1、 毕业设计 题 目 智能压力变送器的研制 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 流程工业及其自动化 班 级 学 生 学 号 指导教师 二一 四 年 五 月 三十 日济南大学毕业设计 I 摘 要 随着工业应用对信号检测与 处理 的要求不断提高，新型智能仪表将在 生产过程中占有越来越重要的地位。 压力，作为 工业生产过程中重要参数 之一 ， 实现对其精确的检测和 控制 是 保证生产过程 运行和设备安全 必不可少的条件。高精度的压力测量和变送更是保证产品质量、提高效益的有力保障。 因此，实现智能化的压力检测系统对工业过程具有非常重要的意义。 本设计主要是以 ATC8951单片机 为核心的信号测量 、
2、 数据处理显示 。是通过 压力传感器将压力信号转换成电压信号，经过运算放大器进行放大，送至 8 位 A/D转换器，从而将模 拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，再经单片机转换成 LED显示器可以识别的信息，最后由 LED 数码管显示 ，并输出 4-20mA 的电流信号 。 在测量的过程中通过独立键盘进行设置测量的上下限 ， 当输入的压力超出上下限时 ， 蜂鸣器启动报警 。 本设计的最终结果是 ，利用 Proteus仿真软件进行模拟仿真，将软件下载至硬件上调试出需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过 A/D转换 ， 单片机数据处理后 ， LED 数码管将显示不同的数值 。 关键词
3、： 压力； ATC89C51； A/D转换，压力传感器； LED显示 济南大学毕业设计 II ABSTRACT With the requirement of signal detection and processing in industrial application increasing, the new intelligent instrument will play an increasingly important position in the production process. Pressure, as one of the important industrial pr
4、ocess parameters, to achieve accurate detection and control of their production process is the necessary condition to ensure the safety of operation and the equipment. Precise pressure measurement and transmission ensure product quality, enhance effective protection benefits. Therefore, intelligent
5、pressure detection system has a very important significance in industrial processes. The design is based on measurement and display of AT89C51 single-chip. This is the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals. After using operational amplifier, the signal is amplified, and
6、transferred to the 8-bit A/D converter. Then the analog signal is converted into digital signals which can be identified by single-chip and then converted by single-chip into the information which can be displayed on LED monitor, and finally display output. In the course of show, through the keyboar
7、d to input all kinds of data and commands into the computer, the single-chip will locate in a predetermined function step to display required values. The end result of this design is that by downloading software to the hardware, it will get the data which is required to display by debugging. When th
8、e input analog signals change, the LED monitor will display different values through the A/D converting. Key words: pressure; ATC89C51; A/D converter; pressure sensor; LED monitor; 济南大学毕业设计 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 前言 . 1 1.1 相关背景和应用简介 . 1 1.2 智能压力传感器的发展方向 . 1 1.3 该设计研究的内容 . 2 2 系统总体设计 . 3 2.
9、1 系统设计要求 . 3 2.2 总体设计方案 . 3 2.3 智能压力变送器原理组成图 . 4 3 智能压力变送器的硬件设计 . 5 3.1 压力传感器 . 5 3.1.1 压力传感器的选择 . 5 3.1.2 压阻式压力传感器的工作原理 . 5 3.1.3 压阻式压力传感器的结构组成 . 7 3.2 电阻信号的测量桥路 . 7 3.2.1 测量电路的工作原理 . 7 3.3 信号放大电路 . 10 3.3.1 放大器的选择 . 10 3.3.2 OP07 双极性运算放大器 . 10 3.3.3 三运放差分放大电路 . 11 3.4 A/D 转换模块 . 11 3.4.1 ADC0809 简
10、介 . 12 3.4.2 ADC0809 与单片机连接 . 13 3.5 单片机 . 14 3.5.1 AT89C51 单片机简介 . 14 3.5.2 单片机复位电路与自激振荡电路 . 15 3.6 键盘接口输入 . 16 3.6.1 键盘分类简介及选择 . 16 3.6.2 键盘抖动及消除 . 17 3.7 LED 显示接口电路 . 18 3.7.1 LED 数码管显示器 . 18 3.7.2 LED 数码管的静态显示与动态显示 . 19 3.7.3 LED 数码管静态显示接口电路 . 20 3.8 D/A 转换模拟输出及信号放大 . 21 3.8.1 DAC0832 简介 . 21 3.
