基于51單片機的壓力測控系統全套資料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 計算機的管理下更好地發揮信息檢測功能，降 低對元器件的要求，從而降低成本 。另一方面在軟件的支持下使傳感器具有較強的信息處理和通訊能力，具備較高的智能，極大地提高傳感器系統的性能。因此，有認為 :智能傳感器系統是指傳感器 (通過信號調理電路 )與微處理器賦予智能的結合，兼有信息檢測、信息處理及通訊功能的傳感器系統。這些提法突破了傳感器與微處理器結合必須在工藝上集成在一塊芯片上的框框，而著重于兩者賦予智能的結合，使傳感器系統的功能由以往只起信息檢測作用擴展到兼而具有信息處理功能。智能傳感器是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。其主要特征是將傳感器 的檢測信息功能與微處理器的信息處理功能有機的融合在一起，具有一定的人工智能作用。智能傳感概念和智能傳感技術的產生與發展始終伴隨著高科技產業的發展，比如運動對象的速度、位置、姿態等運動數據及溫度、氣壓、加速度、空氣成分等環境因素數據的采集，機器人的推廣應用中以更高級、更智能化的傳感器代替人工操作傳感器系統 。在環境測量中應用智能化的遠程傳感系統向有關人員及時通報環境危機等等，智能傳感器在多方面激發了新一輪的 技術革新 。智能傳感系統的層次結構如圖 13 所示。 圖 13 智能傳感器的層次結構圖 頂層整體控制 中央集中處理（數字系列處理） 中間層（信息過程）中間控制 底層調節與優化 傳感器信號合成與融合 底層（信號過程）傳感與信號規范化 智能傳感器分布并行過程（模擬） 6 信息處理過程 信息處理 過程主要包括兩個方面的內容，一個方面是傳感器采集到的信號可能比較弱，要經過放大器進行放大后才能傳給微處理機進行信息的存儲，顯示，控制。另一個方面是微處理機對信息的處理，既智能化處理。 集成運算放大器 運算放大器最初被用在模擬計算機系統中，它本質上是一個性能優良的高增益直流放大器，加上外部反饋網絡可以完成諸如加、減、乘、除、積分和微分等運算功能，由此得名。運算放大器自問世以來經歷了由電子管、晶體管到單片集成電路（即集成運算放大器）的發展過程，產品的性能價格比不斷提高。目前，集成運算放大器已被廣泛用于儀器儀表、自動控制、計算技術及電信無線電 等領域。 （ 1） 集成運算放大器的基本結構 輸出級 (* 正文不少于 10 千 字 ； 或使用小四字體 圖 14 集成 運算放大器 基本結構圖 集成運放一般包括差動輸入級，中間放大增益級，輸出和偏置電路 ，如圖 14。輸人級一般為差動放大電路，它由兩個特性相當接近的晶體管（或復合管、超 R 管、場效應管）組成，輸人級決定了整個集成運算放大器的失調電壓、失調電流、失調電壓漂移 、失調電流漂移、輸人阻抗、共模抑制比、共模輸人電壓范圍、差模輸人電壓范圍等。中間增益級是由一到兩級直接藕合共發或組合電路放大器組成，此級的主要功能是電壓放大 [6]。 （ 2） 集成運算放大器的差模信號定義為幅值相等、相位相反的一對輸入信號。若設一端的差模輸 入 電壓信號為 iU? ，則另一端的差模輸人電壓信號為 iU? 。 放大器的性能參數主要包括差動開環增益，共模增益，共模抑制比，輸入失調和熱漂移等 。 輸入級 增益級 輸出級 偏置電路 輸出 差動信號 7 微處理機 單片機由于體積小，功能強大，而且具有存儲控制功能而得到廣泛的應用，尤其在工業控制，儀器儀表，計算機外部設備與智能接口等方面。單片機又稱微 處理機 ，它是把中央處理器，存儲器，中斷系統，定是器 /計數器，串行接口，輸入 /輸出接口等功能部件集成在一塊大規模集成電路芯片上的微型計算機。 單片機種類繁多，性能各異，有四位單片機，八位單片機，十六位單片機和三十二位單片機，由于 8 位單片機資源豐富，性價比高，目前應用最廣泛 [7]。 單片機的發展經歷了由 4 位到 32 位的發展，發展歷史雖然不長，但卻在許多領域得到很廣泛的應用，這是因為其卓越的性能和突出的特點 ： （ 1）體積小，成本低，使用靈活，易于產品化。使得能用單片機方便的組成各種智能化的控制設備和儀器，做到機電一體化。 （ 2）單片機的硬件結構和指令系統都帶有很強的控制色彩，可以用單片機有針對性的解決從簡單到復雜的各類控制任務。而且抗干擾能力比較好，其適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環境下都可以可靠的工作 。 （ 3）在單片機內部的各種功能部件不能滿足需要時，均可在外部進行擴展（如擴展 ROM， RAM， I/O 接口，中斷系統等）由于它與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統設計帶來極大的方便和靈活性。 常用的單片機有 Intel公司生產的 MCS48,MCS51,MCS96,存儲器采用哈佛 結構 ,即程序存儲器和數據存儲器獨立尋址 .此外還 有 Motorola 生產的 MC68HC11 系列 ,Microchip 公司生產的 PIC 單片機系列等 。 方案設計 本研究主要是設計一個壓力測控系統 ,包括壓力信號采集 ， 壓力信號傳輸 ,信號處理和顯示 。 設計過程本著系統最大化簡單，產生的誤差較小 ， 使用的范圍比較廣的原則 。 本文將從以下幾個方面開展工作 ： 1. 信息采集 ,主要是通過傳感器采集環境中的因素 ,即測壓電路的實現 ； 2. 微處理機的核心電路設計 ； 8 3. 單片機通信接口的設計 。 整體設計流程 如 圖 15 所示。 