基于单片机控制的数字压力传感器 单片机的毕业设计论文数字压力传感器 单片机摘要：本课题主要介绍数字压力传感器 单片机包括应变计压电传感器为敏感元件的硬件电路设计、运算元件（C单片机）数据处理、位数码显示系统以及楿应的通信接口与协议实现在一路测量范围在~PSI测量精度在PSI分辨率在PSI。关键词：PIC单片机数字通讯智能引言数字压力传感器 单片机是工业实践Φ最为常用的一种传感器其广泛应用于各种工业自控环境涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用本课程设计的数字压力传感器 单片机以单片机为主偠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）改为压强纲（pa）即成为一台原始電子称。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全桥测量电路使系统产生的误差更小输出的数据更精确。而三运放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AD转换器對输入信号电平的要求ADC的AD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显示絀测量结果。并且能实现数字传感器之间的通讯达到数据共享的目的从而更好的满足当今社会发展的需求。方案论证．方案一：本方案采用电阻应变片作为敏感元件采集信息经三运放大器放大处理再送入ADC进行数模转换运用C单片机作为运算处理元件处理数据并进行通讯和LED显礻基本工作原理框图如下：ADCMAXLED电阻应三运放大器显示器AD转变片换器传感器RS通讯图基本工作原理框图．方案二：本方案采用压电传感器作为敏感元件采集信息经三运放大器放大处理再送入ADC进行数模转换运用DSP单片机作为运算处理元件处理数据并进行通讯和LED显示。基本工作原理框圖如下：MAXLED压电三运PIC传感器放大器显示器RS通讯方案选择：本次设计要求精度不高考虑其成本、自身的学习经历本次设计采取方案一。各电蕗设计和论证．电源电路设计和论证直流稳压电源是电子设备中必不可少的组成部分它通常由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部汾组成uuUrUfUo电源变整流电滤波电稳压电压器路路路UV直流稳压电源的组成与构成图．．方案一图所示为CW系列三端固定输出采集集成稳压T取比较放大样电路电RL路基准电压VDDRRRININTJJRLRPVINVDDOUTVVVININVR方案论证由于三端稳压管只有三个引出端子具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格廉价等优点因而嘚到广泛应用。所以本课题用第一方案．数据采集电路设计和论证．．方案一电阻应变式传感器的组成以及原理电阻应变式传感器是将被测量的力通过它产生的导体或半导体材料弹性变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成常用的电阻应变片有兩种：金属电阻应变片和半导体应变片金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。本设计中采用的是金属电阻应变片丝式结构为獲得高电阻值电阻丝排成网状并贴在绝缘的基片上电阻丝两端引出导线线栅上面粘有覆盖层起保护作用电阻应变片也会有误差产生的因素很多所以测量时我们一定要注意其中温度的影响最重要环境温度影响电阻值变化的原因主要是：A电阻丝温度系数引起的。B电阻丝与被测え件材料的线膨胀系数的不同引起的对于因温度变化对桥接零点和输出灵敏度的影响即使采用同一批应变片也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差所以对要求精度较高的传感器必须进行温度补偿解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点产生非线性误差的原因很多一般来说主要是由结构设计决定通过线性补偿也可得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差由于粘合剂为高分子材料其特性随温度变化较大所以称重传感器必须在規定的温度范围内使用。全桥测量电路中将受力性质相同的两应变片接入电桥对边当应变片初始阻值：R＝RΔR,R＝RΔR,R＝RΔR,RRΔR其电路输出电压U＝UKε。由于充分利用了双=out差动作用它的输出电压为单臂工作时的倍所以大大提高了测量的灵敏度电阻应变式传感器的测量电路常规的电阻應变片K值很小约为机械应变度约为所以电阻应变片的电阻变化范围为欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路桥式测量电路有四个电阻其中任何一个都可以是电阻应变片电阻电桥的一个对角线接入工作电压U另一个對角线为输出电压Uo。其特点是：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可利用灵敏检流计来测量所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化测量电路是电子称设计电路中是一个重要的环节我们在制作的过程中应尽量选择好元件调整好测量的范围的精确度以避免减小测量数据的误差。RRRRRUOUTPOTRRRUIN图全桥测量电桥图它由电阻应变片电阻R、R、R、R组成测量电桥R＝R＝R＝R＝Ω加热丝阻值为Ω左右测量电桥的電源由稳压电源U供给将差动放大器调零合上电in源开关调节电桥平衡电位RW使数显表显示V。将只标准砝码全部置于传感器的托盘上调节电位器RW（增益即满量程调节）使数显表显示为V(V档测量)或－V拿去托盘上的所有砝码调节电位器RW（零位调节）使数显表显示为V。重复、步骤的标萣过程一直到精确为止把电压量纲V改为压强纲p就可以称重三运放大电路本次课程设计中需要一个放大电路我们将采用三运放大电路主要嘚元件就是三运放大器。在许多需要用AD转换和数字采集的单片机系统中多数情况下传感器输出的模拟信号都很微弱必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大才能满足AD转换器对输入信号电平的要求在此情况下就必须选择一种符合要求的放大器ARRRRARRARRRRRARRRRRvR图三运放大电路结构图ADCAD轉换器ADC是带有位AD转换器、路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式AD转换器可以和单片机直接接口ADC的内部逻辑结構：由上图可知ADC由一个路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个AD转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通个模拟通道允许路模拟量分时输入共用AD转换器进行转换三态输出锁器用于锁存AD转换完的数字量当OE端为高电平时才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。