11、8.2 ISO EM 系列直流信号隔离适配器简介 . 22 3.8.3 D/A 转换输出与放大电路 . 24 3.9 报警电路 . 25 4 智能压力变送器软件设计 . 26 4.1 A/D 转换器软件设计 . 26 4.2 单片机与键盘接口程序设计 . 27 济南大学毕业设计 IV 4.3 LED 数码管静态显示程序设计 . 28 4.4 D/A 转换器程序设计 . 29 4.5 智能压力变送器程序设计 . 30 5 智能压力变送器 PCB 板设计 . 31 结 论 . 34 参考文献 . 35 致 谢 . 36 附 录 . 37 济南大学毕业设计 1 1 前言 1.1 相关背景和应用简介
12、随着工业应用对信号检测与处理的要求 不断提高，新型 智能仪表将在生产过程中占有越来越重要的地位。对于在工业生产中起着举足轻重作用 的压力测量，实现对其高精度的 测量和变送更是保证产品质量、提高效益的有力保障。 压力传感器作为工业活动中最为常见的 传 感器 之一 ， 其广泛运用于 交通运输 、石油化工、军事工业等 各种工业自动控制 的 领域中 。 压力变送 器的 工作 原理是将压力信号转变成某种 可测量的 电信号 ， 如日常生活中 常见的 应变式 压力传感器 ， 其工作原理是 通过施加 压力使 弹性元件变形 从而产生 电阻 的 变化 ，通过测量电阻的变化量，利用一定的标度变换，从而得出压力的大小
13、。 在日常生活和工业生产中 ， 人们可利用监测压力的变化和实现对压力的控制进行多种生产活动 。 例如 ， 在地理环境中海拔高度可以通过测量大气压力的变化来获得 ；在 化工厂中 ， 利用压力参数来判断化学反应 的过程 ； 在气象预测中 ， 测量 大气压力可以 判断阴雨天气 状况 。 因此 ，压力变送器的设计拥有广阔的市场前景。自上世纪 80年代，基于微处理器的智能 压力传感器能比较精确和快速 的测量，特别是对 动态压力的测量，实现多点信号转换、长距变送、与计算机 实时 信息交换 处理等，因而 在 农业 、工业、国防、科技等 领域 获得了迅速发展和广泛运 用。 世界上多个国家一直把传感器技术的发展
14、视为现代科技提升的关键。因为只有好的传感器技术，才能实现对工业过程更完美和智能的控制，从而得以大幅度提升科技水平乃至综合国力。美国、日本、欧洲等国的传感器技术一直在引领着世界潮流，我国对智能传感器的研究最 近几十年来虽然取得了很大成就，但由于起步较晚，缺乏对该方面的高精尖人才，因此与世界顶尖水平还有不小的差距，因此，要想实现我国科学技术的长足发展，传感器技术必须要有质的突破。 1.2 智能压力传感器的发展方向 （ 1）人性化 :由于大规模或超大规模的集成电路的出现，在传感器中可集成一些微处理器，以实现自我检测、自我诊断、逻辑判断等功能，使压力传感器朝着人性化趋势发展。 （ 2）微型化：在较为复
15、杂或高精尖系统中存在大规模的传感器，这就要求这些传感器实现微型化、模块化功能。在某些特殊环境中，例如人体内，可以将 传感器放置在某器官中，以收集人体资料。 济南大学毕业设计 2 （ 3）高可靠性能：随着人类活动对某些极端环境的深入研究，这就伴随着必须存在高可靠性能的传感器来应对可能出现的高温、深寒、强酸、电磁等状况，以保证电子设备的抗干扰性能。因此高可靠性能是传感器技术发展的重要趋势。 1.3 该设计 研究的内容 研究设计一个智能压力变送 器，要实现的主要目标是： （ 1）： 系统地运用单片机的原理及开发技术，相关的控制仪表和传感器技术等，进行任务设计、功能 描述 、可行性分析与研究 ； （
16、2）： 进行系统 的总体设计方案论证、 总体 结构设，生成总体设计方案 ； （ 3）： 依据设计方案，分别完成系统的软、硬件模块化设计； （ 4）： 硬件、软件调试和软硬件的联调， 仪器结构设计，仪器总成。 济南大学毕业设计 3 2 系统总体设计 2.1 系统 设计 要求 该系统要求能够满足以下几点设计要求： （ 1）可测 范围： 0 1MPa 2.5MPa（表压）， 且 量程可选； （ 2）显 示： 3 位数码显示（ 2.50MPa）， 4 20mADC输出； （ 3） 附加要求： 上、下限报警； （ 4）测量精度： 1%。 2.2 总体设计方案 为了 实现更高精度的测量，获得 更加 智能的
