基于51单片机压力检测系统设计.doc

1、 学号： xxxxxxx xx 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ）（xxxx 届）题 目 基于 51 单片机的压力检测系统设计 学 生 xxxx 学 院 xxxxxxxxxxxxxxxx 专业班级 xxxxxxxx 校内指导教师 xxxx 专业技术职务 xxxxxx 校外指导老师 专业技术职务 二xxx 年六月基于 51 单片机的压力检测系统设计摘 要：本设计借助压力传感器将压力信号转换成电信号，经过信号放大，使用高精度 A/D 转换器件，将模拟信号转换成数字信号，再经单片机运算处理转换成 LCD 液晶可以识别的信息，最后显示输出。初始化后可以重设阈值，系统能够实现手动存储八个以内的数据，并

2、可以查询历史记录，对存储的数据进行统计分析，并且在实时压力检测的过程中，预警电路一直监视系统的运行。本设计根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬件电路。采用单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差。本课题设计的压力检测系统具有压力测量、超重报警、压力存储及历史数据查阅和压力值数据的统计分析。该系统的压力检测范围为 0-10Kg，测量精度可以达到 10g，具有高精度，低成本，易携带的特点。采用 LCD12864 液晶显示测量结果，比传统压力检测系统的精确度更高和直观性更好。另外，该系统电路简单，成本低，使用寿命长，应用范围广等

3、优点。关键词：压力传感器；A/D 转换器；LCD12864IDesign of pressure detection system based on MCU 51Abstract：Using pressure sensor converts the pressure signal into electrical signal, after amplification, using high precision A/D conversion device that converts analog signals into digital signals in this design, then

4、through single chip microcomputer processing into the information that LCD can identify, at last displaying and outputting information. After initialization the system can reset the threshold, achieve storing within eight data manually, and can query the history records, the statistic analysis the s

5、tored data and in the process of real-time pressure detection, early warning circuit has been monitoring the operation of the system.This paper according to the principle of zero compensation and nonlinear compensation for pressure sensor, designing measuring pressure sensor hardware. Single-chip im

6、plementation has the characteristics of high precision, strong function. Because of its stability errors still exist in the measurement. The topic functions for pressure detection system are overweight alarm, storage, statistical analysis of historical data access and pressure value. The measurement

7、 range of the system is from 0 to 10 kg, measurement accuracy can reach to 10 g. It has the advantage of high precision, low cost, easy to carry. Measurement results display with LCD 12864 , Contrast to the traditional pressure test system, it has higher accuracy and intuitive. In addition, the syst

8、em circuit is simple, low cost, long service life and wide scope of application.Key words：P ressure sensor; A/D converter; LCD12864 II目 录摘 要 .IAbstract II目 录 .III1 引言 .11.1 研究背景及意义 .11.2 压力检测系统的研究现状 .11.3 课题任务 .22 系统分析与总体方案设计 .32.1 压力检测系统的整体设计 .32.2 压力检测系统的设计方案 .32.2.1 实时压力测量显示方案 .42.2.2 实时压力监控预警方案

9、.43 系统硬件电路设计 .53.1 单片机系统 .53.1.1 单片机选型 .53.1.2 单片机晶振电路和复位电路 .73.2 数据采集模块 .83.2.1 压力传感器 .93.2.2 信号放大电路 .103.2.3 A/D 模数转换 113.3 人机交互模块 .153.3.1 液晶显示单元 .153.3.2 矩阵键盘单元 .173.4 声光报警模块 .183.5 电源供电模块 .184 软件程序设计 .204.1 软件开发环境 .204.2 I/O 端口分配 .214.3 软件主程序构架 .224.4 主要功能子程序的设计 .234.4.1 A/D 子程序设计 244.4.2 中断子程序

10、设计 .254.4.3 查询历史数据子程序设计 .254.4.4 数据统计分析子程序设计 .264.4.5 阈值重设子程序设计 .274.4.6 人机交互子程序设计 .28III5 系统调试 .335.1 数据采集调试 .335.2 数据统计分析调试 .335.3 声光报警调试 .345.4 软件调试 .345.5 实物展示 .346 结束语 .39参 考 文 献 .40致 谢 .41附 录 A42附 录 B 44xx 本科生毕业设计（论文）第 0 页 共 61 页1 引言1.1 研究背景及意义近年来，微型计算机越来越普遍地应用于人们的日常工作、生活中。计算机的使用在工业过程控制生产中是一个重

