優秀畢業設計論文：基于stc89c52rc單片機的光纖f-p壓力傳感器lcd顯示系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 介質種類繁多、介質的物理化學性質極其復雜、現場工作條件惡劣等，這對液位傳感器的設計者提出了嚴峻的挑戰。而光纖液位傳感器適宜于在易燃、易爆、腐蝕和高溫等惡劣的環境中使用，其完全可以滿足工作條件惡劣下的液位監測的需要。且光纖傳感器的高靈敏度，體積小，頻帶寬和易實現遠距離遙控監測的優點也符合現代傳感檢測系統小型化、輕型化、高性能與高可靠性等要求，能夠滿足飛速發展的工業現代化對傳 感器提出的更高要求。 液位傳感器在工業和日常生活中有著重要而廣泛的用途。在化工生產中，它 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 6 頁 可以用來計測反應釜的液位平面和化學儲罐內的液體平面；在冶金工業中，可以用來計測鑄造生產過程中的鋼包液位；在電力工業中，可以用來檢測油浸式變壓器中導熱油的液位；在日常生活中則可用來檢測大量的汽油、柴油和天然氣儲罐中的液位高度等。在上述液位測量場合中，現場工作環境的惡劣 (腐蝕、高溫、電磁干擾和易燃 )對傳感器的設計提出了嚴峻的挑戰。因此，研究一種適于在上述惡劣環境中進行液位自動計量的傳感器，以達到測量的及時性、準確性和高效性的目的，對于液位檢測的正常實施和保障生產運行安全有著重要的意義。 作為信息產業重要構成部分的顯示器件正在加速推進其平板化的進程，用平板顯示器代替陰極射線管顯示器已成為高技術發展的必然趨勢。近年來國內外主要平板顯示技術的發展動態以及最新成果表明，平板顯示技術已經或即將占據顯示技術的主流地位。其中尤以液晶顯示技術目前應用最為廣泛，最有市場前景。液晶顯示器具有科學合理的結構，隨著材料科學、光源技術及半導體工藝技術的發展而同步發展。同時，在計算機軟件和網絡技術的支持下，它正向著集成化、智能化和廉價化的方向發展，發展潛 力非常大，發展空間也十分廣闊。 本文以《壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感器的研究》項目為依托，負責其中的壓力液晶顯示 任務。 全文 以單片機為核心， 具體 研究此 項任務 。 主要工作： 第 1 章 、 緒論，論述 FP 光纖傳感器和液晶顯示器的研究背景、研究現狀和意義，還說明了此課題的 來源、 技術指標及預期效果 等 。 第 2 章 、 系統硬件電路設計 。 介紹系統設計整體框架、 芯片選型，詳細論述每個模塊的功能及芯片的使用方法，并對本章進行小 結。 第 3 章 、 系統軟件設計 。 針對系統每個模塊不同功能編寫程序，通過程序流程圖向大家 展示 軟件 設計方法。 第 4 章 、 測試數據及結果分析 。記錄顯示屏上的實驗 結果，然后將采集數據和理想數據進行分析比較，校正其中的誤差，完成正確顯示壓力數據的任務。 第 5 章 、 總結此次畢設，在設計過程中，我們學到了那些知識，并得到了哪些收獲。 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 7 頁 2 硬件電路設計 系統硬件設計方案 系統的原理框圖如圖 所示， 本次系統設計主要完成液晶顯示任務，以下四個模塊 為硬件電路重要 組成 部分 ： 1 數據采集模塊 。 2 數據處理模塊 。 3 顯示輔助模塊 。 4 人機交互模塊。 串口通信STC 89單片機LCD顯示屏XTAL 1 /XTAL 2RST復位電路時鐘電路電源模塊時鐘芯片手動按鍵RXD / TXDI / OF P 傳感器RS 232 圖 、系統原理框圖 硬件設計思路： 首先，系統通過 STCTSP 軟件 將程序燒寫到單片機上，單片機上電， 同時 將傳感器需要的指令通過串口通信發送到傳感器接口， 傳感器接收到信號后， 將實時壓力信號發送到單片機的數據接收緩沖器中，單片機 采集到壓力數據，然后， 對它進行數據計算、處理 ，同時，讀出輔助模塊中日期寄存器的數據，最后，單片機通過并口通訊 發送 實時 數 據到液晶顯示模塊，顯示屏顯示出需要的壓力、日期數據。手動按鍵 調整日期時間，電源模塊為單片機提供基本電壓，復位電路和時鐘電路下文詳細介紹。 實物圖如圖 所示： 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 8 頁 圖 、系統整體電路圖 塊功能介紹 STC89S52 單片機的主要功能 [2]：向傳感器發送通信協議，接收傳感器壓力數據，對原始壓力數據進行計算、處理，再把需要的壓力數據在 LCD 顯示出來。 1 主要特性： 與 MCS51 兼容 8K 字節可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環 數據保留時間： 10 年 全靜態工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 9 頁 兩個 16 位定時器 /計數器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 2 單片機 STC89S52 有 40 條引腳，與其他 89 系列單片機引腳是兼容的。這40 條引腳可分為 I/O 端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝 (DIP)形式 (如圖 所示 )和方形封裝形式 。 圖 、雙列直插封裝 (DIP)形式 管腳說明 [3,4]： (1) VCC：供電電壓； (2) GND：接地； (3) P0 口： P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用 于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FLASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FLASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 (4) P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個 TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入； P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 (5) P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器 可接 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 10 頁 收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 ―1‖時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 ―1‖時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 (6) P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL 門電流。