基于压力传感器的气压检测仪论文.doc
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1、 密 级 公 开 学 号 衡水学院衡水学院 毕业论文(设计)毕业论文(设计)基于压力传感器的气压检测仪 论 文 作 者:指 导 教 师:系别:物理与电子信息系 专业 电子信息工程 年级:提 交 日 期:2017 年 4 月 18 日 答 辩 日 期:2017 年 5 月 05 日 毕业论文(设计)学术承诺毕业论文(设计)学术承诺 本人郑重承诺:所呈交的毕业论文(设计)是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文(设计)中不存在抄袭情况,论文(设计)中不包含其他人已经发表的研究成果,也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名:日 期:毕业论文
2、(设计)使用授权的说明毕业论文(设计)使用授权的说明 本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文(设计)的规定。即:学校有权保留或向有关部门送交毕业论文(设计)的原件或复印件,允许论文(设计)被查阅和借阅;学校可以公开论文(设计)的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文(设计)及相关资料。作者签名:指导教师签名:日 期:日 期:论文题目:基于压力传感器的气压检测仪 摘 要:该设计是基于压力传感器的气压检测仪。设计要求在减少成本的同时,能最大程度的实现预期功能。硬件方面,选择使用相应的单片机、压力传感器、A/D 转换器以及 LCD1602;而在软件方面,用 C 语言编写源程序
3、,利用相关软件编译,之后再将文件拷入芯片中。在保证其所测数据准确性的前提下,尽量简化设计过程,节约成本。关键词:气压检测;压力传感器;单片机;A/D 转换器;C 语言编程 TITLE:PRESSURE DETECTION INSTRUMENT BASED ON PRESSURE SENSOR Abstract:The design is a pressure tester based on pressure sensor.Design requirements can achieve the expected function at the same time of reducing cost
4、.In the hardware,select the use of the corresponding MCU,pressure sensor,A/D converter and LCD1602;In the software,the source program in c language,using the related software to compile,then the file copy chip.In the premise of ensuring the accuracy of the data,try to simplify the design process and
5、 save cost.Key words:Pressure Detection;Pressure Sensor;Monolithic Machine;A/D Convertor;C Language Programming 目 录 摘 要.II Abstract.II 1 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外的研究现状.1 1.2.1 国内的现状.1 1.2.2 国外的现状.1 1.3 课题的设计目标.2 2 检测目标及其检测工具概况.3 2.1 气压的概念.3 2.2 压力传感器的种类.3 2.3 压力传感器前景的展望.3 3 基于压力传感器的气压检测仪的硬件设计.4 3.1 主要
6、设计思路.4 3.2 压力传感器电路设计.5 3.2.1 压力传感器的选取.5 3.2.2 BMP180 的电路设计.5 3.3 A/D 转换器电路设计.6 3.3.1 A/D 转换器的选取.6 3.3.2 ADC0832 的基本用法.6 3.3.3 ADC0832 的简单介绍.6 3.3.4 利用单片机驱动 ADC0832 设计.7 3.4 主控电路的设计.7 3.4.1 STC89C52 的简要介绍.7 3.4.2 STC89C52 的参数.7 3.4.3 STC89C52 的引脚用法.8 3.4.4 STC89C52 与复位、晶振电路的设计.9 3.5 LCD1602 接口设计.9 3.
7、5.1 显示装置的选取.9 3.5.2 显示装置的接口设计.10 3.6 报警模块的设计.10 3.7 按键部分的选取.10 4 气压检测的软件设计.12 4.1 主程序的设计.12 4.2 A/D 转换器的软件设计.12 4.3 LCD1602 的相关设计.13 结语.14 参考文献.15 致谢.16 2013 级电子信息工程专业毕业论文(设计)第 1 页 共 16 页 1 绪论 1.1 课题背景 最近几年,先进的计算机技术飞速发展,不得不承认,我们已经愈发依赖这些高尖端技术了。诸多行业也越来越仰仗计算机及其相关技术的支撑,毫不夸张的说,计算机技术已经渗透到了现代社会的方方面面。其中单片机的
