1、 .PAGE36 / NUMPAGES42密級：NANCHANGUNIVERSITY學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR（20092013年）題 目 智能化壓力傳感器的設計 學 院： 環化學院 系 測控系 專業班級： 測控技術與儀器093班 學生： 鐘 剛 學號： 5801209114 指導教師： 誠 職稱： 講 師 起訖日期：2013.3.152013.6.6 南 昌 大 學學士學位論文原創性申明本人重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究作

2、出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本論文的全部或部分容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不。（請在以上相應方框打“”）作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：摘 要傳感器與轉換器形成系統的“前端”，沒有它，許多現代化的電子系統都無常工作。傳感器已廣泛的應用于工業控

3、制系統和能源工業裝置當中（如石油和天然氣的生產、配電工業）。它們也是制造錄音機和錄像機這些原始設備產品的重要在組成部分。大多數這些數字電子系統之所以具有普遍性和強大優勢是得益于傳感器廣泛應用于這些電子電路中。本課題將深入研究智能壓力傳感器系統理論與其在壓力測試方面的應用，對新型智能壓力傳感器系統的智能化功能、智能化軟件和硬件配置進行全面的設計。提出了一種差動電容式傳感器的前置電路,基于電容/ 電壓轉換的原理,對微小電容變化量進行測量。電路輸出的直流電壓與差動電容變化量成線性關系,且能對偏差電容和電路的漂移進行自動補償。完善智能化軟件，實現溫度補償、自動校準、總線數字通訊、自動增益控制等多種智能

4、化特性，使智能化程度盡可能的提高。 關鍵詞：傳感器；壓力；智能化。AbstractSensors and transducers form the “front-ends”, without which many modern electronic systems could not function. Such components are implemented extensively in industrial control systems and energy industry installations (e.g. the oil and gas production and di

5、stribution industries). They are also essential components within OEM products such as tape recorders and VCRs. In most of these systems digital electronics is pervasive and considerable advantages are obtained where the sensor is provided complete with extensive electronic circuitry.This article de

6、lves into thesmart pressure sensorsystem theory and itsapplication ofpressuretesting, theintelligent featuresofthenewcan onlypressuresensor systems, intelligent software andhardware configurationtoconductacomprehensivedesign. A prepositive circuit for differential capacitance transducers is proposed

7、. It can be used to detect smallcapacitance changes based on capacitance to voltage conversion. The output dc voltage is a linear with the complementary capacitance change and can be used to compensate for offset capacitance and drifts automatically.improvetheintelligent software, temperature compen

8、sation,automatic calibration, busdigital communications,AGCand otherintelligentfeatures, in order to degree of intelligence toimproveasmuchaspossible.Keywords：Sensor；pressure；intelligent目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc357438294摘要 PAGEREF _Toc357438294 h IHYPERLINK l _Toc357438295Abstract PAGEREF _

9、Toc357438295 h IIHYPERLINK l _Toc357438296第一章壓力傳感器 PAGEREF _Toc357438296 h 1HYPERLINK l _Toc3574382971.1 壓力傳感器的概述 PAGEREF _Toc357438297 h 1HYPERLINK l _Toc3574382981.2 壓力傳感器的類型 PAGEREF _Toc357438298 h 1HYPERLINK l _Toc3574382991.3 壓力傳感器的結構特點 PAGEREF _Toc357438299 h 1HYPERLINK l _Toc357438300第二章智能壓力傳

10、感器 PAGEREF _Toc357438300 h 3HYPERLINK l _Toc3574383012.1 智能壓力傳感器的結構 PAGEREF _Toc357438301 h 3HYPERLINK l _Toc3574383022.2 智能壓力傳感器的功能 PAGEREF _Toc357438302 h 3HYPERLINK l _Toc3574383032.3 智能壓力傳感器的特點 PAGEREF _Toc357438303 h 4HYPERLINK l _Toc357438304與傳統傳感器相比，智能壓力傳感器的特點是： PAGEREF _Toc357438304 h 4HYPER