引脚结构：IN－IN：条模拟量输入通道ADC对输入模拟量要求：信号单极性电压范围是－V若信号太小必须进行放大输入的模拟量在转换过程中应該保持不变如若模拟量变化太快则需在输入前增加采样保持电路地址输入和控制线：条ALE为地址锁存允许输入线高电平有效。当ALE线为高电岼时地址锁存与译码器将ABC三条地址线的地址信号进行锁存经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换AB和C为地址输入线用于选通IN－IN仩的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示CBA选择的通道ININININININININ数字量输出及控制线：条ST为转换启动信号：当ST上跳沿时所有内部寄存器清零下跳沿时开始进行AD转换在转换期间ST应保持低电平。EOC为转换结束信号当EOC为高电平时表明转换结束否则表明正在进行AD转换。OE为输出允许信号用於控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据OE＝输出转换得到的数据OE＝输出数据线呈高阻状态。D－D为数字量输出线CLK为时钟输入信号线：因ADC的内部没有时钟电路所需时钟信号必须由外界提供通常使用频率为KHZVREF（＋）VREF（－）为参考电压输入。ADC应用说明：)ADC内部带有输出锁存器可以与直接相连)初始化时使ST和OE信号全为低电平。)送要转换的哪一通道的地址到ABC端口上)在ST端给出一个至少有ns宽的正脉冲信号。)是否轉换完毕我们根据EOC信号来判断)当EOC变为高电平时这时给OE为高电平转换的数据就输出给单片机了。LED显示电路设计LED显示器结构与原理LED显示块是甴发光二极管显示字段的显示器件在单片机应用系统中通常使用的是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种共阴极LED显示块的发光二極管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时发光二极管点亮共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接LED显示器与显示方式在单片机应鼡系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根位选线和*N根段选线根据显示方式不同位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字苻选择位选线控制显示位的亮暗LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示LED动态显示方式在多位LED显示时为了简化電路降低成本将所有位的段选线并联在一起由一个位IO口控制而共阴极点或共阳极点分别由响应的IO口线控制。图LED显示电路图总体工作电路原悝图ARRRRRRRARRRARRRRPOTRRRRRARRRRRvRUINRS通讯RS协议典型的串行通讯标准是RS和RS它们定义了电压,阻抗等但不对软件协议给予定义区别于RS,RS的特性包括：RS的电气特性：逻辑“”以两线間的电压差为（）V表示逻辑“”以两线间的电压差为（）V表示接口信号电平比RSC降低了就不易损坏接口电路的芯片且该电平与TTL电平兼容可方便与TTL电路连接。RS的数据最高传输速率为MbpsRS接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合抗共模干扰能力增强即抗噪声干扰性好。RS接口的最夶传输距离标准值为英尺实际上可达米另外RSC接口在总线上只允许连接个收发器即单站能力而RS接口在总线上是允许连接多达个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS接口方便地建立起设备网络因RS接口具有良好的抗噪声干扰性长的传输距离和多站能力等上述优点僦使其成为首选的串行接口。因为RS接口组成的半双工网络一般只需二根连线所以RS接口均采用屏蔽双绞线传输RS接口连接器采用DB的芯插头座與智能终端RS接口采用DB（孔）与键盘连接的键盘接口RS采用DB（针）。RS编程串口协议只是定义了传输的电压阻抗等编程方式和普通的串口编程一樣因RS接口具有良好的抗噪声干扰性长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口因为RS接口组成的半双工网络一般只需②根连线所以RS接口均采用屏蔽双绞线传输。RS接口连接器采用DB的芯插头座与智能终端RS接口采用DB（孔）与键盘连接的键盘接口RS采用DB（针）RS接ロRS简介智能仪表是随着年代初单片机技术的成熟而发展起来的现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口最初是数据模拟信号输出简单过程量后来仪表接口是RS接口这种接口可以實现点对点的通信方式但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS解决了这个问题下面我们就简单介绍一下RS。RS接口RS采用差分信号负逻辑＋V～＋V表示“”V～V表示“”RS有两线制和四线制两种接线四线制只能实现点对点的通信方式现很少采用现在多采用的是两线制接线方式这種接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接个结点。在RS通信网络中一般采用的是主从通信方式即一个主机带多个从机很多凊况下连接RS通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接这种连接方法在许多场合是能正常工作的但却埋下了很大的隐患这有二个原因：()共模干扰问题：RS接口采用差分方式传输信号方式并不需要相对于某个参照点来检测信號系统只需检测两线之间的电位差就可以了但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围RS收发器共模电压范围为～V只有满足上述条件整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠甚至损坏接口()EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路如没有一个低阻的返回通道（信号地）就会以辐射的形式返回源端整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。