力传感器自动检测系统的设计 学位论文.docx

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力传感器自动检测系统的设计学位论文

摘要

本文介绍一种基于单片机的自动压力标定系统，它具有结构简单、精度高、价格便宜、操作方便等特点，可以标定正压力和负压力两种传感器，对于提高压力传感器生产效率有着重要意义。

近年来，随着标定技术不断发展与提高，结合现代电子技术与计算机的广泛应用，对压力资料的录取精度也相应提高，为适应电子压力传感器的标定技术要求，确保压力传感器标定所录取资料的准确性，因此有必要研究温度对压力计标定装置的影响。

经过充分调研并查阅大量有关资料，以及对现有的压力计标定装置进行了分析对比，选用标准液压源，本文首先研究了压力传感器标定的发展历史，并对温度补偿标定装置的发展概况作了充分的研究，‘分析了现有的压力传感器标定装置的优缺点，提出了一种以新型的标准液压源为主要部件的电子压力传感器自动标定装置，提高了工作效率。

为了达到设计要求，本文重点研究了压力自动控制系统原理，并对压力控制系统进行数学建模与仿真的研究。

采用斩波运放ICL7650高精度放大器OP07来保证压力传感器的信号放大，采用低噪声可编程增益稳定的CS5534芯片作为核心转换器。

着重研究了压力传感器的温度补偿技术并进行了相关的调研。

对于温度控制系统，研究了温度测量的相关技术，以及温度信号的采集与输出电路.在实际应用中表明本文所研究的压力传感器标定装置能够完成对压力传感器的精确标定。

关键词：

力传感器　单片机　自动标定

Abstract

Thispaperintroducesamicrocomputer-basedautomatedpressurecalibrationsystem,whichhasasimplestructure,highprecision,lowcost,easytooperate,canbepositivepressureandnegativepressurecalibrationoftwosensors,pressuresensorsforimprovingtheproductionefficiencyisofgreatsignificance.Inrecentyears,withthedevelopmentandcalibrationtechnologycontinuestoimprove,combinedwithmodernelectronictechnologyandextensiveapplicationofcomputers,theadmissionoftheprecisionofpressuredatahaveincreased,asundergroundpressuregaugecalibrationdevicemustalsobeupdatedtoimprovetomeettheelectronicpressuresensorCalibrationrequirementstoensurethattheadmissionpressuresensorcalibrationaccuracyoftheinformation,itisnecessarytostudythetemperatureeffectonthepressuregaugecalibrationdevice.Afterfullinvestigationandaccesstoalotoftheinformation,andtheexistingpressuregaugecalibrationdevicewereanalyzedandcompared,usestandardhydraulicsource,thispaperstudiedthehistoryofdevelopmentofpressuresensorcalibration,temperaturecompensationandcalibrationdevicemadethedevelopmentofprofilesthefullstudy,'analysisoftheexistingadvantagesanddisadvantagesofpressuresensorcalibrationdevice,ahydraulicsourcetothenewstandardasthemaincomponentsoftheelectronicpressuresensorautomaticcalibrationdevicetoincreaseworkefficiency.Inordertomeetthedesignrequirements,thispaperfocusesonthepressurecontrolsystemtheory,andthepressurecontrolsystem,mathematicalmodelingandsimulation.HighprecisionpressuresensoramplifierOP07toensurethesignalamplification,lownoiseprogrammablegainstableCS5534chipasthecoreconverter.Focusofthepressuresensortemperaturecompensationtechnology,andontherelatedresearch.Thetemperaturecontrolsystemoftemperaturemeasurementtechnologiesrelatedtotheacquisitionandtemperaturesignalsandoutputcircuit.Inpractice,studieshaveshownthatthepressuresensorcalibrationdevicetocompleteitsprecisecalibrationofpressuresensors