11、LINK l _Toc3574383052.4 智能壓力傳感器的應用與發展 PAGEREF _Toc357438305 h 4HYPERLINK l _Toc357438306第三章系統結構設計 PAGEREF _Toc357438306 h 5HYPERLINK l _Toc3574383073.1 傳感器系統總體結構設計 PAGEREF _Toc357438307 h 5HYPERLINK l _Toc3574383083.2 系統的特點 PAGEREF _Toc357438308 h 5HYPERLINK l _Toc357438309第四章硬件設計 PAGEREF _Toc357438

12、309 h 6HYPERLINK l _Toc3574383104.1 前端傳感器模塊 PAGEREF _Toc357438310 h 6HYPERLINK l _Toc3574383114.2 信號調理電路模塊 PAGEREF _Toc357438311 h 7HYPERLINK l _Toc3574383124.3 A/D轉換模塊 PAGEREF _Toc357438312 h 9HYPERLINK l _Toc3574383134.3.1 ADC0809的部邏輯結構 PAGEREF _Toc357438313 h 9HYPERLINK l _Toc3574383144.3.2 ADC08

13、09引腳結構 PAGEREF _Toc357438314 h 10HYPERLINK l _Toc3574383154.3.3 ADC0809應用說明 PAGEREF _Toc357438315 h 12HYPERLINK l _Toc3574383164.4 微處理器 PAGEREF _Toc357438316 h 12HYPERLINK l _Toc3574383174.5 顯示模塊 PAGEREF _Toc357438317 h 13HYPERLINK l _Toc3574383184.5.1 LCD1602的優點 PAGEREF _Toc357438318 h 13HYPERLINK

14、l _Toc3574383194.5.2 1602 字符型 LCD 簡介 PAGEREF _Toc357438319 h 13HYPERLINK l _Toc3574383204.5.3 1602LCD 的基本參數與引腳功能 PAGEREF _Toc357438320 h 14HYPERLINK l _Toc3574383214.5.4 1602LCD 的指令說明與時序 PAGEREF _Toc357438321 h 15HYPERLINK l _Toc3574383224.6 溫度補償模塊 PAGEREF _Toc357438322 h 16HYPERLINK l _Toc357438323

15、4.6.1 DS18B20的主要特征 PAGEREF _Toc357438323 h 16HYPERLINK l _Toc3574383244.6.2 DS18B20引腳功能 PAGEREF _Toc357438324 h 17HYPERLINK l _Toc3574383254.6.3 DS18B20工作原理與應用 PAGEREF _Toc357438325 h 17HYPERLINK l _Toc3574383264.6.4 DS18B20時序圖 PAGEREF _Toc357438326 h 17HYPERLINK l _Toc3574383274.7 硬件設計原理圖 PAGEREF _

16、Toc357438327 h 20HYPERLINK l _Toc357438328第五章軟件程序設計 PAGEREF _Toc357438328 h 22HYPERLINK l _Toc3574383295.1 語言介紹 PAGEREF _Toc357438329 h 22HYPERLINK l _Toc3574383305.2 程序流程圖 PAGEREF _Toc357438330 h 22HYPERLINK l _Toc3574383315.3 智能數字濾波 PAGEREF _Toc357438331 h 22HYPERLINK l _Toc3574383325.4 C語言程序 PAGE

17、REF _Toc357438332 h 23HYPERLINK l _Toc357438333第六章系統抗干擾性分析 PAGEREF _Toc357438333 h 24HYPERLINK l _Toc357438334第七章總結 PAGEREF _Toc357438334 h 25HYPERLINK l _Toc357438335致 PAGEREF _Toc357438335 h 28HYPERLINK l _Toc357438336參考文獻 PAGEREF _Toc357438336 h 27HYPERLINK l _Toc357438337附錄 PAGEREF _Toc357438337

