压力传感器实验-单片机课设
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机器人脚底力采集 - 1 - 目 录 第1章 摘要…………………………………………………………………2 第2章 引言…………………………………………………………………2 第3章 总体设计……………………………………………………………3 3.1 理论分析………………………………………………………………3 3.2 过程分析………………………………………………………………3 第4章 硬件电路设计………………………………………………………4 4.1 传感器电路模块 ………………………………………………………4 4.2 传感器电路分解 ………………………………………………………5 4.3 A/D变换电路模块………………………………………………………6 4.4 AT89C51芯片介绍………………………………………………………10 4.5 LCD1602液晶显示………………………………………………………11 第5章 机器人脚底力传感器实验数据采集、显示及程序………………16 5.1 数据采集…………………………………………………………………16 5.2 程序设计………………………………………………………………17 参考文献 ……………………………………………………………………25 小组心得体会 ………………………………………………………………25 - 2 -
第1章 摘要 1.传感器的相关背景及应用简介： 近年来，随着微型计算机的发展，传感器在人们的工作和日常生活中应用越来越普遍。压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。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。本文介绍一种以AT89C51单片机为核心，用ADC0808实现压力模拟信号的AD转换，完成压力传感器实验。简要介绍了压力传感器电路的工作原理和弱信号传感器电路以及A/D变换电路的工作原理，并详细介绍了该传感器的参数设计和制作过程，论证了其可行性，完成了整个实验对于压力的采样和显示。 与其它类型传感器相比，电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于应变式传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。 第2章 引言 电阻应变式传感器按其用途不同，可分为应变测力传感器、应变压力传感器、应变式加速度传感器等。我们主要研究压力传感器， 这种传感器主要用于对气体、液体的动态和静态的压力的测量。如对内燃机管道和动力设备管道进出、出气孔流液的压力、发动机喷口的压力等的测量。这种传感器主要采用膜片、薄板、筒式等组成的弹性元件。传感器所用的应变片电阻值国内标准有：60、120、350、和600等各种阻值，其中以120为最常用。利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量的变化改为压力的变化，即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对 - 3 -
输入信号电平的进行各种转换处理的要求。ADC0808的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，用LCD1602液晶显示出测量结果。 第3章 总体设计 3.1理论分析
该压力传感器实验，采用筒式压力传感器，输出信号通过AD转换器实现模拟到数字的转换，
再经过8051芯片，在LED数码管显示所要的结果。总的电路构建框图如下。
图3.1 基于AT89C51单片机为核心压力传感器实验构建框图 3.2 过程分析 该压力传感器实验，首先采用筒式压力传感器，满足由电阻变化引起的电压变化与压强变化成线性关系，当材料选定后，材料的面积成为定值，则与压力成线性关系。输出信号经过差动放大电路，放大滤波电路，将微弱的噪声信号经过一定倍数的放大和滤波，满足ADC0809 A/D转换器的要求，然后将模拟信号转化成所需的数字信号由单片机采集数字信号存储到单片机地址单元40H（ADResult ），采集数据经8051单片机工程量代换处理，将结果存储到50H（整数部分）和51H（小数部分），调用LCD液晶显示程序显示采样测量值，然后再通过对结果的观察验证实验的正确性。
AD0808 差动放大电路 放大滤波电路 AT89C51 LCD1602显示模块
压力传感 - 4 -
第4章 硬件电路设计 4.1传感器电路模块 压力传感器的工作原理，本质上是惠斯通电桥，这里采用的是最常见的电阻应变片式的压力传感器。它得到广泛应用的原因是温度特性好，减小温度变化带来的误差。膜片上的压力使得电桥不平衡，从而产生一个差动的输出信号，这种结构的基本特性之一是它的差动输出电压U与偏置电压U成正比关系，这种关系隐含压力测量精度直接决定偏置电源的容限值，当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出同时，它也能提供一种温度补偿最通用的方法。本实验研究压力传感器电路如图一所示，为压力传感器的电路，其由三部分组成： （1）电桥电路部分（含电源）； （2）差动放大电路； （3）放大电路部分（含滤波）。
R1100Ω
D1DW2
R21kΩR31kΩRV110kΩR4120ΩR5120ΩR6120ΩR7120Ω321114LM324-1567114LM324-1R81kΩR910kΩR101kΩR1110kΩ321114LM324-2567114LM324-21098114LM324-2100kΩR139.1kΩR1410kΩR1510kΩ
R16100kΩ
R17R189.1kΩR19100kΩC11000pFC2
1000pFC3
1000pF
+12v-12v电压模拟信号输出
R2010K
图一 Proteus设计的压力传感器电路 - 5 -
4.2传感器电路分解： 图二 应变片全桥电路 如图二示，R4、R5、R6、R7为应变片，组成应变片全桥，R2、R3分别与R4、R5并联构成温度补偿电路，RV1为电桥的的调节变阻器，保持初始状态的零输出。
)776-666-5-54444(1RRRRRRRRRRRRUUΔ++ΔΔ+Δ+Δ+
Δ+=
R1100Ω
DW2
R21kΩR31kΩRV110kΩ
R4120ΩR5120ΩR6120
Ω
R7120Ω
321
11
4LM324-1
567
11
4LM324-1
R81kΩ
R910kΩ
R101kΩ - 6 -
图三 差动放大电路 发达倍数：91081R
RRAV
++=
R1110kΩ321114LM324-2567114LM324-21098114LM324-2100kΩR139.1kΩR1410kΩR1510kΩ
R16100kΩ
R17R189.1kΩR19100kΩC11000pFC2
1000pFC3
1000pF
+12v-12v电压模拟信号输出
R2010K
图四 放大滤波电路 LM324-2(1)：2019
R
RAV
=
LM324-2(2)：1416
R
RAV
=
LM324-2(3)：为延时电路 其中C1、C2、C3作用是滤波 最终放大倍数：130倍左右 4.3 A/D变换电路模块 ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别、，较为常见的ADC主要有逐次逼近型、双积分型和电压—频率变换型三种。 这里我们选用逐次逼近型，即ADC0808。它由单一+5V电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对0V—5V的输入模拟电压信号分分时进行转换，完成一次转换约需 - 7 -
100S。片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0808可对0—5V的双极性模拟信号进行转换。ADC0808是28脚双列直插式封装，引脚图如图4.2.1 所示。各引脚功能说明如下： 8122：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。
IN0—IN7:8路模拟量输入引脚。
CCV：+5V工作电压。
GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（—）：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动A/D转换。 EOC：转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端。 ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通IN0—IN7 8通道的一个通道进行转换。
OUT121ADD B24ADD A25ADD C23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220
OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22
U3
ADC0808 图4.2.1 ADC0808引脚图