17、人机交互 ， 本次设计为基于单片 机 的智能压力测量系统。 该 智能压力变送器基本原理是通过压力传感器把压力信号转换成电压信号，该电压 信号 经 放大后，送至 模 /数转换电路，将其转换为 数字信号 以便单片机处理， 最后由 LED 数码管 进行 显示 ，并以 工业生产中标准的 4-20mA 的电流信号输出 。 在测量的过程中 可以人为地 通过独立键盘进行设置测量的上下限 ， 当输入的压力超出上下限时 ， 蜂鸣器启动报警 。 该智能压力变送器，选用的的单片机为常见的 AT89C51单片机，将压力经过压力传感器变为电信号，在三运放差分放大电路下，对电压信号进行放大，通过 A/D转换器将电压信号转
18、换为单 片机可以处理的数字量。在该系统中，用于电压信号采样的 A/D转换器为 ADC0809。 ADC0809是 8位分辨率的 CMOS型逐次逼近式 A/D 转换器 ， 它可实现 8路多路模拟开关以及与单片机直接相连 。 转换输出的数字量 最高分辨可达 256级，可以适应一般单片机应用系统的模拟量转换要求，同时也满足本设计的精度测量需要： 1%。 为了提高单片机系统 I/O口线的利用效率 ，设计采用了 74LS164进行数据移位至数码管显示 。 74LS164 是 CMOS 型 8 位边沿触发式移位寄存器，可以实现串行输入数据，然后并行输出的功能 ， 它通过限流电阻 直接与 8位数码显示管相连
19、，然后通过数据移位功能将压力值在数码管上显示出 。为了获得 4 20mA标准输出电流，设计采用了 DAC0832标准 8位 D/A转换器进行数模转换输出电流信号 ， 由于经过 D/A转换的电流输出量十分微弱，因此 可先将电流信号通过运算放大器转换为电压信号， 再利用 ISO EM 直流 （电压 /电流）信号隔离器， 把电压信号转化为 4-20mA 标准电流输出 。 济南大学毕业设计 4 2.3 智能压力变送器原理组成图 本次设计是以单片机为核心的压力测量变送器，首先，外部施加给应变片一个压力信号，然后应变片将信号转换成易测量的电信 号作为输出 ，通过测量桥路，多级放大电路将该电信号进行放大，
20、将通过 A/D模数 转换的数字信号 输入 至 单片机进行数据处理，最后数据送给 LED 数码管 显示 ， 并实现键盘输入控制 、 4 20mADC 输出、上下限报警等功能。 其原理图如图 1 所示。 压力 应变片 测量桥路 放大电路A / D 转换单片机D / A 转换数码显示键盘输入4 - 20 mA 输出图 1 原理组成图 济南大学毕业设计 5 3 智能压力变送器的硬件设计 3.1 压力传感器 3.1.1 压力传感器的选择 压力传感器的作为智能压力变送器的重要环节 ， 它实现的功能是通过压力敏感元件引起电量变化的压力信号转换成易测量的电信号 ，为测试压力信号的 大小提供数据原理基础，亦可实
21、现工业生产中的报警和控制作用。 日常生活和工业生产中常见的 电阻应变式传感器具有较为久远 的使用历史。由于它具有易于微型化、灵敏度高、构造简单等优点，可以广泛应用于静态压力或是动态压力的测量，对各种环境都有高度的适用性。常用的电阻式传感器有金属应变片和半导体硅杯，这一类传感器的工作原理是应变效应或压阻效应，即金属或半导体材料的电阻在受到外力作用时会引起金属外形产生应变或者半导体材料的电阻率产生变化，导致电阻发生变化，因而可以产生电压信号的变化。因此，我们可以利用电阻式压力传感器通过测量 电阻值的变化，间接的测出压力值。 压阻式压力传感器是电阻式压力传感器的一种 ， 它的特点是易于微小型化 ； 灵敏度高 ， 它的灵敏系数比金属应变的灵敏系数高 50100 倍 ； 它具有很宽的测量范围 ，通常可达到 10Pa-60MPa，并且，测量精度可达到 1/1000，具有高度的可靠性， 使用寿命很长。因此，压阻式压力传感器已被广泛的应用于石油、化工、核电、交通运输、航空制造 等重点领域。 3.1.2 压阻式压力传感器的工作原理 我们知道 半导体的电阻可以表示为 ： ALR （ 3-1） 式中 电导率； L 半导体长度； A 半导体横截面积；