圖 15 設計流程圖 系統流程圖 壓力傳感器 放大器 A/D 轉換 微處理機 個人 PC終端顯示 9 第二章 壓力測量電路設計 傳感器概述 傳感器是能感受規定的被測量并按一定規律轉換成 可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換元件指傳感器中能將敏感元件輸出轉換為適用于傳輸和測量的電信號部分。傳感器的輸出 輸入的關系特性是傳感器的基本特性。輸出 輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其內部參數有密切關系，因為不同的內部結構參數決定了他具有不同的內部特性。傳感器測量的物理量基本上有兩種形式：一種是穩態（靜態或準靜態）的形式，這種信號不隨時間變化（或變化很緩慢），另一種是動態（周期變化或瞬態）的形式，這種信號是隨時間變化而變化的， 因此，存在所謂的靜態特性和動態特性。一個高精度的傳感器必須具有良好的靜態和動態特性，這樣才能完成信號的無失真轉換。 傳感器的靜態特性 ： （ 1）線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關系。但實際遇到的傳感器大多都是非線性，在不考慮遲滯，蠕變，不穩定性等因素的情況下，其靜態特性可用多項式代數方程 21 表示 20 1 2 + nny a a x a x a x? ? ? ?… （ 21） 式中 y— 輸出信號 。 x— 輸入信號 。 0a 無輸入時的輸出 ,即零位輸出 ； 1a 傳感器的線性靈敏度 ； 2a , 3a ,… na 非線性項的待定系數 ,各項系數不同 ,決定了特性曲線的具體形式不相同 。 通過理論分析建立的傳感器數學模型往往非常復雜 ,甚至難以實現 。 在實際使用中，為了標定和數據處理的方便 ,希望得到線性關系 ,因此引入各種非線性補償環節 ,如采用補償電路或用計算機軟件進行線性化處理 。 在傳感器輸入量變化范圍較小時 ,可用一條直線近似的代表實際曲線的一段 ,使傳感器的輸出 輸入特性線性化 ,所采用的直 10 線為擬合直線 ， 常用方法有端點直線法 ， 最小二乘法 [3]等 。 (2)靈敏度 靈敏度是指傳感器輸出的變化量 y? 與引起該變化量的輸入變化量 x? 之比 ， 即特性曲線在某處的斜率 。 有公式 22 /S y x?? ? (22) S— 靈敏度 對于線性傳感器 ,它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率，而非線性傳感器的靈敏度為一變量 .實際中 ,由于有源傳感器的輸出與電源有關 ,所以其靈敏度表達式中還考慮電源的影響 。 (3)遲滯性 在相同工作條件下 作 全量程范圍校準時 ， 正行程 (輸入量由小到大 )和反行程 (輸入量由大到小 )所得輸出輸入特性曲線往往不重合 。 即對應于同一大小的輸入信號 ,傳感器正反行程 的輸出信號大小不相等 ,即是遲滯現。 .遲滯是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合的程度 。 遲滯的大小 he 常用正反行程最大輸出差值 maxy? 對滿量程輸出 y 的百分比來表示 ,其表達式為 23 m a x / *10 0%he y y? ?? (23) (4)重復性 重復性是指在相同工作條件下 ,輸入量按同一方向作 全量程多次測試時 ,所得傳感器特性曲線不一致的程度 。 傳感器的動態特性 傳感器的動態特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。一個動態特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規律（變化曲線）將能同時再現輸入隨時間變化的規律（變化曲線），即具有相同的時間函數。但實際上，除了具有理想的比例特性的環節外，輸出信號將不會與輸入信號具有完全相同的實際函數，這就是動態誤差。研究動態特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態響應和頻率響應法來分析。 （ 1） 傳感器數學模型 [4] 傳感器實質上是一個信息轉換和傳遞的通道。理想情況下，輸入量隨時間變化時，輸出量能立即隨之無失真的變化。但是實際的傳感器總是存在著諸如彈性，慣性和阻 11 尼等元件。此時，輸出 y 不僅與輸入 x 有關，而且還與輸入量的變化速度 /dxdt ，加速度 22/d x dt 等有關。在數學上常用常系數線性微分方程表示傳感器輸出量 y 與輸入量 x 的關系， 如： 111 1 0/ / .. . /n n n nnna d y dt a d y dt a dy dt a y???? ? ? ? 111 1 0/ / .. . /m m m mmmb d x d t b d x d t b d x d t b x???? ? ? ? ? （ 24） 式中 na ， 1na? ， … ， 0a 和 mb ， 1mb? ， … ， 0b 為與系統結構參數有關的常數。 傳遞函數：在工程上采用拉普拉斯變換來研究線性微分方程。如果 ()yt 是時間變量 t 的函數 ,并且當 t ? 0 時 , ()yt =0,則其拉氏變換 ()ys 定義為 25： 0( ) ( )sty s y t e dt??? ? (25) 其中 s 是復變量 , s = ,0j? ? ???； 傳遞函數 ()Hs就定義為 26： ()Hs = ()ys / ()xs (26)