基于单片机的压力测量仪的设计.docx
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基于单片机的压力测量仪的设计
网络教育毕业论文开题报告
题目：
基于单片机的压力测量仪的设计
姓名：
叶利伟
学号：
7099111122002
专业：
电气工程及其自动化
学习中心：
网络学院校本部（校企合作班）
指导教师：
李杰
基于单片机的压力测量仪的设计
摘要
本系统以AT89S52单片机为主控芯片，外围附以称重电路、显示电路、报警电路等构成智能称重系统电路板，从而实现自动称重系统的各种控制功能。
可以说,此设计所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。
在硬件方面采用了ZCA-2应变式传感器,应变式传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。
A/D转换采用了ADC0809芯片，压力显示采用了LCD1602显示模块。
软件设计采取了流行的模块化编程方法，软件程序的开发全部采用了C语言。
主要包含的程序有：
中断程序、A/D采样子程序、数据处理子程序、延时程序、显示子程序等。
关键词：
称重传感器，AT89S52，A/D转换，LCD1602
第1章引言
1.1背景
传统的量具是杆秤或盘秤，现代社会的发展对其称重技术提出了更高的要求。
目前，台式电子秤在商业贸易中的使用已相当普遍，但存在较大的局限性：
体积大、成本高、需要工频交流电源供应、携带不便、应用场所受到制约。
但是在工业测量中还没有让人们期待的电子秤出现。
多年来，人们一直期待测量准确、价格低廉的在工业发展中起到巨大作用的电子秤投放市场。
随着电子技术的不断发展，数字芯片的价格下降，模拟控制已经逐步被数字控制所代替。
与普通器具相比，数字电子秤具有数字直接显示被称物体的重量、精度高、性能稳定、测量准确、使用方便等优点。
电子秤的设计模式也大都以微处理器为核心，使精度和可靠性都有了明显的提高。
随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。
目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。
在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势。
数字电子秤在各种生产领域和人民日常生活中得到广泛应用，按原理分为电子秤、机械秤和机电结合秤，按功能分为计数秤、计价秤、计重秤，按用途分为工业秤、商业秤、特种秤。
数字电子秤正在向高精度、高分辨率、智能化方向发展，同时使电子秤的安装、校正更简单，更能适应各种使用环境。
用电子秤称重的过程是把被测物体的重量通过传感器转换成电压或电流信号，电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。
称重的准确程度首先取决于传感器输出的信号，由于这一信号通常都很小，需要应用放大系统进行准确、线性的放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。
放大后的模拟信号经过模/数转换电路转变成数字量，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出测量结果。
由于被测物体的重量相差较大，根据不同的侧重范围要求，对量程进行切换；同时，显示器的小数点数位对应于不同量程而变化，即可实现电子秤的要求。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的"智能化"功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。
电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
1.2研究内容
论文所要研究的主要内容、范围及应解决的问题。
首先利用由压力传感器组成的测量电路测出物体的重量信号。
其次，由放大器电路把传感器输出的微弱电压信号进行一定倍数的放大，放大后的电压信号送到模/数转换电路中。
再由模/数转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到单片机，由单片机采集并存储采集到的压力数据，最后由显示电路显示数据。
具体设计内容和要求如下：
1、设计一基于单片机的简易压力测量仪，可测量一般的压力（比如0～10G斤），并在LED或LCD上实时显示。
2、设计出以单片机为主控制芯片的压力测量仪，要求完成本压力测量仪的全部硬件和软件设计，能够实现用压力传感器检测压力的变化，经放大、A/D转换后，由单片机采集并存储采集到的压力数据，同时实时显示压力值（或与压力值相对应的质量）。
在设计和研究的过程中应解决的问题有：
1、称重传感器的选择。
2、电压信号的处理方式及软件的设计。
3、电源电路的选择。
4、液晶显示电路的设计。
第2章总体设计方案
基于单片机的压力测量仪系统主要由三部分组成：
数据输入、数据处理、数据显示。
被测物体放在传感器上，压力信号经传感器变为电压信号，输出的电压信号经过放大滤波处理后,再送入模数转换器进行模数转换，再将转换后的数字信号送人单片机进行处理、运算，经处理后通过接口电路送交LCD或LED显示模块进行显示，构成一良好的人机交流系统。
2.1设计方案对比
本设计根据操作要求的不同，设计了两套方案。
方案一：
系统通过传感器将被测物体的重量转换成模拟的电压信号。
较小的电压信号通过应用放大系统进行准确、线性的放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。
如四运放集成电路LM324中的三个运放组成的仪表用放大器电路。
放大后的模拟电压信号经过模/数转换电路转变成数字量，模/数转换电路采用模/数转换芯片ADC0809实现。
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出测量结果，显示。
第2章总体设计方案
基于单片机的压力测量仪系统主要由三部分组成：
数据输入、数据处理、数据显示。