18、 h 29第一章 壓力傳感器1.1 壓力傳感器的概述根據我國國家標準對傳感器的定義，對于壓力傳感器，我們可以給出定義：能夠感受規定的被測量（壓力信號）并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。壓力傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成。組成框圖如圖1-1所示。被測壓力敏感元件 轉換元件 基本轉換電路電信號圖1-1 壓力傳感器組成框圖1.2 壓力傳感器的類型壓力傳感器通常的分類標準是按工作原理分類，分為：電容式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、智能式壓力傳感器等。還有一種分類方式是按壓力傳感器所使用的材料分類：半導體壓力傳感器、光學壓力傳感器、

19、金屬壓力傳感器、金屬-氧化物壓力傳感器等。現在應用最廣泛的一種壓力傳感器是壓阻式壓力傳感器。它是利用的原理時壓阻效應，并采用微電子技術制成。這種壓力傳感器準確度高、動態響應好、靈敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到廣泛的應用，得到迅速發展，屬于新的物性型傳感器。1.3 壓力傳感器的結構特點本課題采用差壓式電容傳感器作為敏感元件。電容式壓力傳感器結構簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等，在惡劣的環境下對測量靜態或低頻變化的壓力有比較好的優勢。1.4 傳統壓力傳感器的局限性傳統的壓力傳感器往往在性能和成本上不能兩全其

20、美，為了提高性能，就要有居高不下的成本，因為制作材料必須品種多，性能高，制作過程要求非常嚴格，寸偏大，但是時間相應特性不高；2、系統非線性導致隨時間漂移；3、環境變化很容易影響到參數的變換；4、器件信噪比不高，是傳感器容易受到噪聲的干擾致使結果不穩定；5、交叉靈敏度的存在導致傳感器的選擇性和分辨率都不高。這些因素就造成了傳統壓力傳感器可靠性差、精確度低、性能不穩定等缺點，也注定了傳統壓力傳感器必將被更高級的智能化壓力傳感器所取代。第二章 智能壓力傳感器2.1 智能壓力傳感器的結構智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和微機械技術將敏感元件與功能強大的電子線路集成在同一芯片上，具有信號提取、信號處理

21、、邏輯判斷、決策、自檢、自診斷和計算等功能。和經典傳感器相比，智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、精度高以與功能強等優點。智能壓力傳感器的結構如圖2-1所示，其中作為作為“大腦”的微型計算機，可以是單片機，也可也是微型計算機系統。被測壓力傳感器預處理與接口微型機輸出接口模擬信號數字化輸出接口信息處理與校正軟件顯示和記錄D/A轉換驅動電路 圖2-1 智能壓力傳感器的結構框圖2.2 智能壓力傳感器的功能具有邏輯判斷、統計處理功能：可對檢測數據進行分析、統計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以與緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。具有自診斷、自校準功能：可在接

22、通電源時進行開機自檢，可在工作中進行運行自檢，并可實時自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。具有自適應、自調整功能：可根據待測物理量的數值大小與變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。具有組態功能：可實現多傳感器、多參數的復合測量，擴大了檢測與使用圍。具有記憶、存儲功能：可進行檢測數據的隨時存取，加快了信息的處理速度。具有數據通訊功能：智能化傳感器具有數據通訊接口，能與計算機直接聯機，相互交換信息，提高了信息處理的質量。2.3 智能壓力傳感器的特點與傳統傳感器相比，智能壓力傳感器的特點是：高的性能價格比：由于智能壓力傳感器的種種優點都是通過調試微處理器和計算機之間的

23、配合達到的，所以在工藝本身不會追求過多，可以采用廉價的集成電路、芯片加上調試軟件實現，從而性能價格比自然會高與傳統的壓力傳感器。適應能力強：系統在進行分析、判斷和處理信號時，可以根據工作狀況決定各個部分的供電和上極位傳輸速率，能夠是系統功耗最低，傳送率最優，并具有多種動能自動補償。精度高：智能壓力傳感器的自校準、自選量程、自動補償和自動修正各類誤差等功能保證了它的高精確度，通過系統軟件達到這些功能，相比以前依靠硬件解決的方式來說方便和容易實現很多。量程寬：智能壓力傳感器的測量圍很寬，具有很強的過載能力。集中控制：由于微處理器控制整個系統，自身的控制和數字處理能力都很強大，所以智能壓力傳感器通過