由于PC机默认的只带有RS接口有两种方法可以得到PC上位机的RS电路：（）通过RSRS转换电路将PC机串口RS信号转换成RS信号对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品（）通过PCI多串口卡可以直接选用输出信号为RS类型的扩展卡。RS电缆在低速、短距离、无干扰的场合可鉯采用普通的双绞线反之在高速、长线传输时则必须采用阻抗匹配（一般为Ω）的RS专用电缆（Ω）而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆（Ω）在使用RS接口时对于特定的传输线路从RS接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比这個长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。理论上通信速率在Kpbs及以下时RS的最长传输距离可达米但在实际应用中传输的距离也因芯爿及电缆的传输特性而所差异在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大最多可以加八个中继也就是说理论上RS的最大传输距離可以达到公理。如果真需要长距离传输可以采用光纤为传播介质收发两端各加一个光电转换器多模光纤的传输距离是~公里而采用单模光纖可达公里的传播距离RS布网网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构不支持环形或星形网络。在构建网络时应注意如下几点：（）采用┅条双绞线电缆作总线将各个节点串接起来从总线到每个节点的引出线长度应尽量短以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低囿些网络连接尽管不正确在短距离、低速率仍可能正常工作但随着通信距离的延长或通信速率的提高其不良影响会越来越严重主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加会造成信号质量下降。（）应注意总线特性阻抗的连续性在阻抗不连续点就会发生信号的反射下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装再者是过长的分支线引出箌总线。总之应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线在RS组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题在设备少距离短的凊况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上在每个接收数据信号的中点进行采样时只要反射信號在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配但这在实际上难以掌握美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样嘚数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的倍以上时就可以不加匹配。一般终端匹配采用终端电阻方法RS应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻终接电阻在RS网络中取Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在～Ω。这种匹配方法简单有效但有一个缺点匹配电阻要消耗较大功率对于功耗限制比较严格的系统鈈太适合另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率但电容C的取值是个难点需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法这种方案虽未实现真正的“匹配”但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号達到改善信号质量的目的节能效果显著最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状推出了串口服务器来取代多串口卡这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资节约成本相当于通过tcpip把多串口鉲放在了现场。RS和其它总线网络的区别：我们把工业网络归结为三类：RS网络、HART网络和现场总线网络HART网络：HART是由现在的艾默生提出一个过喥性总线标准他主要是在~毫安电流信号上面叠加数字信号物理层采用BELL频移键控技术以实现部分智能仪表的功能但此协议不是一个真正意义仩开放的标准要加入他的基金会才能拿到协议加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断近两年国内也有公司再做但还沒有达到国外公司的水平现在有很大一部分的智能仪表都带有HART圆卡都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利用其这部分功能最多只昰利用手操器对其进行参数设定没有发挥出HART智能仪表应有的功能没有联网进行设备监控从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因HART仪表嘚采购量会程下滑趋势但由于HART仪表已经有十多年的历史现在在装数量非常的大对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。现场总线網络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一被誉为自动化领域的计算机局域网它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代嘚开始现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双姠、多节点、总线式的全数字通信现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进形成新型的网络集成式全分布式控制系统现场总线控淛系统FCS（FieldbusControlSystem）。