11、要环节。人们越来越关注由单片机构成的嵌入式系统。可以毫不夸张的说，高端先进仪器是其构造中含有微型计算机系统，微型计算机控制系统的产生促使现代控制系统时代的到来。在这信息高速发展的时代，传感器检测系统的发展有两个及其重要的方向，分别为智能化与集成化。而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于系统内部微处理器的性能 1。当前国内外开发和研究的热点是具有数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统。传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。压力测量在工业安全生产的实时监测中具有重要的意义。为了确保工业制造过程中的高效与安全，必须

12、精确地控制生产过程中的一些诸如压力、流量、温度等主要参数。其中良好的控制压力，可以保障生产过程中的安全，因此准确地测量压力显得尤为重要。压力是生产过程中四大重要参数之一，实时检测压力可以判断生产过程中机器是否安全可靠的运行 2。如：确保密闭容器内的压力在安全指标范围以内，确保易燃易爆介质的压力不超标。压力的检测在其他工业生产环节中对于控制生产的正常运行也非常重要。在一些工业装置上都时常可以见到有压力表，实时的监测压力大小，如若失常则报警，很好的保证了生产的安全运作。通过测取压力的大小也可以知晓液面的高度。总而言之，为了保证生产的正常运行，必须按照工艺要求保持稳定的压力，所以准确测量压力在实际过

13、程是非常重要的。1.2 压力检测系统的研究现状压力检测系统靠的就是压力传感器去采集压力信号。传感器从探索宇宙到海洋的开发，从生产过程的控制到现代科技文明中都有使用，使用面几乎涵盖了任何一项现代科技产物。世界上很多国家十分重视发展传感器技术，传感器技术可以应用在工业、农业、国防、科技等各个领域，有着极其广阔的前景。例如，在日本传感器技术被列为六大核心技术之一，其他五项核心技术为通信、激光、半导体、超导和计算机。并且日本还将传感器列为六大技术之首；美国将上世纪 90 年代看作是传感器时代，将传感器技术列为 90 年代 22 项关键技术之一。我国在传感器的研究上也已经有二十多年的历史并取得了很大的成

14、就。21 世纪提出了科学技术就是第一生产力的口号，各项科学技术在这一浪潮下取得了突飞猛进的发展和进步，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些领域我国已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国在传感器技术的研究和生产还落后于国外传感器技术，如今正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的研究起步较晚，各方面理论缺乏和实践不够，离实际应用需求xx 本科生毕业设计（论文）第 1 页 共 61 页还有很大差距，尤其是用于压力测量的压力传感器。如何生产高性能、小体积、低成本的智能压力传感器系统还需进一步开发和研究。因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统有利于促进信息技术及自动化技术的发展，

15、对提高设备性能及自动化水平具有重要意义。压力的实时检测和控制能够保证生产设备的安全运行。压力传感器是工业仪器、仪表控制中最为常用的一种传感器，广泛地应用在各种工业生产环境中，涉及众多行业。通过压力传感器将被测物体的压力信号转化为电信号，再经过放大器进行信号放大，送至 24 位 A/D 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，再经单片机转换成 LCD 显示器可以识别的信息，最后显示输出。1.3 课题任务该设计能够实现压力检测系统的智能检测，如实时压力测量、手动存储压力值、压力预警、数据统计分析等。该课题以 STC89C51RC 单片机为控制核心，配合电阻应变式压力传感器、A/D 模

16、数转换芯片 HX711、12864 液晶显示等外围器件，对压力检测系统进行控制与数据采集。LCD 液晶设备显示压力值的测量结果及数据统计分析结果等，配合蜂鸣器和 LED 二极管进行声光报警。压力传感器采集被测物体的压力信号，传输给单片机进行分析处理。另外系统配有键盘，可以实现手动存储、预警值设定、系统复位，数据统计分析的有关功能。xx 本科生毕业设计（论文）第 2 页 共 61 页2 系统分析与总体方案设计2.1 压力检测系统的整体设计压力检测系统装置主要由五个模块组成：1、数据采集模块。该模块的作用是将检测到的模拟信号转换成为数字信号，经电平保护后输出到数据处理部分。2、信号处理模块。用单片