24、軟件程序充分利用微處理器，使系統的多種功能和優點充分發揮，從而實現了集中的控制方式。2.4 智能壓力傳感器的應用與發展智能壓力傳感器主要應用于檢測流體或固體的壓力并進行信號遠距離傳輸。它是工業實踐中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動化控制的前端元件，因此其廣泛應用于各種工業自控環境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機床和公用設備等行業。目前，傳感器的發展主要集中在集成化和智能化兩個方面。傳感器的集成化是指將多個功能一樣或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列。傳感器的智能化是將傳感器與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統能夠通過電路進行信號提取和信號處理，根據具體情

25、況自主地對整個傳感器系統進行自檢、自校準和自診斷，并能根據待測物理量的大學與變化情況自動選擇量程和測量工作方式。本次論文的主要工作是在現在研究基礎上，設計出具有體積小、成本低、壽命長、量程圍大、反應速度快、智能化程度高的智能壓力傳感器。第三章 系統結構設計3.1 傳感器系統總體結構設計本次課題將采用差動式電容傳感器作為系統前端，A/D轉換模塊采用ADC0809芯片進行實現模數轉換，微處理器采用單片機89C52，顯示器采用LCD1602進行顯示，本次課題總體設計方框圖如圖3-1所示信號調理電路ADC0809單片機89C52LCD1602被測壓力模擬電壓信號送顯示差動式傳感器電容值數字信號圖3-1

26、 總體方案設計圖3.2 系統的特點本次課題設計的智能壓力傳感器結構簡單，造價便宜，采用特定的信號調理電路，利用單片機和A/ D、D/ A轉換器自動調節信號Uc1和Uc2,采用負反饋技術,實現了對偏差電容的自動補償,并且采用差動測量方式以消除寄生電容、熱零點漂移、共模干擾和其它環境因素的影響,使電路具有很強的抗干擾能力。具有自動報警功能，本次設計電路圖中加了一個發光二極管，若所施加壓力超出壓力傳感器的正常承受圍，發光二極管將會自動點亮，以保護傳感器安全。報警系統用軟件實現。第四章 硬件設計本次課程設計的硬件共分為前端傳感器、信號調理電路、A/D轉換、微處理器和顯示部分這五個模塊組成，下面將一一對

27、這五個模塊做出詳細的介紹。4.1 前端傳感器模塊從經濟、測量精度、穩定性以與對人體無害等因素，本課題采用瓷電容作為傳感器材料，且采用圓柱差動變面積式電容位移傳感器，如圖4-1所示。圖4-1 圓柱差動變面積式電容位移傳感器圓柱電容的計算公式為：C = .其中，X為外電極重疊部分長度；D、d分別為外電極徑與電極外徑。當重疊部分長度X發生變化時，電容的變化量為：= - = .靈敏度為： K= .傳感器由兩組定片和一組動片組成。當動片上、下改變位置時，與兩組定片之間重疊面積發生相應變化，成為差動電容。將上層定片與動片行形成的電容記為，下層定片與動片形成的電容記為。4.2 信號調理電路模塊測量差動電容變

28、化量的電路原理圖如圖4-2所示。圖4-2 信號調理電路圖電路的結構對稱,兩邊都以一樣的方式工作,只對其中的一邊進行分析。一正弦電壓Us用于激勵電路,其頻率為f (Hz) ,幅值為A(V) 。被測傳感器電容器C1的一個極板與電壓源相連,另一極板與電流檢測器A1的輸入端相連。電壓信號也作為乘法器M的一個輸入端,M的另一個輸入端與控制信號Uc1相連 。乘法器的輸出電壓信號為K1Us,系數K1 = Uc1/ 10。電流 Im和I1之和被放大器A1轉換成電壓信號UA1, 經放大器A2 后, 輸出電壓信號Uo1。Us =Asint . ; 式中C1 =C10 +C1, C10為C1的初始值,C1為變化量。