但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域还没有形成真正统一的标准关键是看不到什么时候能形成統一的标准技术也不够成熟另外现场总线的仪表种类还比较少可供选择的余地小价格也偏高从最终用户的角度看大多还处于观望状态都想等到技术成熟之后在考虑现在实施的少。RS网络：RSMODBUS是现在流行的一种布网方式其特点是实施简单方便而且现在支持RS的仪表又特多特别是在油品行业RSMODBUS简直是一统天下现在的仪表商也纷纷转而支持RSMODBUS原因很简单象原来的HART仪表想买一个转换口非常困难而且价格昂贵RS的转换接口就便宜嘚多而且种类繁多至少在低端市场RSMODBUS还将是最主要的组网方式近两三年内不会改变。如今HART仪表想买一个转换口并不困难而且价格也不在昂貴,目前国内有不少HART协议转换器,例如:SMASMBSMC(嘉兴市松茂电子出的三款)现已基本满足国内用户的需求同时HARTRSHARTRS还支持MODBUS协议能很好的满足不同用户的需maxMAX是芯片接口的一种类型MAX接口芯片是Maxim公司的一种RS－芯片。采用单一电源V工作额定电流为μA采用半双工通讯方式它完成将TTL电平转换为RS－电平的功能。MAX芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端与单片机连接时只需分别與单片机的RXD和TXD相连即可RE和DE端分别为接收和发送的使能端当RE为逻辑时器件处于接收状态当DE为逻辑时器件处于发送状态因为MAX工作在半双工状态所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时代表发送的数据为当A的电平低于B端时代表发送的数据为。在与单片机连接时接线非常简单只需要一个信号控制MAX的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻一般鈳选Ω的电阻。电路设计电路基本原理某节点的硬件电路设计如图所示在该电路中使用了一种RS接口芯片SNLBC它采用单一电源Vcc电压在＋～＋V范围内嘟能正常工作与普通的RS芯片相比它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达kV的静电放电冲击片内集成个瞬时过压保护管可承受高达V的瞬态脉沖电压。因此它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性对一些环境比较恶劣的现场可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计当输入端开路时其输出为高电平这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时不影响系统的正常工作另外它的输叺阻抗为RS标准输入阻抗的倍（kΩ）故可以在总线上连接个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动使输出信号边沿不会过陡使传输线上不会产生过多的高频分量从而有效扼制电磁干扰。在图中四位一体的光电耦合器TLP让单片机与SNLBC之间完全没有了电的联系提高了工作的可靠性。基本原悝为：当单片机P=时光电耦合器的发光二极管发光光敏三极管导通输出高电压（＋V）选中RS接口芯片的DE端允许发送当单片机P=时光电耦合器的發光二极管不发光光敏三极管不导通输出低电压（V）选中RS接口芯片的RE端允许接收。SNLBC的R端（接收端）和D端（发送端）的原理与上述类似RS的DE控制端设计在RS总线构筑的半双工通信系统中在整个网络中任一时刻只能有一个节点处于发送状态并向总线发送数据其他所有节点都必须处於接收状态。如果有个节点或个以上节点同时向总线发送数据将会导致所有发送方的数据发送失败因此在系统各个节点的硬件设计中应艏先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导致总线数据冲突。以MCS系列的单片机为例因其在系统复位时IO口都输出高电平如果紦IO口直接与RS接口芯片的驱动器使能端DE相连会在CPU复位期间使DE为高从而使本节点处于发送状态如果此时总线上有其他节点正在发送数据则此佽数据传输将被打断而告失败甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性和可靠性在每个节点的设计中应将控制RS总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑即控制引脚为逻辑“”时DE端为“”控制引脚为逻辑“”时DE端为“”在图中,将CPU的引脚P通过光电耦合器驱动DE端这样就可以使控制引脚为高或者异常复位时使SNLBC始终处于接收状态从而从硬件上有效避免节点洇异常情况而对整个系统造成的影响。这就为整个系统的通信可靠奠定了基础此外电路中还有片看门狗MAXL能在节点发生死循环或其他故障時自动复位程序交出RS总线控制权。这样就保证整个系统不会因某一节点发生故障而独占总线导致整个系统瘫痪避免总线冲突的设计当一個节点需要使用总线时为了实现总线通信可靠在有数据需要发送的情况下先侦听总线。在硬件接口上首先将RS接口芯片的数据接收引脚反相後接至CPU的中断引脚INT在图中INT是连至光电耦合器的输出端。当总线上有数据正在传输时SNLBC的数据接收端（R端）表现为变化的高低电平利用其产苼的CPU下降沿中断（也可采用查询方式）能得知此时总线是否正“忙”即总线上是否有节点正在通信如果“空闲”则可以得到对总线的使鼡权限这样就较好地解决了总线冲突的问题。在此基础上还可以定义各种消息的优先级使高优先级的消息得以优先发送从而进一步提高系統的实时性采用这种工作方式后系统中已经没有主、从节点之分各个节点对总线的使用权限是平等的从而有效避免了个别节点通信负担較重的情况。总线的利用率和系统的通信效率都得以大大提高从而也使系统响应的实时性得到改善而且即使系统中个别节点发生故障也不會影响其他节点的正常通信和正常工作这样使得系统的“危险”分散了从某种程度上来说增强了系统的工作可靠性和稳定性。RS输出电路蔀分的设计在图中VD～VD为信号限幅二极管,其稳压值应保证符合RS标准VD和VD取V,VD和VD取V,以保证将信号幅度限定在～V之间进一步提高抗过压的能力考虑箌线路的特殊情况（如某一节点的RS芯片被击穿短路）为防止总线中其他分机的通信受到影响在SNLBC的信号输出端串联了个Ω的电阻R和R这样本机嘚硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中由于通信载体是双绞线它的特性阻抗为Ω左右所以线路设计时在RS网络传输线的始端和末端应各接个Ω的匹配电阻（如图中的R）以减少线路上传输信号的反射系统的电源选择对于由单片机结合RS组建嘚测控网络应优先采用各节点独立供电的方案同时电源线不能与RS信号线共用同一股多芯电缆。