8、应用渐渐为人们所熟知。伴随生活条件的逐渐改善,我们对相应单片机系列产品的规定也更加苛刻。单片机厂商们不断钻研新技术,开发出性能更高、价格更低的产品。越来越多的新产品映入人们的眼帘:各种导航装置、智能 IC 卡、电子宠物等等。基于压力传感器的气压检测仪的设计中也用到了单片机产品。为了使所要设计的电路更为简单,首先放弃了需要用到许多集成块的传统数字电路设计方法,转为使用成本相对较低,性价比相对较高的单片机设计思路。单片机借由编写软件程序和简单的硬件设计完成预计的功能,大大的节约了成本。基于压力传感器的气压检测仪可以将检测到的压力信号向电信号转变,并通过 8 位A/D 转换器将输入的模拟信号向数字信
9、号转变,最后用数码管显示结果。运用单片机STC89C52 进行数据的分析和处理,利用 8 位分辨率的 ADC0832 将模拟量变为所需的数字量。ADC0832 有着相对较高的分辨率和极短的转换时间,0 至 5V 的模拟电压范围,双数据输出的数据校验保证了误差控制在较小的范围,拥有更快的转换速度和稳定性。1.2 国内外的研究现状 1.2.1 国内的现状 虽然我国的传感器相关产业的起步并不算晚,但实际正式大力发展相关项目是到“七五”之后的事情了。通过不断地探索,在力敏、温敏等领域有了一定成果,建立了具有相当规模的产业格局。这一格局有着很多明显的缺点:大规模的企业稀少、在各区域的发展差别较大、缺乏高
10、档的产品等。但它也有自己的发展优势:实力提升速度极快、开发领域大幅拓宽、生产规模有着显著提高等。1.2.2 国外的现状 作为极具现实意义的前沿技术,传感器技术的发展始终在国外备受关注。美国、德国等国在这一领域的实力较强,他们还会时常举办有关传感器的产品交流会,相互借鉴、第 2 页 共 16 页 相互学习,从这些先进的展品身上往往能捕捉到发展趋势的影子。相对于国内来说,国外的传感器研究更注重产品的多功能化、新架构的开发、设定标准的测试手段等。1.3 课题的设计目标 根据基于压力传感器的气压检测仪的情况,此设计能实现以下预期功能:(1)达到较为精准的气压检测预期目标,完成实时测控;(2)装置设计思
11、路清晰,分模块构成,硬件电路设计方便易行,而且容易实现对系统的有效操作;(3)保证在相同的设备测量气压值的情况下,此设计的价格更便宜,实用性更强大,性价比相对更高。据气压检测装置的一些情况,此设计主要用来减少的问题有:硬件电路的设计以及电路的仿真;显示模块和气压传感器程序的编写与调试问题;各功能模块的程序运行与系统的调试;气压检测过程中受其它因素影响而造成的测量误差。2013 级电子信息工程专业毕业论文(设计)第 3 页 共 16 页 2 检测对象及其检测工具概况 2.1 气压的概念 有这样一层空气,内含 NO2,O2,CO2 以及稀有气体等,它围绕在地球的周围,人们通常把它叫做大气。这种空气
12、疏密程度和高度有着密切的联系,而且它的厚度很厚,如同水压一样,大气中的各种事物也会受到气压的影响。值得注意的是,大气压和平时所说的压力是有所不同的。所谓的大气压,指的是从宏观上看的大气压力,而平时说的压力则是一种微观的描述,二者有着很大的区别,不能一概而论。通常情况下,大气压和海拔、温度、纬度等因素有着直接的联系,它们都是研究大气压时不能忽略的干扰因素。2.2 压力传感器的种类 作为核心构成要素,压力传感器的选取应更加慎重。它可以将测得的压力信号向相应的电信号转变,能让我们更容易的进行监测。伴随科学的进步,更多功能、更多种类的压力传感器陆续被研制出来。(1)应变片压力传感器 电阻应变片由几个相
13、应的模块构成,其中包括应变丝、绝缘保护片等必备材料。电阻阻值的选择应该合理,要在一定的限度内。既要防止因选用阻值过小,而出现零点漂移,又要防止所取阻值太大,而太容易被外界电磁场干扰。(2)电容式压力传感器 此种压力传感器有其自己的分类,因此特点也有所区别。差动电容式的线性度更好,灵敏度更高;单电容式加工起来相对容易,有更为突出的过载能力。(3)压阻式压力传感器 此型号的传感器需要用到四个特定电阻,使其构成电桥。无压力作用时,电桥处在平衡态。一旦检测到压力作用,电桥便会随之产生变化,通过产生的电信号来获取相应的压力值信息。2.3 压力传感器前景的展望 本身,作为前沿高端产品的传感器正在飞速发展,
14、没隔多久就会有新的产品被研制出来。随着微型加工技术的不断提高,越来越多的传感器将会被批量生产,有望在生物医学、微型机械等相关领域发挥更大的作用。第 4 页 共 16 页 3 基于压力传感器的气压检测仪的硬件设计 3.1 主要设计思路 设计要求有作为电信号的输入通道的前向通道,为的是进行数据的收集,使用依靠单片机 STC89C52 组成的系统进行气压测量。利用传感器将检测到的压力向电信号转变,通过 A/D 转换器的处理使之变成数字量,计算机才能进行有效的处理。设置气压的有效范围,利用三极管、蜂鸣器等元器件制作报警电路,超出规定的范围值就会立即报警。气压检测仪使用STC89C52单片机作为微处理器