29、同理, Uo2有類似的表達式。Uo1和Uo2同時輸入差動放大器A3,其增益為Hi,得到輸出電壓信號Uo為Uo = Uo1- Uo2 (1)假設C10 = C20,C1 =C2 =C, K1 =K2,則式(1) 可以簡化為Uo= 2Hi RfCR1Asin(t +/2) / R2.將Uo輸入相敏檢波器PSD中,輸出直流電壓信號Ud為Ud = 8Hi R1RfAC/R2 (2)式中,系數4/可由相敏檢波器PSD對輸入信號的整流和放大作用得出。由式(2) 可見, Ud與被測電容的變化量C成線性關系。因此,利用AD轉換器將Ud轉換成數字量,再經過單片機進行數據處理,即可實現對差動電容傳感器電容變化量的

30、測量。根據式(2) 有下式式中C為最小可測電容變化量;Ud為Ud 測量分辨力;VADC為AD轉換器的工作電壓圍; n為AD轉換器的轉換位數。電容測量分辨力理論上主要取決于輸出電壓的測量分辨力。可以通過提高輸出電壓的測量分辨力來提高電容的測量分辨力。所提出的測量電路可以實現對偏差電容的自動補償,原理如圖4-3所示。移相器90相敏檢波器A/D轉換器單片機UsUrUdUc1圖4-3 自動補償原理框圖電壓信號Uo1 和參考信號Ur 分別為相敏檢波器PSD1的兩個輸入,輸出信號Ud1 可以表示為Ud1 = 4Hi Rf (C1 + K1Cm) R1A/R2=4Hi Rf (C10 +C1 +Uc1 Cm

31、/10) R1A/R2. （3）根據式(3) ,有下式Ud1(Uc1) = 2Hi Rf Cm R1A/5R2.因此,利用信號Uc1可以對電容器C1的固定值C10 進行補償,則在理論上, Ud1 可表示為Ud1= 4 Hi Rf R1AC1/5R2. （4）利用單片機控制A/ D和D/ A轉換單元對Ud1進行轉換,并通過負反饋的方式將信號Uc1 加到乘法器M的一個輸入端,便可實現對偏差電容的自動補償。令電壓Us 的幅值A =0. 5V,頻率f =1.0k Hz, Cm =100p F, Rf =47k,R1 = R2 =1k,運算放大器為TL 071,相敏檢波器為AD630,乘法器為MC149

32、5, 差動放大器為INA102( Hi =100) ,8位的AD/ DA轉換器工作電壓為5V。在當壓力傳感器所受壓力處于0100KPa時，通過對差動式電容應變力的設計，使得C處于06.65F上下限圍。根據式（4）可知，AD轉換器接收的電壓圍為05V。4.3 A/D轉換模塊本次課題選擇ADC0809作為模數轉換芯片。ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。4.3.1 ADC0809的部邏輯結構由圖4-4可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態輸出鎖

33、存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態輸出鎖存器取走轉換完的數據。圖4-4 ADC0809部結構4.3.2 ADC0809引腳結構ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位數字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負端。START：A/D轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉換） HYPERLINK :/ seinp /dz/ana

34、log/0/analog-372-1.html t _blank .EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態數據輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。圖4-5 ADC0809引腳圖ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號

35、進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表4-1 ADC0809通道選擇CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數字量輸出與控制線：11條 ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE1，輸出轉

36、換得到的數據；OE0，輸出數據線呈高阻狀態。D7D0為數字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 4.3.3 ADC0809應用說明（1） ADC0809部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。 （2） 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 （3） 送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5） 是否轉換完畢，我們根據EOC信號來判斷。 （6） 當EOC變為高電平時，這時給OE為高電平

37、，轉換的數據就輸出給單片機了。 4.4 微處理器本次課題采用單片機STC89C52作為處理芯片，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持

