1、IJ I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文手持式压力检测仪器设计Hand-held pressure test equipment design学院名称： 电气信息工程学院 专业班级： 电气 0704 班 学生姓名： 陈麟骅 指导教师姓名： 陈坤华 指导教师职称： 教授 年 月II摘要随着微电子技术和信息技术的发展，自动检测技术已成为一些发达国家的最重要的热门技术之一。在现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。特别是压力参数的自动检测、报警与控制，更是备受
2、人们的关注。尽管近年来对该方面的研究与开发已取得一定成果，但远远不能满足实际需求，尤其是低功耗多路压力检测技术更需急待发展。本文对智能压力检测系统的理论及其应用进行了深入的研究，提出一种新型智能压力检测系统的结构，并对其智能化功能、硬件配置和智能化软件进行了全面的设计。同时，考虑到系统应用的广泛性、适用性和灵活性，在该系统中配置了多种通讯接口电路，使其更具特色。系统采用集成度高，功能强大的新型单片机 MSP430FE427 控制，其内部集成了大量的模拟和数字外围模块，具有很强的数据处理能力。本论文设计了较为完善的智能化软件，使该检测系统具有较高的智能化程度，实现了自动增益控制、温度补偿、自动校
3、准等多种智能化特性。提出了实现温度补偿的算法，并对检测系统进行了硬件、PCB 板和软件的抗干扰设计，保证了系统的稳定性和可靠性。本系统的软件使用 C 语言编程，增加软件的可读性。软件采用了模块化设计方法，易于编程和调试。本研究所设计的智能压力检测系统具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高、响应速度快、智能化程度高等特点，在各个领域中具有广泛的应用前景。关键词：智能，检测系统，压力，单片机IIIABSTRACTWith the development of micro-electronical technology and informationtechnology, automatic meas
4、urement technology has been one of the most importantpopular technologies in some developed countries. Now in many areas such asindustry, agriculture, national defense, transportation, medical treatment, scientificresearch, measurement technology have been effecting more and more, measurementequipme
5、nts can transmit many useful information continually like nerve and senseorgan. Especially automatic measurement, alarm and control of pressure parameterhave got a lot of attention. Although the research and development in this area has received some achievements recently, it still cannot meet the a
6、ctual requirements,especially low power-consuming multiplex measurement technology needs to be developed urgently.The article does a deep research on the theory and application of intelligent pressure measurement system, comes up with a new structure of intelligent pressure measurement system, and d
7、esigns completely on its intelligent functions, hardware and intelligent software. Meanwhile, considering universality, applicability and flexibility of the system application, many communication interface circuits is configured in the system, which can make the system more especial.Many simulative
8、and digital peripheral modules are integrated in a highcompositive powerful-functioned new SCM MSC1211Y4, which is used in thesystem to control and it has strong data processing capacity.The paper finished a complete intelligent software design, it makes the whole measurement system more intellectua
9、lized and realizes automatic plus control,temperature compensate, auto-collate, etc. For assuring the stability and reliability of the system, the calculating method of IVtemperature compensate is figured out, and anti-jamming designs of hardware, PCB and software is made in the measurement system.T
10、he software was programmed in C language, which makes the software morereadable. Modularization design is used in the software, which is easy to program and debug.The characteristics of the research are small cubage, low cost, low power-consuming, high reliability, fast reaction speed, high intellig
11、entized level, etc., which can be used in many areas widely.KEY WORDS: Intelligent, Measurement System, Pressure, SCM1第一章 绪论 .11.1 压力传感器的定义和分类 .31.1.1 传感器的定义 .31.1.2 压力传感器 的定义与分类 .41.2 压力传感器研究现状与发展趋势 .41.2.1 压力传感器研究现状 .41.2.2 压力传感器的发展趋势 .5第二章.电阻应变式传感器的性能特点分析 .62.1 压力传感器 .62.1.1 压力的概念 .62.1.2 测量压力的意义
12、 .62.1.3 压力传感器的选择 .72.2 金属电阻应变片的工作原理 .72.3 电阻应变片的基本结构 .92.4 电阻应变片的测量电路 .92.4.1 电桥电路的工作原理 .92.4.2 非线性误差及温度补偿 .102.5 压阻式压力传感器的性能指标 .11第三章 基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计 .123.1 信号放大电路 .123.1.1 放大器的选择 .123.2.2 三运放大电路 .133.3 A/D 转换器 .143.3.1 A/D 转换模块器件选择 .143.3.2 A/D 转换器的简介 .143.3.3 配置位说明 .153.3.4 ADC0832 工作时序图 .16
13、3.3.5 单片机对 ADC0832 的控制原理 .173.4 单片机 .183.4.1 MSP430FE427 单片机简介 .183.4.2 管脚说明 .193.4.3 振荡器特性 .203.4.4 芯片擦除 .203.5 单片机于键盘的接口技术 .202.5.1 键盘功能及结构概述 .202.5.2 键盘抖动及去除 .212.5.3 单片机与键盘的连接 .223.6 LED 显示接口 .232.6.1 发光二极管及 LED 显示器 .242.6.2 七段数码显示器 .252.6.3 LED 数码管静态显示接口 .26第四章 软件设计 .2824.1 A/D 转换器的软件设计 .284.1.