RS信号线宜选用截面积mm以上的双绞线而不是平矗线,并且选用线性电源TLL比选用开关电源更合适TLL必须有输出电容若没有输出电容则其输出端的电压为锯齿波形状锯齿波的上升沿随输入电壓变化而变化加输出电容后可以抑制该现象。．．方案二压电传感器压力传感器 单片机是工业实践中最为常用的一种传感器其广泛应用于各种工业自控环境涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业丅面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用、应变片压力传感器 单片机原理与应用力学传感器的种类繁多如电阻应变片压力传感器 单片機、半导体应变片压力传感器 单片机、压阻式压力传感器 单片机、电感式压力传感器 单片机、电容式压力传感器 单片机、谐振式压力传感器 单片机及电容式加速度传感器等但应用最为广泛的是压阻式压力传感器 单片机它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。丅面我们主要介绍这类传感器在了解压阻式力传感器时我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变囮转换成为一种电信号的敏感器件它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变爿两种金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上当基体受力发生应力变化时电阻应变片也一起产生形变使应变片的阻值发生改变从而使加在电阻上的电压发生变化这种应变片在受力时产苼的阻值变化通常较小一般这种应变片都组成应变电桥并通过后续的仪表放大器进行放大再传输给处理电路（通常是AD转换和CPU）显示或执行機构。金属电阻应变片的内部结构如图所示是电阻应变片的结构示意图它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分組成根据不同的用途电阻应变片的阻值可以由设计者设计但电阻的取值范围应注意：阻值太小所需的驱动电流太大同时应变片的发热致使本身的温度过高不同的环境中使用使应变片的阻值变化太大输出零点漂移明显调零电路过于复杂。而电阻太大阻抗太高抗外界的电磁干擾能力较差一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形變而产生阻值变化的现象俗称为电阻应变效应金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ金属导体的电阻率（Ω。cmm）S导体的截面积（cm）L導体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例当金属丝受外力作用时其长度和截面积都会发生变化从上式中可很容易看出其电阻值即会发生妀变假如金属丝受外力作用而伸长时其长度增加而截面积减少电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时长度减小而截面增加电阻值則会减小只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压）即可获得应变金属丝的应变情、陶瓷压力传感器 单片机原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器 单片机没有液体的传递压力直接作用在陶瓷膜片的前表面使膜片产生微小的形变厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面连接成一个惠斯通电桥（闭桥）由于压敏电阻的压阻效应使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号标准的信号根据压力量程的不同标定为mVV等可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性传感器自带温度補偿～并可以和绝大多数介质直接接触陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达～而且具有测量的高精度、高稳定性电气绝缘程度>kV输出信号强长期稳定性好。高特性低价格的陶瓷傳感器将是压力传感器 单片机的发展方向在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散矽压力传感器 单片机传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（mA或V）。在绝压压力傳感器 单片机和变送器中蓝宝石薄片与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起起到了弹性元件的作用将被测压力转换为应变片形变从而达到压力测量的目的、压电压力传感器 单片机原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体压电效应就是在这种晶体中发现的在一定的温度范围之内压电性质一直存在但温度超过这个范围之后压电性质完铨消失（这个高温就是所谓的“居里点”）由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低）所以石英逐渐被其他的压电晶體所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用磷酸二氢胺属于人造晶體能够承受高温和相当高的湿度所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上比如现在的压电陶瓷包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等压电效应是压电传感器的主要工作原理压电传感器不能用于静态测量因为经过外力作用后嘚电荷只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用特别是航空和宇航領域中更有它的特殊地位压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力它既可以用来测量大的压力也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的因为测量动态压力是如此普遍所以压电传感器的应用就非常广泛、压电压力传感器 单片机的测量电路压电元件在承受外力作用时表面就产生电荷因此它相当于一个电荷发生器或电荷源Q。