38、2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。單片機STC89C52引腳圖如下。圖4-6 單片機STC89C52引腳圖4.5 顯示模塊4.5.1 LCD1602的優點本次課題的顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏進行顯示。選擇LCD1602進行顯示具有如下優點：顯示質量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度， 恒定發光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此

39、，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。數字式接口液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比一樣顯示面積的傳統顯示器要輕得多。功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其部的電極和驅動 IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。4.5.2 1602 字符型 LCD 簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式 LCD，目前常用 16*1， 16*2，20*2 和 40*2 行等的模塊。下面以太陽人電子的 1602 字符型液晶顯示器為例介紹其用法。一般 1602 字符型液

40、晶顯示器實物如圖4-7圖4-7 LCD1602實物圖4.5.3 1602LCD 的基本參數與引腳功能1602LCD 主要技術參數：顯示容量:162 個字符；芯片工作電壓:4.55.5V ；工作電流:2.0mA(5.0V) ；模塊最佳工作電壓:5.0V ；字符尺寸:2.954.35(WH)mm。 引腳功能說明1602LCD的引腳圖如圖4-8所示。圖4-8 1602LCD的引腳圖1602采用標準的16腳接口，其中：第 1 腳：VSS 為地電源。第 2 腳：VDD 接 5V 正電源。 第 3 腳：VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用

41、時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第 5 腳：R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數據。第 6 腳：E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第 714 腳：D0D7 為 8 位雙向數據線。第 15 腳：背光源正極。 第 16 腳：背光源負極。4.5.4 1602LCD 的指令說明與時序1602

42、液晶模塊部的控制器共有 11 條控制指令，如表4-2所示表4-2 1602LCD控制指令表 1602LCD基本操作時序圖圖4-9 讀操作時序圖圖4-10 寫操作時序圖4.6 溫度補償模塊課程設計采用DS18B20芯片進行溫度的采集，并實現溫度補償。以20為標準溫度，實際溫度每高一度壓力值補償0.01KPa，每低一度壓力值減小0.01KPa。4.6.1DS18B20的主要特征1、 全數字溫度轉換與輸出。2、先進的單總線數據通信。3、最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。4、12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。5、可選擇寄生工作方式。6、檢測溫度圍為55C +125C (67F +257

43、F)7、 置EEPROM，限溫報警功能。8、64位光刻ROM，置產品序列號，方便多機掛接。9、多樣封裝形式，適應不同硬件系統。4.6.2DS18B20引腳功能GND 電壓地 DQ 單數據總線 VDD 電源電壓 4.6.3DS18B20工作原理與應用DS18B20的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的部存儲器資源。18B20共有三種形態的存儲器資源，它們分別是：ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面4

44、8位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗）。數據在出產時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。RAM 數據暫存器，用于部計算和數據存取，數據在掉電后丟失，DS18B20共9個字節RAM，每個字節為8位。第1、2個字節是溫度轉換后的數據值信息，第3、4個字節是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5個字節則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、7、8個字節為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是部溫度轉換、計算的暫存單元。第9個字節為前8個字節的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需

45、要保存的數據，上下限溫度報警值和校驗數據，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。4.6.4 DS18B20時序圖圖4-11 控制器對DS18B20操作流程1、 復位：首先我們必須對DS18B20芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號。當18B20接到此復位信號后則會在1560uS后回發一個芯片的存在脈沖。2、 存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數據單總線拉高，以便于在1560uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60240uS的低電平信號。至此，通信雙方已經達成了基本的協議，接下來將會是控制器與18B20間

46、的數據通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。3、 控制器發送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發一條，ROM指令分別是讀ROM數據、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。ROM指令為8位長度，功能是對片的64位光刻ROM進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的ID號來區別，一般只掛接單個18B20芯片時可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發送ROM指令，而是用特有的一條

