方法是相同的； DS12302时钟芯片中以SPI 接口和CPU 同步来进行通信，采取突发的方式，传送的数据和多个字节的时钟信号。时钟可以具体到时分秒与年月日。时钟模块的电路作用支持提供每一个振弦式传感器受到的压力之时输出的频率

42、值。表3.1 DS1302引脚功能与内部结构表引脚号引脚名称功能1VCC2主电源2、3X1、X2振荡源，外接32768Hz晶振4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行时钟输入端8VCC1后备电源图3.8 实时时钟电路设计3.6 温度传感器电路3.6.1 主板DS18B20温度传感器单线数字温度传感器DS18B20把温度信号直接转换成数字信号，可通过简单的编程实现912位的数字值来读数，能分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。不要另加电源可以在片内的电容中输出电就能工作，可通过信号线供电，电源电压范围3.3V5V；温度测量范围从-55+125，-10+85时测量精度达到0.5；温度是“一线总线”数字方式传输的，