被测物体放在传感器上，压力信号经传感器变为电压信号，输出的电压信号经过放大滤波处理后,再送入模数转换器进行模数转换，再将转换后的数字信号送人单片机进行处理、运算，经处理后通过接口电路送交LCD或LED显示模块进行显示，构成一良好的人机交流系统。
2.1设计方案对比
本设计根据操作要求的不同，设计了两套方案。
方案一：
系统通过传感器将被测物体的重量转换成模拟的电压信号。
较小的电压信号通过应用放大系统进行准确、线性的放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。
如四运放集成电路LM324中的三个运放组成的仪表用放大器电路。
放大后的模拟电压信号经过模/数转换电路转变成数字量，模/数转换电路采用模/数转换芯片ADC0809实现。
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出测量结果，显示。
方案二：
首先用压力传感器如电阻应变式称重传感器检测压力的变化，即电压信号，经放大、A/D转换后，由单片机采集并存储采集到的压力数据，同时实时显示压力值。
系统框图如图2-2所示：
通过对方案一和方案二比较分析可得，方案一最大的不足之处是系统没有经过单片机系统进行采集并存储采集到的压力数据，而方案二有这一模块，符合设计要求，下面对方案一进行具体研究。
图2-2方案二组成原理图
2.2具体设计方案
首先系统通过绍兴天祥传感器件有限公司生产的型号为ZCA-2的小型称重传感器将被测物体的重量转换成模拟的电压信号。
较小的电压信号通过前置放大系统进行准确、线性的放大，以满足模/数转换器对输入信号电平的要求。
放大电路采用两个LM324运放组成的多级放大系统。
放大后的模拟电压信号经过模/数转换电路转变成数字量，模/数转换电路采用模/数转换芯片ADC0809实现。
然后把数字信号输送到AT89S52单片机系统中去，最后由LCD1602显示模块显示出测量结果。
系统框图如图2-3所示：
图2-3系统组成原理图
第3章硬件电路设计及其功能
3.1数据采集电路
3.1.1传感器
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。
通常，传感器由敏感元件和转换元件组成（如图3-1所示）。
其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。
由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。
图3-1传感器组成方框图
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
本论文采用的压力传感器是绍兴天祥传感器件有限公司生产的小型称重传感器。
详细指标如表3-1所示：
表3-1传感器参数指标
量程
kg
3,5,10,20,40
综合误差
%F.S
0.030.05
输出灵敏度
mV/V
2.0±0.1
非线性
%FS
0.030.05
重复性
%FS
0.020.05
滞后
%FS
0.030.05
蠕变
（30min）%FS
0.020.05
零点漂移
（1min）%FS
0.030.05
零点温度漂移
%FS/10℃
0.30.5
额定输出温度漂移
%FS/10℃
＜0.03＜0.05
零点输出
%F.S
±1
输入电阻
Ω
405±6
输出电阻
Ω
350±3
绝缘电阻
MΩ
＞5000（100VDC）
推荐激励电压
V
9~15（DC）
使用温度范围
℃
-35~+65
过载能力
%FS
150
为了达到设计需要，所用传感器外形尺寸如图3-2所示：
图3-2传感器组成方框图
3.1.2放大电路设计
由于传感器输出的信号比较微弱，大概在0~20mV，因此必须通过一个放大器对其进行200至250倍的放大，才能基本满足A/D转换器对输入信号电平的要求。
如果只使用一级放大的话，由于倍数较高，误差将会比较大。
本设计中选用由一个LM324芯片的两组运放构成的具有高输入阻抗的二级差分放大器。
输入电压分别为V+和V-，每级放大后的输出电压为Vout，经过两级放大后的电压输出端与ADC0809的IN0口直接相连，具体放大器电路如图3-3所示：
图3-3二级放大电路
3.2A/D转换电路
3.2.1ADC0809的管脚定义及说明
在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。
一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这4个步骤完成的。
常用的A/D转换器可分为并行比较器、逐次比较型和双积分型等几种，本次设计是选用8位逐次比较型模数转换器ADC0809，其管脚如图3-4所示：
图3-4ADC0809管脚图
ADC0809包含模数转换器、8通道多路转换器以及与微控制器兼容的控制逻辑。
8个单独模拟信号可从8通道多路转换器直接输入。
ADC0809管脚定义如表3-2所示：
表3-2ADC0809管脚定义
管脚
符号
功能
1
IN0
8路输入通道的模拟量输入端口0
2
IN1
8路输入通道的模拟量输入端口1
3
IN2
8路输入通道的模拟量输入端口2
4
IN3
8路输入通道的模拟量输入端口3
5
IN4
8路输入通道的模拟量输入端口4
26
IN5
8路输入通道的模拟量输入端口5
27
IN6
8路输入通道的模拟量输入端口6
28
IN7
8路输入通道的模拟量输入端口7
8
D0
8位数字量输出端口0
14
D1
8位数字量输出端口1
15
D2
8位数字量输出端口2
17
D3
8位数字量输出端口3
18
D4
8位数字量输出端口4
19
D5
8位数字量输出端口5
20
D6
8位数字量输出端口6
21
D7
8位数字量输出端口7
6
START
START为启动控制输入端口
22
ALE
ALE为地址锁存控制端口，和START信号端可连接在一起，当通过软件输入一个正脉冲，便立即启动模数转换
7
EOC
EOC为转换结束信号脉冲输出端口
9
OE
OE为输出允许控制端口。
OE端的电平由低变高，打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数据总线上
12
REF（+）
参考电压输入端