47、“跳過指令”）。ROM指令在下文有詳細的介紹。4、控制器發送存儲器操作指令：在ROM指令發送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫RAM數據、讀RAM數據、將RAM數據復制到EEPROM、溫度轉換、將EEPROM中的報警值復制到RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。5、 執行或數據讀寫：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執行或數據的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執行溫度轉換指令則控制器（單片機）必須等待18B20執行其指令，一般轉換時間為500uS。如執行數

48、據讀寫指令則需要嚴格遵循18B20的讀寫時序來操作。若要讀出當前的溫度數據我們需要執行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM指令、執行溫度轉換存儲器操作指令、等待500uS溫度轉換時間。緊接著執行第二個周期為復位、跳過ROM指令、執行讀RAM的存儲器操作指令、讀數據（最多為9個字節，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前2個字節即可）。圖4-12 DS18B2寫時序圖寫時間隙分為寫“0”和寫“1”，時序如圖4-12。在寫數據時間隙的前15uS總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數據的采樣時間，采樣時間在1560uS，采樣時間如果控制器將總線拉高則表示寫“1”，如果控制器將總線拉低則

49、表示寫“0”。每一位的發送都應該有一個至少15uS的低電平起始位，隨后的數據“0”或“1”應該在45uS完成。整個位的發送時間應該保持在60120uS，否則不能保證通信的正常。圖4-13 DS18B20讀時序圖讀時間隙時控制時的采樣時間應該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機產生至少1uS的低電平，表示讀時間的起始。隨后在總線被釋放后的15uS中DS18B20會發送部數據位，這時控制如果發現總線為高電平表示讀出“1”，如果總線為低電平則表示讀出數據“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個起始信號。注意：如圖4-13所示，必須在讀間隙開始的15uS讀取數據位才可以保證通信的正確。4.7 硬

50、件設計原理圖本次課程設計采用protel軟件原理圖的繪制。原理圖中， LCD1602與單片機P0口相連，因本次設計只需讓LCD1602從52單片機中讀取數據，因此將它的R/W引腳電平拉低，直接與地相連。如圖4-14所示。圖4-14 硬件電路原理圖本次課程設計采用protues仿真軟件對原理圖進行仿真。圖中，采用滑動變阻器代替傳感器出入信號進行信號的采集。如圖4-15所示。圖4-15 硬件電路仿真圖第五章 軟件程序設計5.1 語言介紹本次設計采用C語言進行編程，C語言的特點是：簡潔緊湊、靈活方便；運算符豐富；數據類型豐富；C是結構式語言：結構式語言的顯著特點是代碼與數據的分隔化，即程序的各個部分

51、除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護以與調試。C語言是以函數形式提供給用戶的，這些函數可方便的調用，并具有多種循環、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結構化。 允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作：由于C語言能夠直接訪問物理地址，并且可以直接操作硬件，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，C語言可以像匯編語言一樣，對位、字節和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統軟件。使用Keil軟件進行程序的編譯。5.2 程序流程圖如圖所示結果數據轉換數字濾波讀A/D轉換系統初始化開始溫度數據讀取壓力顯示溫度補償結果數據轉換電流

52、輸出圖5-1 程序流程圖5.3 智能數字濾波經硬件抗干擾措施后，大部分干擾已經被消除，但在模擬信號中還殘存有少量的噪聲干擾，經AD轉換后輸入微控制器的數字量也相應地受到干擾，影響測量的準確性，因此需要用軟件進行數字濾波，去除干擾。數字濾波常用的方法有算術平均濾波、去極值平均濾波、加權平均濾波和滑動平均濾波等，為了提高濾波的效果，盡量減少噪聲數據對結果的影響，本系統采用復合濾波的方法。所謂的復合濾波指采用兩種或兩種以上不同功能的濾波方法，達到相互補充、改善濾波效果的目的。加權均值濾波是對一個采樣序列進行處理得出個結果數據，如果樣本數據較大時，數據采樣時間較長將造成結果數據的實際采樣周期過長。不能