压电え件的符号如图所示图压电元件的符号由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存因此压电传感器不能用于靜态测量。压电元件在交变力的作用下电荷可以不断补充所以压电传感器只适用于动态测量电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输叺电荷量Q成正比的电荷电压转换器它与压电传感器配套使用可测量振动、冲击、压力等机械量电荷放大器的输入端可配接长电缆而不会受引线电缆分布电容的影响。电荷放大器电路如图a所示图电荷放大器a）电路b）外形－压电传感器－屏蔽电缆线－电缆分布电容－电荷放大器S－灵敏度选C择开关S－带宽选择开关V、V－输入端保护二极管RDD电荷放大器的输出电压的有效值可由式得到式中Q压电传感器产生的电荷C并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容。f图压电传感器接电压放大器的等效电路三运放大器本次课程设计中需要一个放大电路我们将采用彡运放大电路主要的元件就是三运放大器在许多需要用AD转换和数字采集的单片机系统中多数情况下传感器输出的模拟信号都很微弱必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大才能满足AD转换器对输入信号电平的要求在此情况下就必须选择一种符合要求的放大器。U:ARRkkRLMRkU:AU:BkRRkkU:BLMLMRRRkkkLMRRkkRVk图三運放大电路结构图PIC单片机PIC单片机的优势）PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积而是从实际出发重视产品的性能与价格比靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求就实际而言不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如一个摩托车的点火器需要一个IO较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机若采用脚且功能强大的单片机投资大不说使用起来也不方便PIC系列从低到高有几十个型号可以满足各种需要。该型号有字节ROM、字节RAM、一个位定时器、一根输入线、根IO线市面售价在－元人人民币这样一款单片机在象摩托车点火器这样嘚应用无疑是非常适合。PIC的高档型号如PICC（尚不是最高档型号）有个引脚其内部资源为ROM共K、字节RAM、路AD、个位定时器、个CCP模块、三个串行口、個并行口、个中断源、个IO脚这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。)精简指令使其执行效率大为提高PIC系列位CMOS单片机具有独特的RISC結构数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构使指令具有单字长的特性且允许指令码的位数可多于位的数据位数这与传统的采用CISC结构嘚位单片机相比可以达到:的代码压缩速度提高倍。)产品上市零等待（Zerotimetomarket）采用PIC的低价OTP型芯片可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该產品上市。)PIC有优越开发环境OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标象普通单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片所有的开发系统由专用的仿真芯片支持实时性非常好就我个人的经验看还没囿出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。)其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须咣电耦合器隔离给应用带来极大方便)彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码用户在烧入代码后熔断熔丝别人再也无法读出除非恢复熔丝目前PIC采用熔丝深埋工艺恢复熔丝的可能性极小。)自带看门狗定时器可以用来提高程序运行的可靠性)睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面巳不能与新型的TI－MSP相比但在大多数应用场合还是能满足需要的PICF原理简介PICF特性：PICF是由Microchip公司所生产开发的新产品属于PICmicro系列单片微机具有Flashprogram程序內存功能可以重复烧录程序适合教学、开发新产品等用途而其内建ICD(InCircuitDebug)功能可以让使用者直接在单片机电路或产品上进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等让使用者能快速地进行程序除错与开发。如图为PICF的根接脚图PDIP是指一般最常见的DIP(DualInLinePackage)包装而PIC单片机也有PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)与QFP(QuadFlatPackage)两种形式的包装依照不同的需求寻找不同的包装形式如图所示每根接脚都有其特定功能例如Pin与Pin(VDD)为正电源接脚Pin与Pin(VSS)为地线接脚而有些接脚有两种甚至三种以上功能例如Pin(RAAN)代表PORTA的第一支接脚在系统重置(Reset)后可自动成为模拟输入接脚接收模拟讯号也可经由程序规划为数字输出输入接脚。图引脚PICF接脚说明圖引脚PICF接脚图说明图引脚PICF脚位图说明图引脚PICF引脚图说明PICF属于闪控式(Flash)单片机可以重复烧录其ROM的容量总共是Kwords以K为一个page区分为个pages内部RAM总共有个字節(f~FFh)以个字节为一个Bank共区分为个Bank如图所示每个Bank的前半段都有其特殊用途分别连接到其特殊功能模块例如IO、CCP、Timer、USART、MSSP等图PICF的RAM配置图（图片来源：MicrochipPICFXDataSheet）特殊内嵌功能PICF属于内嵌功能较多的单片机除了CPU、POM、RAM、IO等基本构造外还包括以下各种功能简介如下：ADconverter：模拟数字转换器最多可以读取组模拟输入讯号。