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1研究背景和研究意义1

1.2发展状况2

第2章整体方案的设计4

2.1系统硬件设计4

2.1.1系统框图原理4

2.2AT89S52简介5

2.2.1AT89S52片内外模块功能6

2.2.2AT89S52单片机的特点6

第3章硬件电路设计8

3.1压力传感器选择8

3.1.1压力传感器的介绍8

3.1.2压力信号放大电路9

3.2温度补偿分析10

3.3看门狗技术12

3.4RS232串口通信模块13

3.4.1RS232串口通信协议13

3.4.2RS232驱动器MAX23215

3.55V直流电源设计16

3.6USB接口电路设计18

3.7电源电路的设计21

第4章软件设计22

4.1主程序设计22

4.2子程序设计23

4.2.1液晶显示程序的软件设计23

4.2.2USB数据存储系统软件设计24

4.3中断程序设计25

4.4I2C通信26

4.4.1I2C总线26

结论28

致谢29

参考文献30

附录131

附录234

附录336

第1章绪论

随着计算机、电子信息技术的迅速发展。

针对压力测量设备生产和维护过程中，对关键部件压力传感器标定处于手工操作状态、效率低、操作人员不易掌控、标定结果处置复杂的现状，开发了针对压力传感器的自动标定技术。

该技术将计算机控制、智能化、曲线拟合和误差分析引入到压力传感器的标定过程中，大幅度提高了标定的效率和可靠性。

经此技术标定过的压力探头，在使用中具有互换性，减轻了数据后处理工作的难度。

1.1研究背景和研究意义

力传感器是最常用的传感器之一，被广泛的应用于航空.航天、石油化工等各个领域。

随着现代工业的发展，对于力传感器的需求量越来越大，传统传感器的生产方法已逐渐不能满足，需求，各个传感器生产厂家纷纷上马自动生产线，以提高生产效率，降低成本，提高市场竞争力。

现在，传感器的测量方法大都采用手工操作，特别是压力传感器，基本上采用手动油压或气压标定，近几年也从国外引进了部分高端压力传感器标定方法，首先由ＰＣ输出指令给单片机，把指令发送给开关电磁阀控分标定设备，但价格昂贵，很难推广。

制系统的加压和减压（排气）。

本文介绍一种应用了计算机和单片机的自向或反向加压过程。

压力进人气缸后单片机采集标准压力传感器的动压力标定系统，它的价格十分低廉，使用方便，精度也很高。

数据同时控制比例电磁阀使之在测量范围以内保证系统的工作。

并且一次可以标定同种型号压力传感器128个，这大大减少了时间和精力，并且有很大的经济效益。

有很大的发展前景。

1.2发展状况

压力传感器标定装置的发展是和压力传感器的技术进步密不可分的。

早在上世纪六十年代随着第一代压力计的出现，便有了压力传感器标定的历史。

初期的压力计标定装置，是由简单的二等活塞压力计为标准压力源，它的精确度等级为0.05级，精度较低，只能标定0.1级以下的压力计。

机械式压力传感器的标定基本上都是使用这种标定装置，但是因为这种二等活塞压力计的操作都是靠着人工手动操作的，人为误差较大，而且压力传感器卡片也是靠人工读取的，所以这一套设备造成压力传感器检定和标定的工作量繁重，精度也不高。

为了克服对于机械式压力传感器标定卡片的读数人为误差较大的问题，在卡片读取上出现了“读卡仪”提高了数据的读取精度，在数据计算上，还运用了计算机编程的相应软件，减少了人为误差。

这表明压力传感器标定装置已经在向着自动化方向发展了。

由于电子技术的快速发展，目前机械压力传感器都已被淘汰，大部分应用的仪器均为电子压力传感器，对于电子压力传感器的标定是对其精度的标定。

电子压力传感器标定装置作为压力标定的一个分支，其特点在于检定压力高，要求标定精度高;被检仪器不能直读，直观性差，需要软件回放;对标定温度敏感，需要做多温度点的全性能检定;检定过程复杂，包括一系列加压和减压过程。