17、机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令。3、人机交互模块。由 4*3 矩阵键盘及液晶显示单元组成。通过 4*3 矩阵键盘对单片机下达指令实现对系统的控制；显示采用 12864 液晶模块，可以提供丰富、直观、友好的信息界面。4、声光报警模块。当报警程序启动时，蜂鸣器发出声音、发光二极管点亮。5、电源供电模块。系统通过 USB 电源供电，单片机程序也可通过 USB 线串行下载。借助按键开关操作可控制电源的通断，实现系统的良性运作。通电后电源指示灯点亮。压力检测系统框图如图 2.1 所示：压 力 传 感 器2 4 位 A / D 芯 片H X 7 1 1 电 路S T C

18、 8 9 C 5 1 R C单 片 机电源供电矩 阵 键 盘液 晶 显 示图 2.1 压力检测系统框图2.2 压力检测系统的设计方案实 时 压 力 测 量 和 实 时 压 力 监 控 预 警 是 压 力 检 测 系 统 装 置 的 最 重 要 两 个 部 分 ， 它 是实 现 其 他 功 能 的 基 本 条 件 ， 这 两 部 分 性 能 的 好 坏 将 关 系 到 整 个 系 统 的 性 能 ， 所 以 设 计一 个 成 本 低 、 可 靠 性 高 、 测 量 精 度 高 、 安 装 调 试 方 便 的 压 力 检 测 系 统 是 该 设 计 的 关 键 。xx 本科生毕业设计（论文）第 3

19、 页 共 61 页2.2.1 实时压力测量显示方案本 装 置 中 系 统 压 力 的 检 测 ， 采 用 量 程 为 10kg 的 高 精 度 电 阻 应 变 式 压 力 传 感 器 ，将 压 力 信 号 转 换 为 模 拟 信 号 ， 再 传 送 给 A/D 模 数 转 换 芯 片 HX711。 输 出 数 字 信 号 给单 片 机 进 行 处 理 分 析 。 压 力 传 感 器 在 每 次 单 片 机 复 位 后 自 动 校 准 归 零 。 再 放 上 物 体 进行 压 力 测 量 ， 显 示 器 可 以 实 时 显 示 当 前 所 测 物 体 的 质 量 ， 并 且 用 户 可 以 根

20、据 需 要 将 压力 值 进 行 手 动 存 储 ， 然 后 通 过 按 键 查 询 所 存 储 的 历 史 数 据 。2.2.2 实时压力监控预警方案为 了 实 时 监 控 压 力 大 小 ， 预 先 在 程 序 中 设 定 阈 值 为 9.999kg， 系 统 开 启 后 默 认 的阈 值 即 为 9.999kg。 用 户 可 以 根 据 需 要 通 过 按 键 操 作 ， 在 0.0009.999kg 区 间 内 修 改阈 值 大 小 。 然 后 按 确 认 键 即 可 完 成 阈 值 重 设 的 操 作 。 放 置 被 测 物 体 在 压 力 托 盘 上 ， 当压 力 超 过 所 设

21、定 的 压 力 值 时 ， 系 统 报 警 ， LED 灯 点 亮 ， 蜂 鸣 器 发 出 声 音 。 被 测 物 体的 压 力 ， 经 过 传 感 器 变 为 模 拟 信 号 ， 再 经 模 数 转 换 芯 片 HX711 转 换 为 数 字 信 号 。 输出 给 单 片 机 ， 然 后 运 算 处 理 ， 判 断 检 测 到 的 压 力 和 阈 值 ， 如 若 该 压 力 大 于 阈 值 ， 则 系统 将 显 示 出 此 时 压 力 值 ， 并 发 出 报 警 提 示 ； 小 于 则 在 液 晶 上 正 常 显 示 当 前 压 力 值 。xx 本科生毕业设计（论文）第 4 页 共 61 页

22、3 系统硬件电路设计3.1 单片机系统单 片 机 是 集 成 在 一 块 芯 片 上 的 完 整 计 算 机 系 统 。 单 片 机 很 多 功 能 集 成 在 一 块 小 芯片 上 ， 它 具 有 一 个 完 整 计 算 机 所 需 要 的 大 部 分 组 件 ： 外 部 总 线 系 统 、 内 存 和 CPU 同时 集 成 实 时 时 钟 通 讯 接 口 、 定 时 器 和 实 时 时 钟 等 外 围 设 备 。 单 片 机 也 称 作 单 片 微 电 脑或 单 片 微 型 计 算 机 ， 它 是 把 中 央 处 理 器 （ CPU） 、 随 机 存 取 存 储 器 （ RAM） 、 只