16
REF（-）
参考电压输出端
11
Vcc
主电源输入端
13
GND
GND为接地端
10
CLK
时钟输入端
23
ADDA
8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道
24
ADDB
8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道
25
ADDC
8路模拟开关的三位地址选通输入端，以选择对应的输入通道
ADC0809的主要性能：
1、8路8位A／D转换器，即分辨率8位
2、逐次比较型
3、具有转换起停控制端。
4、转换时间为100μs
5、单个＋5V电源供电
6、模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准
7、工作温度范围为-40～＋85摄氏度
8、低功耗，约15Mw
ADC0809内部结构如图3-5所示：
图3-5ADC0809内部结构原理图
模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。
主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。
工作过程：
1、当模拟量送至某一输入通道INi后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。
2、地址锁存允许ALE锁存这三位地址信号，启动命令START启动A/D转换。
转换开始,EOC变低电平，转换结束，EOC变为高电平。
EOC可作为中断请求信号。
3、转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，打开三态缓冲器把转换的结果输入到DB，一次A/D转换便完成了。
3.2.2ADC0809的接口方式
本次设计采用的是ADC0809与AT89S52的查询方式接口，在该电路中将ADC0809作为AT89S52的一个外部扩展，A/D采集的启动与停止直接由AT89S52的P2.4和/WR脉冲进行控制。
AT89S52采用查询方式读取转换结果。
模拟量输入通道选择ADDA、ADDB、ADDC直接接地，即选择IN0作为模拟信号的输入口。
D0~D7作为8路数字量输出端口经过一个9脚排阻分别与单片机的8个P0口连接。
EOC、ALE、ENABLE、START、CLOCK控制端口则与单片机相对应的5个端口连接，通过端口的高低电平转换来实现单片机对其的控制操作。
电路如图3-6所示：
图3-6ADC0809接口原理图
3.3单片机系统
3.3.1单片机管脚定义
本次设计使用的单片机采用MCS-51系列单片机。
由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
其芯片引脚图如图3-7所示：
图3-7AT89S52引脚图
3.3.2单片机管脚说明
VCC：
供电电压
GND：
接地
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表3-3所示：
表3-3P3.0口引脚功能表
P3口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行口输入）
P3.1
TXD（串行口输出）
P3.2
INT0（外部中断0输入）
P3.3
INT1（外部中断1输入）
P3.4
T0（定时器0外部脉冲输入）
P3.5
T1（定时器1外部脉冲输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写脉冲输出）
P3.7
RD（外部数据存储器读脉冲输出）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电压VPP。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.3.3单片机主控制电路
AT89S52单片机的主控制电路由时钟电路、复位电路、单片机控制接口组成。
单片机的时钟信号用来提供单片机片内和ADC0809芯片的各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
本设计外部振荡方式采用的是12M赫兹的晶振，单片机30脚固定输出的时钟频率为晶振频率的1/6，即为2M赫兹，把它作为时钟信号提供给ADC0809。
单片机的P1.0~P1.4端口，RS、E控制端口用来与LCD1602进行数据通信和读写操作。
单片机的8个P0端口，START、ENABLE、ALE、CLOCK、EOC控制端口则用来与ADC0809进行数据通信和控制操作。
此外，系统中还加入了以个LED报警灯，由程序来控制其的状态，当所测物体超过量程时，告警灯即会自动亮起。
为了不使LED烧坏，连接了一个电阻进行限流。
如图3-8所示，即为单片机主控制系统接口原理图：
图3-8单片机主控制系统接口原理图
3.4LCD显示电路
本论文采用的显示电路是LCD1602液晶显示模块。
3.4.1LCD管脚定义与功能
1602采用标准的16脚接口,其中：
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表3-4所示：
表3-4CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应关系
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-5所示：
表3-5控制指令
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
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置输入模式
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0
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0
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升级会员 