15、,使用BMP180型号的压力传感器,利用 ADC0832 实现数字信号的转换,单片机与 LCD1602 相连来显示压力数据。气压的范围设置为 15kpa 到 110kpa,一旦超出了这个范围,系统立刻自动报警。主要电路图设计见图 3-1,结构图见图 3-2。图 3-1 主电路图 2013 级电子信息工程专业毕业论文(设计)第 5 页 共 16 页 图 3-2 系统框图 3.2 压力传感器电路设计 3.2.1 压力传感器的选取 压力传感器的选取要依据其相应的性能参数和实际的需要,不是随便一个就行的。一定要具备温度补偿的功能,利用这一特点来解决常见的温度漂移问题,使得数据变得更加准确可靠。为了保证
16、电路的简化以及具备相对较高的稳定性和抗干扰性,所选用的传感器必须具备温度补偿功能。所以考虑使用 BMP 压力传感器,它内含放大电路,无需另外增加放大电路,可以产生高精度的模拟电压。作为一种半导体压力传感器,该类型利用了先进的微电子技术以及薄膜镀金属,能以极高的水准为其输出信号提供均衡压力。为了保证使误差在可控范围之内,应该要求一定的温度补偿。由于其具有极高的可集成度,所以它深受广泛的欢迎。3.2.2 BMP180 的电路设计 我们可以通过分别给模拟电源、数字电源接上一个固定值的电容,借此来测量不同程度的电压值。读数的话,从 I2C 接口便可实现。从发送信号算起,大约耗费几毫秒的时间,便能够得到
17、结果。期间,还会利用到 E2PROM 里面的规范数据,要注意压力单位间的换算。若想要读取这些数据,还要再一次用到 I2C 接口。(注意:不同类型的电源能实现对 BMP180 的独立供电)连接方式如图 3-3 所示。图 3-3 BMP180 电路图 复位电路 气压传感器 A/D 转换器 STC89C52 单片机 液晶显示 报警电路 第 6 页 共 16 页 3.3 A/D 转换器电路设计 3.3.1 A/D 转换器的选取 现如今的单片机的相关产品种类繁多,其中就有内部自带 A/D 转换电路的单片机,但相应的比起普通不带 A/D 转换功能的单片机来说,其价格就高出了很多。所以,综合考虑,我们选择使
18、用单片机外接 A/D 转换器,以此来实现想要的功能,例如 ADC0832、ADC0809 等。A/D 转换器分为串行接口和并行接口,这作为一项重要的指标应妥善选择。通过比较不同类型的 A/D 转换器,综合考量它们性价比,最后我们决定选取ADC0832 这一种,它具备串行接口的特点,相比其他类型,结构更为简单,应用更为广泛。3.3.2 ADC0832 的基本用法 ADC0832 工作的 CS 是在下降沿。当时钟信号从高电平变为低电平时,ADC0832里面的地址移位寄存器接收 DI 传入的数据。再接下来,开始通过输入模拟通道进行转换。为了使选定通道稳定,连续两个时钟周期延迟。在第四个下降沿时,得到
19、相应的数据,接下来,再由高向低逐位输出。要想使输出变成高阻态,需要使时钟信号变为高电平。若要进入下一轮的转换,只需重复上述过程。3.3.3 ADC0832 的简单介绍 ADC0832 具备的特点:分辨率为 8 位 使用双通道 A/D 转换 输入电压在 05V 间取值(供电电源为 5V)约 15mW 的功耗 具有和 TTL/COMS 相兼容的输入输出电平 8p、14p 的双列直插(DIP)、PICC 多种封装 配置位的说明 ADC0832 运行的时候,输入方式要看输入配置位如何选取。如果考虑输入通道的极性,则说明是差分输入,其中能作为正负极的出入通道不作要求,则任取一个即可。对于差分输入来说,如
20、果配置位的高低位均为低电平,则选择通道号的高位的输入端口为正极性、低位的输入端口为负极性;如果配置位的高位为低电平、低位为高电平,则选择通道号的高位的输入端口为负极性,低位的输入端口为正极性。对于单端输入来说,如果配置位的高位为高电平、低位为低电平,则选择通道号的高位的输入端口为正极性;2013 级电子信息工程专业毕业论文(设计)第 7 页 共 16 页 如果配置位的高低位均为高电平,则选择通道号的低位的输入端口极性为正。3.3.4 利用单片机驱动 ADC0832 设计 通常,单片机借由四条数据线 CS、CLK、DI、DO 与 ADC0832 相连。由于 DI 和DO 端与单片机间是双向接口,
21、在工作时只能有一个有效,所以可以采用并联的方式将他们连接起来。若 ADC0832 停止使用则 CS 输入端为高电平,假如处于工作状态则 CS输入端为低电平。对 CLK 及 DI/DO 的电平不作要求。直到转换结束前,CS 输入端不能出现高电平,必须保持低电平。转换工作开始,芯片开始处理时钟脉冲信号,另一方面,经 DI 端输入数据信号。起始信号用 DI 端的高电平表示。当 CH0 要做单通道转换时,SGL/DIF、ODD/SIGN 分别取 1、0;当 CH1 做单通道转换时,SGL/DIF、ODD/SIGN 的取值均为 1。当 CH0、CH1 分别为正负输入端时,SGL/DIF、ODD/SIGN
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