23、读 存储 器 （ ROM） 、 输 入 /输 出 端 口 （ I/O） 等 主 要 计 算 机 功 能 部 件 集 成 在 一 块 集 成 电 路 芯片 上 的 微 型 计 算 机 。3.1.1 单片机选型世 界 上 各 大 芯 片 制 造 公 司 都 推 出 了 自 己 的 单 片 机 ， 从 8 位 到 16 位 再 到 32 位 ，数 不 胜 数 ， 应 有 尽 有 ， 有 很 多 与 主 流 C51 系 列 兼 容 的 ， 也 有 不 兼 容 的 ， 但 它 们 各 具特 色 ， 相 辅 相 成 ， 为 单 片 机 的 应 用 提 供 广 阔 的 天 地 。自 从 上 世 纪 80 年

24、 代 初 Intel 公 司 推 出 MCS-51 系 列 单 片 机 以 后 ， 全 球 诸 多 著 名 的半 导 体 厂 商 相 继 生 产 与 51 系 列 兼 容 的 单 片 机 ， 使 得 单 片 机 型 号 不 断 增 加 ， 功 能 不 断增 强 ， 品 种 不 断 丰 富 3。 本 系 统 采 用 STC89C51RC 作 为 核 心 单 片 机 系 统 ，STC89C51RC 是 一 种 高 性 能 、 低 功 耗 8 位 微 控 制 器 。 引 脚 图 如 下 图 3.1 所 示 。图 3.1 单片机引脚图 单片机各引脚介绍： I/O 口引脚 P0（第 32 脚39 脚）：

25、双向 8 位三态 I/O 口。当接外部存储器时，总线复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的低 8 位。 I/O 口引脚 P1（第 1 脚8 脚）：8 位准双向 I/O 口。由于此端口没有高阻态，所以无法输入进行锁存，所以并不是真正意义上的双向 I/O。xx 本科生毕业设计（论文）第 5 页 共 61 页 I/O 口引脚 P2（第 21 脚28 脚）：8 位准双向 I/O 口。当使用外部存储器时，总线复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的高 8 位。 I/O 口引脚 P3（第 10 脚17 脚）：8 位准双向 I/O 口。P3 口不仅可以作为一般的数据总线使用，这 8 个引脚还有

26、各自的特殊功能，属于复用双功能口。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表 3.1 所示，值得强调的是，P3 口每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。表 3.1 P3 口第二功能表引脚 特殊功能P3.0 RXD（串行输入端）P3.1 TXD（并行输入端）P3.2 INT0(外部中断 0)P3.3 INT1(外部中断 1)P3.4 T0（定时器/计数器 0 输入端）P3.5 T1（定时器/计数器 1 输入端）P3.6 WR（外部数据存储器写选通信号输出端）P3.7 RD（外部数据存储器读选通信号输出端） 电源引脚 Vcc（第 40 脚）：接+5V 电压。 电源引脚 Vss（第 20

27、脚）：接地。 外部晶振引脚 XTAL1 与 XTAL2（第 19 脚,18 脚）：接外部晶振时，将振荡信号输入给单片机内部的时钟发生器。 EA（第 31 脚）：当 EA 为低电平时，不管内部是否有程序存储器（8031 型号单片机没有内部存储器） ，单片机只访问外部程序存储器。当 EA 为高电平时，先访问内部程序存储器，当寻址地址超过容量时，自动访问外部程序存储器。 PSEN(第 29 脚)：当从外部程序存储器读取指令时，每个机器周期内 PSEN 两次有效，时外部程序存储器的读选通信号。 ALE（第 30 脚）：当不访问外部存储器时， ALE 引脚周期性的输入正脉冲信号，可以作为对外输出的时钟，

28、频率为振荡器频率的 1/6。当访问外部存储器时，ALE用于地址低位字节的锁存。 RST（第 9 脚）：当 RST 上出项两个机器周期以上的高电平时，单片机将复位。单片机 STC89C51RC 内部 ROM 空间大小为 4K，地址范围从 0000H 到0FFFH。RAM 空间大小为 128 字节，地址范围从 00H 到 FFH。地址 80H 到 FFH 为特xx 本科生毕业设计（论文）第 6 页 共 61 页殊功能寄存器区，用于计数器/定时器，串行通信，累加器以及一些特殊的控制寄存器。3.1.2 单片机晶振电路和复位电路（1）晶振电路晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并