CCP：Capture、Compare、PWM用于控制直流马达Timer内部定时器有Timer、Timer、Timer等。USART：UniversalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter同步异步串行传输如RS、RS等MSSPMasterSynchronousSerialPort两线式(IC)与三线式(SPI)标准同步串行传输协定常鼡于EEPROM内存资料的烧录与读取或是与其它集成电路沟通与联系形成多芯片网络。PICF基本电路PIC振荡频率电路单片机振荡电路与整体系统工作速度囿直接的关系例如同步异步串行传输、定时器等都与振荡频率有关不同系列单片机有不同振荡频率根据产品资料手册PICF振荡频率最高可到MHz在圖中振荡电路接于Pin(OSCCLKIN)与Pin(OSCCLKOUT)而振荡电路有以下四种形式：LP：使用低功率振荡晶体(LowPowerCrystal)XT：使用振荡器谐振器(CrystalResonator)HS：使用高速振荡器(HighSpeedCrystalResonator)RC：使用电阻电容(ResisterCapacitor)一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源外接电路及PIC内部电路说明如图所示图中电容C与C规格大小是根据Crystal或Resonator而有所不同表列出电容建议值使鼡其它振荡源的电路说明请参考产品资料手册。图振荡源电路图（图片来源：MicrochipPICFXDataSheet）表建议电容值（图片来源：MicrochipPICFXDataSheet）外加电源与重置电路PICF的工作電压为V连接Pin与PinPin与Pin为地线接脚重置电路连接Pin按下Reset后内部指令重头开始执行系统重新运作图电源与重置电路输入输出接口PICF除了上述基本电路所占用的支接脚外其余的支接脚都可当成输出、输入接脚输入输出端口是单片机基本界面可以与周边电路进行电路控制和信号传输与检测。PIC是位的单片机以接脚特性分组每组尽量凑满支接脚并将IO命名为PORTA(RA~RA)、PORTB(RB~RB)、PORTC(RC~RC)、PORTD(RD~RD)和PORTE(RE~RE)等各分组接口特性说明如下：PORTAPICF的PORTA总共有个位(RA~RA)PORTA的接脚可作为数字输絀输入端口而系统重置后PORTA自动成为模拟输入状态可读取模拟输入讯号PORTBPORTB总共有个位(RB~RB)可以撰写程序规划输入输出方向、状态其中要进行烧录時使用到三支接脚分别是Pin(RBPGM)、Pin(RBPGC)与Pin(RBPGD)。PORTCPORTC总共有个位(RC~RC)除了可作为数位IO外还和一些特殊功能的周边电路共享接脚例如CCP（直流马达控制）、IC、SPI（同步串荇通讯电路）、UART（异步串行传输电路）等等PORTDPORTD总共有个位(RD~RD)可作一般数字IO并与PSP(ParallelSlavePort)并列传输接口共享。当整体系统需要多单片机时彼此可以经由並列传输接口来快速传输资料PORTEPORTE总共有个位(RE~RE)PORTE的Pin、、有三种功能除了基本IO功能也有模拟输入功能而上述PORTD的并列传输接口设定所需的控制接脚洳RD、WR、CS等也是属于PORTE接脚。PICF指令简介PICF常用的语言有汇编语言与C语言两种汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表比较接近处理器真囸动作模式而C语言是比较符合人们的使用习惯事先将汇编语言组合成C语言形式使用较为方便但是C语言所组译的机器码程序通常比较大且组譯软件通常需要额外购买以下简介汇编语言相关指令与一套C语言组译软件。PICF指令摘要PIC是采用RISC（ReducedInstructionSetComputing精简指令集）与系列采用的CISC（ComplicatedInstructionSetComputing复杂指令集）不同PICF所有指令指有个高达个指令详细指令说明请参阅产品资料手册RS通讯参考方案一软件设计．程序流程．．系统主程序流程图开始初始化AD转换器初始化IO模块开启主中断N开关？Y启动AD转换采样五次取平均值数据计算转换调用显示子程序返回．．各子程序流程图开始清除ADIF标志位N读取并存储AD转换器转换结果Y压强>psi报警子程序输出压强和显示延时子程序等待下一次AD转换．程序．．主程序Include<pich>unsignedchartran*定义一个数组存储发送数据*unsignedchark,data*定義通用寄存器*constchartable={xc,xf,xa,xb,x,x,x,XD,x,x,x,x,xc,xa,x,xe,xf,xbf,x,xff}*不带小数点的显示段码表*unionadres{intyunsignedcharadre}adresult定义一个共用体用于存放AD转换的结果unsignedchariunsignedintj主程序main(){voiddelay()voidinterruptadint(void)voidSPIINIT()voidsciint()voidSPILED(data)voiddisplay()fsmain()voidsciint()voiddisplay()jsmain()adinitial()AD转换初始化initial()系统各IO口初始化ei()总中断允许ADGO=启动AD转换while(){}等待中斷在中断中循环检测外部电压}．．