检定后，把测量压力与标准压力对比，进行线性回归或者二次、三次函数回归，对压力传感器的检定系数重新刻度，完成标定过程。

因此，新一代电子压力传感器标定装置主要以标定精度高、自动化程度高为主要发展方向，在结构设计上追求人机交互界面简单易懂、操作方便、体积小等特点，这是今后电子压力计标定装置发展的主导力量。

第2章整体方案的设计

本系统是一个基于STC12C5A60S2单片机的压力传感器自动压力检测系统，它具有结构简单、精度高、价格便宜、操作方便等特点，可以标定正压力和负压力两种传感器，对于提高压力传感器生产效率有着重要意义。

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2.1系统硬件设计

本设计总体流程图如图2-1

2.1.1系统框图原理

本设计利用普通ＰＣ机作为上位机，与单片机采用CH341T接口进行通讯，完成对传感器的监测和显示，单片机选用STC12C5A60S2，该设备具有运行可靠、安全，价格便宜等特点。

首先PC输出指令给微控器单片机，把指令发送给开关力传感器控制系统的加压和减压，控制自动16列8行程的正向或反向加压过程。

压力进入气缸后，单片机采集标准压力传感器的数据。

第3章硬件电路设计

3.1压力传感器选择

本节主要介绍了压力传感器的型号、以及差分放大器的使用和选择。

为更好的对压力标定系统的理解

3.1.2压力传感器介绍

由于本系统对动态特性的要求较高，因此传感器选取极为重要。

根据国内外元件的对比，选取美国KELLER公司1OFL系列压阻式压力传感器为系统压力测量器件。

10FL系列压阻式压力传感器压力测量范围从0.01MPa到60MPa，主要应用于水平技术、气体力学、水力学、航空电子设备等领域。

表2一1是该产品主要性能指标。

电器原理

如图2一9所示。

该测量电桥为等臂全桥，其中R1，R4为拉应变，R2，R3为压应变，且应变电阻增加或减小量相等。

全桥又称差动全桥，输出灵敏度为单臂工作的4倍。

这样，当压力头受到液压压力而变形时，粘贴在另一面的电阻应变片也随同变形，并引起电阻值变化，这时上图测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。

输出电压值就间接地代表了压力变化值。

3.1.2压力信号放大电路

被测压力经金属应变片转换得到的电信号的幅度往往很小，很难进行A/D转换，因此需对这些模拟信号进行放大处理。

为使电路简单又便于调试，一般都采用集成运

算放大器（简称运放）。

在数据采集系统中，来自传感器的微弱信号往往要用漂移和失调极小的高精度放大器进行放大〔46一4v1，如oP一07。

由于OP一07采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其输入失调电压和输入失调电流以及温漂都很小，因此广泛应用于稳定积分、精密加法、比较、检波和微弱信号精密放大等场合。

0P一07要求双电源供电，

使用温度范围为0℃一70℃，OP一07一般不需要调零。

本系统采用图2一10中的差动输入电路来放大应变片输出的微弱电信

关系为

放大倍数为

ICL7650是利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运算放大器，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。

采用斩波运放ICL7650稳定低噪声运放OP27的零点来构成前置放大电路。

4结语

一个完备的高精度智能力传感器测控系统,既要拥有强大的硬件系统和与之相辅相成的软件系统,还要考虑到使用者的因素,使数据可以直观的反映在电子屏幕上,方便用户进行一系列可视化操作,以增强其实用性。

另外,因智能传感器具有智能化、制作成本低、所占空间小、反应速度快的特点,并且硬件与软件之间相互协作,事半功倍,故其在测控领域这一大家庭中,占据着重要的角色。

随着世界科技逐步向自动化、智能化方向发展,未来可以预测智能传感器必将成为炙手可热的一大产品。

参考文献:

[1]刘彬,李志骞,王娜.RS—232C通信口的研究[J].微电子技术,2003,4:

43—45.

[2]尹海涛,王保国.全钒氧化还原刘电池全自动化只能监控系统研究与设计[J].实验技术与管理,2006,23

（2）:

35—47.