當 P3 口寫入 ―1‖后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 ,這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 所示： 表 特殊功能口 引 腳 第二功能 信 號 名 稱 RXD 串行數據接收 TXD 串行數據發送 INT0 外部中斷 0 請求 INT1 外部中斷 1 請求 T0 定時器 /計數器 0 計數輸入 T1 定時器 /計數器 1 計數輸入 WR 外部 RAM 寫選通 RD 外部 RAM 讀選通 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 (7) RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 (8) ALE/ PROG ：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是： 每當用作外部數據存儲 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 11 頁 器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止，置位無效。 (9) PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 信號將不出現。 (10) EA /VPP：當 EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000HFFFFH)，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， 將內部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源 (VPP)。 (11) XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 (12) XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 復位電路：單片機在開機時或在工作中因 干擾而使程序失控或工作中程序處于某種死循環狀態等情況下都需要復位。復位的作用是使中央處理器 CPU 以及其他功能部件都恢復到一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。 AT89C51 單片機的復位靠外部電路實現，信號由 RESET(RST)引腳輸入，高電平有效，在振蕩器工作時，只要保持 RST 引腳高電平兩個機器周期，單片機即復位。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至內部 時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個 EPROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫 ―1‖且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行 [3]。 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 12 頁 數據采集模塊 1 光纖傳感器信號采集 傳感系統由寬帶光源、光纖耦合器、 FP 探頭、密集波分復用器 (DWDM)、光電探測器、信號調理與采集及信號處理部分構成，如圖 所示。寬帶光源輸出光經單模光纖耦合器 (50:50)分光，其中一束進入 FP 腔，由 FP 腔返回的干涉光經 DWDM 產生兩路相位處于正交的輸出信號，然后經光電探測器與信號調理電路作相應轉換處理后，用采集板采集后進入處理單元進行信號解調 [14]。 圖 、壓力式光纖 MEMS FP 液位傳感系統總體設計框圖 FabryPerot 液位傳感器液體內的壓強與深度的 關系 [5]為： P=R+pgh 式中： R——標準大氣壓強 p(rou)——液體密度 g——重力加速度 ,約為 米每二次方秒 h——液體的深度 P——液體 內深度為 h 處的壓強。 當液體的密度 p 一定時，將傳感器置于容器底部，通過檢測該位置的壓強，就可以得知該容器內液位的高度。 將彈性薄片材料作為 FP 腔的一個端面，當壓強作用在 FP 腔的這個端面上，該端面會產生彈性形變，形變大小與此端面受到的壓強差有關。彈性薄片的變形將使 FP 腔上下兩個反射面間距改變，即 FP 腔的腔長發生改變。當相干光入射到 FP 腔后，反射回的輸出光由于腔長的改變使得輸出的干涉光強度發生相應變化，測量輸出光能量就可得到相關壓強大小，即可計算得到液位的高度。傳感器 東北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 13 頁 頭結構如圖 所示。 圖 、光纖 FP 液位傳感器結構 2 串口通信 串行通信是指通訊的發送方和接受方之間的數據信息的傳輸是指單根數據線上，以每次一個二進制為移動的，它的優點是只需要一對傳輸線進行傳送信息，因此其成本低，適用于遠距離通信；它的缺點是傳送速度低。 串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方式．同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復雜．而異步通信應用于傳送速度在 50 到 19200 波特之間．是比較常用的傳送方式．在異步通信中，數據是一幀一幀傳送的，每一串行幀的數據格式由一位起始位， 58 位的數據位，一位奇偶校驗位 (可省略 )和一位停止位四部分組成．在串行通信前，發送方和接收方要約定具體的數據格式和波特率 (通信協議 )． 由于 89S52 單片機與傳感器是通過異步通訊口進行接口的，單片機的異步通訊口采用的是標準 TTL 正邏輯電平：即邏輯 ―