29、联再串联一个电容的二端网络。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，给单片机提供工作所需要的时钟信号 4。理论上来说，振荡频率越高表示单片机运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。同时单片机性能的好坏，不仅与 CPU 运算速度有关，而且与存储器的速度、外设速度等都有很大关系。因此一般选用 612MHZ。并联谐振电路对电容的值没有严格要求，但会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等。陶瓷封装电容可以进一步提高温度稳定性 STC89C51RC 内部有一个高增益反相放大器用于构成振荡器。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值选择与负载

30、电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地。这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容。一般的晶振的负载电容为 15pF 或 12.5pF， 如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个 22pF 的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶振与单片机的脚 XTAL0 和脚 XTAL1 构成的振荡电路中会产生偕波。这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见。 ATMEL 公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个 10pf-50pf 的瓷片电容接地来削减

31、偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在 10pf-50pf 之间都可以的。本系统采用了 12 MHZ 的晶振。图 3.2 单片机时钟原理图（2）复位电路xx 本科生毕业设计（论文）第 7 页 共 61 页单片机的复位电路有两种，上电自动复位方式以及手动复位方式。本系统已具备电源开关键，可以使用上电自动复位方式。复位是单片机的初始化操作。其主要功能使单片机从 0000H 单元开始执行程序。51 单片机是高电平复位，给单片机加 5V 电源（上电）启动时的情况：这时电容充电相当于短路（电容特性：通交流，隔直流，上电瞬间相当于交流） ，可以认为 RST 上的电压就是 VCC，这是单片机就是复位

32、状态。随着时间推移电容两端电压升高，即造成 RST 上的电压降低，当低至阈值电压时，即完成复位过程。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。RST 脚上只要保持 10ms 以上高电平，系统就会有效复位。电容 C1 可取 1033F，R 取10k，充电时间常数为 1010-610103=100ms。其电路如图 3.3 所示：图 3.3 单片机复位原理图电容的作用就是缓冲使 RST 端保持高电平一段时间，以达到有效复位，电容越大，保持的时间就越久。单片机的复位需要至少持续两个机器周期以上的高电平的时间，所以在刚开始上电的时候图 3.3 中的电容 C1 充电，所以在单片机的复位引脚 R

33、ST 上会出现大于 2 个机器周期的高电平，使单片机复位。3.2 数据采集模块使用型号为 CZL-A、量程为 10kg 的电阻应变式压力传感器，对被测物体进行压力采集并将其转换成电压信号，输出电压信号通常很小，此时需要利用 HX711 转换模块中的可编程放大器进行放大。放大后的模拟电压信号经 24 位 A/D 转换芯片 HX711 电路转换成数字量，通过 2 线串行方式与单片机通信，即可完成数据的采集工作。数字采集模块原理图如图 3.4 所示。xx 本科生毕业设计（论文）第 8 页 共 61 页图 3.4 数据采集模块图3.2.1 压力传感器（1）压力传感器的选择在本设计中，我们需要使用压力传

34、感器来对物品重量进行测量。压力传感器在压力检测系统中是一个重要的元件，因此，在选择压力传感器时需要考虑其量程和参数，还要考虑它的性价比和兼容性等等。由压力传感器将所测压力信号转换成容易测量的电信号输出，经过 A/D 转换及单片机处理后传送给液晶显示压力值，或供报警使用。压力传感器的种类有很多，比如应变式传感器，电容式压力传感器、压电传感器，谐振式压力传感器直接位移式传感器或是利用磁弹性、压阻等物理效应的传感器。压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器 5。但压电传感器只能用于动态测量。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，即需要测量回路具有无限大的输

35、入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。电阻应变式传感器具有悠久的历史。电阻应变式传感器具有金属的应变效应，即如果有外力存在，那么金属会发生微弱的形变，从而改变其电阻值。它具有结构简单，精度高，易于实现小型化等特点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。对于大应变有较大的非线性的输出信号较弱，但可以通过一些措施来补偿。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，因为压力传感器在工作时应变片的形变量很小，导致电阻变化很微弱，测量得到的结果未必准确，并且由于结果数值很小，导致我们处理起来将会十分困难。因此，我们可以把测量结果经过某些电