14、1 ADC0832 芯片接口程序的编写 .284.2 单片机与键盘的接口程序设计 .294.3 LED 数码管显示程序设计 .30第五章 系统抗干扰设计 .315.1 干扰的来源及分类 .315.1.1 干扰源 .315.1.2 干扰的分类 .315.2 硬件抗干扰措施 .325.2.1 单片机自身的抗干扰措施 .325.2.2 电源的抗干扰措施 .325.2.3 印刷电路板的抗干扰设计 .325.3 软件抗干扰措施 .32第五章 总结 .32参考文献 .333第一章 绪论近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。其中由单
15、片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来。压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。为了测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机智能压力测量系统。通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至 8 位 AD转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单
16、片机转换成 LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于 MSP430FE427 单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放大为标准信号为 0-5V 的电压信号，然后进入 A/D 转换器将模拟量转换为数字量，我们所采样的 A/D 转换器为 ADC0832，ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快
17、且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。 为了提高单片机系统 I/O 口线的利用效率,利用单片机 MSP430FE427 的串行口和串行移位寄存器 74LS164 扩展输出多位 LED 显示.键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。我们通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片
18、机系统处于预定的功能状态。要想实现压力的显示需硬件与软件配合，最终调试出来。41.1 压力传感器的定义和分类1.1.1 传感器的定义信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，促进并加快了传感器的开发和应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前
19、置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。按照 Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件” ，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器” 。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换位于只有确定对应关系的、便于应用的另一种量的测量装置。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器的定义具体包含：（1） 传感器是测量装置，能完成检测任务；（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；（3）它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。传感器系统的原则
20、框图示于图 1-1。图 1-1 传感器的组成1.1.2 压力传感器的定义与分类压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。压力传感器是一种能感受压力，并按照一定的规律将压力信号转换成可用电5信号的器件或装置。对压力传感器进行分类，首先应该遵循一定的分类标准。我们通常按工作原理来分类，可以分为：压阻式、电容式、电感式、压电式、智能式压力传感器等。压阻式压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一。压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，它具有灵敏度高、动态响应好、准确度高、易于微型化
21、和集成化等特点，获得了广泛应用，是发展迅速的一种新的物性型传感器。压阻传感器易于批量生产，能够方便地实现微型化、集成化和智能化。因而，它成为受到人们普遍重视并重点开发的具有代表性的新型传感器。1.2 压力传感器研究现状与发展趋势1.2.1 压力传感器研究现状从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向：光纤压力传感器：这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性，由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间，夹了一个硅光纤挡板，在有压力的情况下，光线通过挡板的过程中会发生强度的改变，通过检测这个微小的改变量，测得压力的
22、大小。电容式真空压力传感器：E+H 公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为 0.82.8mm 的氧化铝(Al2O3)构成，其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起，该环具有隔离作用，不需要温度补偿，可以保持长期测量的可靠性和持久的精度，测量方法采用电容原理。耐高温压力传感器：新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现，使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。硅微机械加工传感器：在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多，而随着微机械传感器的体积越来越小，线宽度可以达到 12mm。具有自测试功能的压力传感器：为了降低调试与运行成本，DirkDeBruyker等人报导了一种具有自
23、测试功能的压阻电容双元件传感器，它的自测试功能是根据热驱动原理进行的。6多维力传感器：六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。1.2.2 压力传感器的发展趋势当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各行各业,但归纳起来主要有以下几个趋势：(1)小型化：小型化会带来更多的好处。重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方。各种控制仪器设备的功能越来越强大，要求各个部件体积所占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越。(2)集成化：可利用现有的生产工艺和成熟的集成技术，将电路、压力传感器和其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。
24、(3)智能化：由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使其具有自动补偿、通信、自诊断、逻辑判断等功能。目前智能化产品发展很快，它将成为未来传感器市场的主流。(4)广泛化：压力传感器的另一个发展趋势是，正从传统的机械行业向其它领域扩展，尤为突出的是：汽车、医疗仪器和能源环境控制系统。(5)标准化：传感器的设计与制造已形成一定的行业标准。如 IEC、ISO 国际质量体系、美国的 ANSIC、ANSC、MILT 和 ASTME 标准；日本的 JIS 标准；法国的 DIN 标准；原苏联 TOCT 及 YTO 标准。第二章.电阻应变式传感器的性能特点分析2.1 压力传感器2.1.1 压力的概念压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行测量和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号 pj 表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号 pq 表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差。称为表压力，