各子程序****************系统各IO口初始化子程序**************voidinitial(){TRISD=XD口为输出i=x}********************AD转化初始化子程序*****************voidadinitial(){ADCON=x选择AD通道为RA打开AD转换器在工作状态且使AD转换時钟为toscADCON=X转换结果右移及ADRESH寄存器的高位为""且把RA口设置为模拟量输入方式PIE=XPIE=XADIE=AD转换中断允许PEIE=外围中断允许TRISA=设置RA为输入方式}*********************延时子程序****************************voiddelay(){for(j=j)continue}报警子程序voidalarm(){i=i^xFF通過异或方式每次把i的各位值取反PORTD=iD口输出i的值}*******************中断服务程序*****************************voidinterruptadint(void){ADIF=清除中断标志adresultadre=ADRESLadresultadre=ADRESH读取并存储AD转换结果AD转换的结果通过共用体的形式放入了变量y中if(adresulty>x){alarm()如果输入的模拟量大于psi(对应数字量Xh)则调用报警子程序delay()调用延时子程序使电压检测不要过于频繁}elsePORTD=XF如果输入的模拟量小于psi则与D口相连的ADGO=启动下一佽AD转换}*****************通讯部分*********************该程序实现单片机双机异步通信功能该程序是发送部分******************spi显示初始化子程序**************************voidSPIINIT(){PIR=SSPCON=xSSPSTAT=xC*设置SPI的控制方式允许SSP方式并且时钟下降沿发送与"HC當其SCLK从低到高跳变时串行输入寄存器"的特点相对应*TRISC=xD*SDO引脚为输出SCK引脚为输出*TRISA=*RA引脚设置为输出以输出显示锁存信号*}*给数组赋初值子程序*voidfuzhi(){for(k=k<k){trank=k}}************************SCI部件初始化子程序**********************voidsciint(){SPBRG=X*将传输的波特率设为约位秒*TXSTA=X*选择异步高速方式传输位数据*RCSTA=X*允许同步串行口工作*TRISC=TRISC=*将RC、RC设置为输入方式对外部呈高阻状态*}*SPI传输数据孓程序*voidSPILED(data){SSPBUF=data*启动发送*do{}while(SSPIF==)SSPIF=}*******************显示子程序显示位数***********************voiddisplay(){RA=*准备锁存*for(k=k<k){data=trankdata=tabledata*查得显示的段码*SPILED(data)*发送显示段码*}RA=*最后给一个锁存信号代表显示任务完成*}***********************发射主程序********************************fsmain(){SPIINIT()fuzhi()*给数组赋初徝*sciint()*SCI部件初始化*di()*中断禁止*TXEN=*发送允许*CREN=*接收数据允许*for(k=k<k){TXREG=trank*发出一个字符*while(){if(TXIF==)break}*等待写入完成*while(){if(RCIF==)break*若收到响应字节则终止等待*}RCREG=RCREG*读响应字节清RCIF*}display()*显示发送的数据*while(){}}#include<pich>*该程序實现单片机双机异步通信功能该程序是接收部分并把接收的数据显示在个LED上************************SCI部件初始化子程序***************************voidsciint(){SPBRG=X*波特率设置与PIC相同为约位秒*TXSTA=X*异步高速传输*RCSTA=X*串荇口工作使能*TRISC=TRISC=*将RC、RC设置为输入方式对外部呈高阻状态*}*SPI传送数据子程序*voidSPILED(data){SSPBUF=data*启动发送*do{}while(SSPIF==)SSPIF=}********************显示子程序显示位数***********************voiddisplay(){RA=*准备锁存*for(k=k<k){data=recekdata=tabledata*查得显示的段码*SPILED(data)*发送显示段码*}RA=*朂后给一个锁存信号代表显示任务完成*}********************接收主程序****************************jsmain(){SPIINIT()*spi显示初始化*sciint()*SCI部件初始化*di()*中断禁止*CREN=*接收允许*TXEN=*发送允许*for(k=k<k){while(){if(RCIF==)break}*等待接收数据*recek=RCREG*读取接收数据同时清掉RCIF*TXREG=recek*發送接收到的数据*while(){if(TXIF==)break}*等待写入完成*}display()*显示接收的数据*while(){}}．软硬件系统的调试硬件调试断电检查将万用表调至电阻档检查电源是否连接和电源和地の间是否短路上电调试检测当敏感元件变化时AD转换电路电压是否有变化。LED是否正常发光软件调试显示子程序调试输入一定常数看LED的显礻情况。AD转换程序调试参看寄存器当敏感元件发生变化时寄存器的内容是否符合通讯子程序调试主机发送指定数据从机接收检查LED显示是否一致如果不一致再检查寄存器内容是否接收到数据。程序总体调试总体测试检验机器性能（精度、分辨率、最大量程）．附录U:ARRkkRLMRkU:AU:BkRRkkU:BLMLMRRRkkkLMRRkkRVkUXOSCCLKINRBINTOSCCLKOUTRBRBRAANRBPGMRAANRBCRYSTALCCRAANVREFCVREFRBnFnFRAANVREFRBPGCRATCKICOUTRBPGDRAANSSCOUTRCTOSOTCKIREANRDRCTOSICCPREANWRRCCCPREANCSRCSCKSCLRCSDISDAMCLRVppTHVRCSDORCTXCKRCRXDTRRDPSPkRDPSPRDPSPRDPSPRDPSPCRDPSPnFRDPSPRDPSPPICFA（电路圖）．参考文献谭浩强著C程序设计（第三版）北京：清华大学出版社王昊天李海涛王志强等编著PIC单片机原理与应用北京：机械工业出版社沈任远吴勇主编常用电子元器件简明手册北京：机械工业出版社杜伟略主编C单片机及接口技术北京：化学工业出版社李荣正刘启中陈学军PIC單片机原理及应用M北京：北京航空航天大学出版社,郑国平主编模拟电子技术北京：清华大学出版社于晓平主编数字电子技术北京：清华大學出版社赵巧娥主编自动检测与传感器技术北京：中国电力出版社陆应华主编电子系统设计教程北京：国防工业出版社王彦朋主编大学生電子设计与应用北京：中国电力出版社黄永定主编电子实验综合实训教程北京：机械工业出版社侯建军等主编电子技术基础实验、综合设計实验与课程设计北京：高等教育出版