36、路将电阻变化或形变量转化为电信号，以此来提高测量效率和精确度 6。此处通常选用测量电桥作为转换电路。此处的测量电桥选用直流电桥，因为直流电桥抗干扰能力强，但是输出信号小，所以需要对转换的电信号通过高效的放大电路进行放大。R1、R2、R3 和 R4 组成惠更斯电桥，将两对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图 3.5 所示。图 3.5 测量电桥原理图（2）电阻应变式传感器测量原理xx 本科生毕业设计（论文）第 9 页 共 61 页电 阻 应 变 式 压 力 传 感 器 主 要 由 弹 性 元 件 、 电 阻 应 变 片 等 组 成 。 传 感 器 内 部 线 路 采用 惠 更 斯 电

37、 桥 ， 当 弹 性 体 承 受 载 荷 产 生 变 形 时 ， 转 换 元 件 电 阻 应 变 片 也 会 受 到 拉 伸 或变 形 ， 它 的 阻 值 将 发 生 变 化 ， 从 而 使 电 桥 失 去 平 衡 ， 产 生 相 应 的 差 动 信 号 ， 供 后 续 电路 测 量 和 处 理 。 电 阻 应 变 式 传 感 器 测 量 原 理 图 如 图 3.6 所 示 。图 3.6 电 阻 应 变 式 传 感 器 测 量 结 构 图当 外 界 施 加 一 个 垂 直 正 压 力 P 作 用 于 金 属 横 梁 上 时 ， 横 梁 产 生 形 变 ， 电 阻 应 变片 R1、 R3 受 压

38、 弯 拉 伸 ， 阻 值 增 加 ； R2、 R4 受 压 缩 ， 阻 值 减 小 。 电 桥 失 去 平 衡 ， 产生 不 平 衡 电 压 ， 不 平 衡 电 压 与 作 用 在 传 感 器 上 的 载 菏 P 成 正 比 ， 从 而 将 非 电 量 转 化成 电 量 输 出 7。（3）电阻应变片的基本结构电阻应变式压力传感器是将所测物体压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的。应变片即是该型传感器的核心，它是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被测件上的应变的变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常是将应变片通过特殊的方式使其紧密的粘合在应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也

39、跟着产生形变，应变片的阻值也改变，从而使加在电阻上的电压发生变化 7。电阻应变片主要由四部分组成。基本结构如图 3.7 所示，电阻丝是应变片敏感元件；基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘，引出线用以连接测量导线。图 3.7 电阻应变片的基本结构xx 本科生毕业设计（论文）第 10 页 共 61 页3.2.2 信号放大电路压力传感器的输出电压范围为 020mV，而 A/D 转换的输入电压需要为 02V ，因此放大环节要有 100 倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70150 倍） ，根据本设计的实际情况增益设为 100 倍即可。由压力传感器的测量原理可知，

40、电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成电阻的相对变化率 R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值200，灵敏系数 K 为 3，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为 1000，则应变电阻相对变化率为：R/R = K= 31000106 =0.003 （3-1）由式 3-1 可以看出电阻变化 R 只有 0.6，其电阻变化率只有 0.3%。这么小的电阻变化既难以直接准确地测量，又不便直接处理。所以必须采用转换电路，把应变片的R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换芯片接收的信号。 我们采用

41、结合HX711 芯片的放大电路，图 3.8 如下所示：图 3.8 HX711 芯片放大电路3.2.3 A/D 模数转换模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称 A/D 转换器。本次设计中 A/D 转换器的任务是将放大器输出的模xx 本科生毕业设计（论文）第 11 页 共 61 页拟信号转换位数字量进行输出。（1）A/D 转换模块器件选择目前许多类型的单片机内部已带有 A/D 转换电路，但此类单片机会比无 A/D 转换功能的单片机在价格上高出一些，为了节约成本，我们采用一个 51 单片机加上一个A/D 转换器，实现模数转换的功能，A/D 转换部分是

42、整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的 A/D 转换芯片，有传统的并行、串行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展起来的- 型和流水线型 ADC，多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的应用要求。这 里 A/D 转 换 芯 片 可 选 ADC0832、 ADC0809、 HX711 等 ； A/D 转 换 芯 片 种 类 很多 ， 最 常 见 的 属 于 串 行 和 并 行 接 口 模 式 ， 接 口 模 式 是 选 择 器 件 的 一 项 重 要 指 标 。 在 同样 的 转 换 分 辨 率 和 转 换 速 度 的 下 ， 不 同 的

43、 接 口 方 式 会 对 电 路 结 构 及 采 用 周 期 产 生 影 响 。本 次 设 计 并 没 有 选 择 常 见 的 并 行 接 口 A/D 转 换 器 ADC0809 或 者 串 行 接 口 A/D 转 换器 ADC0832。 根据系统的精度要求以及综 合 的 分 析 比 较 ，本设计采用了 24 位 A/D 转换器 HX711， 芯 片 封 装 如 下 图 3.9 所 示 。 与 同 类 型 其 它 芯 片 相 比 ， 该 芯 片 集 成 了 包 括稳 压 电 源 、 片 内 时 钟 振 荡 器 等 其 它 同 类 型 芯 片 所 需 要 的 外 围 电 路 ， 具 有 集 成

44、度 高 、 响应 速 度 快 、 抗 干 扰 能 力 强 等 优 点 。 降 低 了 系 统 的 整 机 成 本 ， 提 高 了 整 机 的 性 能 和 可 靠性 。图 3.9 HX711 封 装 图（2）A/D 转换芯片 HX711 的简介HX711 芯片采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度压力测量而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。该芯片与单片机的接口电路设计和程序编写非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A 的可编程增益为 128 或 64，对应的满额度差分输入信号

45、电压值分别为20mV 或40mV。通道 B 则为固定的 32 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的 A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源 8。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。有关引脚说明如下表 3.2 所示：xx 本科生毕业设计（论文）第 12 页 共 61 页表 3.2 HX711 引脚说明管脚号 名称 性能 描述1 VSUP 电源 稳压电路供电电源：2.6V5.5V2 BASE 模拟输出 稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）3 AVDD 电源 模拟电源：2.6V5.5V4 VFB 模拟输

46、入 稳压电路控制输入（不用稳压电路时为应接地）5 AGND 地 模拟地6 VBG 模拟输出 参考电源输出7 INA- 模拟输入 通道 A 负输入端8 INA+ 模拟输入 通道 A 正输入端9 INB- 模拟输入 通道 B 负输入端10 INB+ 模拟输入 通道 B 正输入端11 PD_SCK 数字输入 断电控制（高电平有效）和串口时钟输入12 DOUT 数字输出 串口数据输出13 XO 数字输入输出 晶振输入（不用晶振时无连接）14 XI 数字输入 外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器15 RATE 数字输入 输出数据速率控制，0:10HZ；1:80HZ16 DVDD 电源 数字电源：2.6

47、V5.5V正常情况下 HX711 与单片机的接口应为 2 条数据线，分别是 PD_SCK、DOUT。它的结构示意图如图 3.10 所示。 图 3.10 HX711 内 部 方 框 图 xx 本科生毕业设计（论文）第 13 页 共 61 页芯片的串口通讯线由PD_SCK 和DOUT 两端口构成，用来输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT 为高电平时，表明A/D 转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK 应为低电平。当DOUT 从高电平变低电平后，PD_SCK 应输入25 至27 个不等的时钟脉冲（图二） 。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24 位数据的最高位（

48、 MSB） ，直至第24 个时钟脉冲完成，24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27 个时钟脉冲用来选择下一次 A/D 转换的输入通道和增益，参见下表3.3表 3.3 输入通道和增益选择PD_SCK 脉冲数 输入通道 增益25 A 12826 B 3227 A 64PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于25 或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D 转换器的输入通道或增益改变时，A/D 转换器需要 4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。（4）HX711 的数据输出，输入通道和增益选择时序图如下图 3.11 所示。图3

49、.11 数据输出，输入通道和增益选择时序图当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD_SCK 用来控制HX711 的断电。当PD_SCK 为低电平时，芯片处于正常工作状态。断电控制图T2:PD_SCK脉冲上升沿到 DOUT 数据有效T4：PD_SCK正脉冲电平时间T3：PD_SCK正脉冲电平时间T1：DOUT 下降沿到 PD_SCK 脉冲上升沿xx 本科生毕业设计（论文）第 14 页 共 61 页如下图3.12所示。图3.12 断电控制芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。3.3 人机交互模块矩阵键盘和液晶显示电路是压力检测系统与用户交互的接口，用户通过显示来观察压力大小及经过数据统计分析处理后的系统状态参数，再根据观察到的值，通过键盘对单片机进行控制。本节设计了较为合理的键盘和显示电路完成这些功能。3.3.1 液晶显