53、滿足實時性的要求。為了彌補加權均值濾波這一缺點，在程序設計中我們采用把滑動濾波和加權平均濾波結合起來組成復合濾波的方法。對不同時刻的數據加以不同的權，越接近時刻的數據，取得的權越大。這里我們取3組數據，將第一個數值的權值設置為1/9，第二個數值的權值設置為3/9，第三個數值的權值設置為5/9。由于這種濾波方法兼容了加權平均濾波算法和滑動濾波算法的優點，所以無論對緩慢變化的信號，還是對快速變化的信號，都能取得較好的濾波效果。void Filter() temp1=P1;delay(1); temp2=P1; delay(1); temp3=P1; delay(1); temp=(temp1*1+

54、temp2*3+temp3*5)/9;5.4 C語言程序程序見附錄第六章 系統抗干擾性分析本課題設計的的只能壓力傳感器的抗干擾主要靠硬件實現，且都實施與信號調理電路中，具體分析如下。一般來講,實際應用中的電容式傳感器與其連接導線都需要屏蔽和接地保護措施,用來減小外界電磁干擾和電場等效應的影響。但是這些技術卻引入了寄生電容和分布電容,與被測的電容量或電容的變化量相比,它們的值往往能達到與之一樣的數量級甚至更大。因此必須減小或消除它們對測量所造成的影響。電容傳感器的寄生電容模型(只討論其中一個電容器C1) 可用圖3表示。圖3寄生電容等效圖圖3中,寄生電容器Cp1和Cp2分布于傳感電容器C1的兩端和

55、地線之間,與電壓源和A1相并聯,它們不影響流過C1的電流。寄生電容器Cp3與C1 并聯,會對測量產生一定的影響,但當Cp3的值保持恒定或在測量電路的兩邊均等時,采用調零技術或差動測量的方法可以消除它的影響。由溫度和其他干擾所引起的漂移很難用模型來表示,所以在討論中沒有考慮。但是,因為僅對差動電容的變化量進行測量,所以這些漂移也可以通過差動測量得以消除。第七章 總結智能壓力傳感器已經廣泛應用于我們生活的各個角落，尤其是在化工制藥方面對它的應用更是數不勝數，對于將要進入制藥廠工作的我來說，日后我的工作當中肯定會與之有相當多的接觸。所以說此次畢業設計讓我對它進行研究，以后肯定會對自己有很大的幫助，正

56、是由于這一點，讓我在設計它的時候就更加有了興趣，每一次更深的了解壓力傳感器，我都會有一次小小的驚喜和滿足感。在它不斷的給我驚喜的過程中，我對它也越來越有了解。經過接近兩個月的努力，我對智能壓力傳感器已經有了一個全新的認識，在這兒寫畢業論文總結，心情也顯得很輕松。一次畢業設計，會讓每個人學到很多東西，每一個課題，都需要準備很多的知識才能去完成它。智能壓力傳感器這一個課題，就需要準備傳感器、單片機與其外圍芯片、程序語言、繪圖軟件以與編程軟件的使用等很多方面的知識。可以說，做一個畢業設計就相當于要去學會一個知識系統。本文按要求完成智能壓力傳感器的設計，達到了預期目的。設計過程中補充學習了有關學科知識

57、與國外相關新技術，掌握了該項技術情況的發展趨勢和未來研究方向。本課題對智能壓力傳感器系統的硬件與軟件進行了全面設計，其容主要反映在以下幾方面：1本系統采用微處理器AT89C52、ADC0809、DS18B20、LCD1602設計硬件電路，這些芯片都具有穩定可靠，體積小，結構簡單等特點。使硬件電路設計簡單，攜帶方便并減小誤差。2整個系統在優化硬件配置的基礎上采用小型化一體化設計，所有電路芯片都采用低價格、小體積、高集成度的器件，從而使電路板尺寸很小，使智能壓力傳感器系統具有體積小、成本低的特點。3進行了較為完善的抗干擾設計，提出一種帶有程序判斷的智能數字濾波算法，它既具有較好的平滑能力，又具有較

58、快的響應速度。用這種復合濾波法來克服隨機誤差，提高了系統在不同場合下工作的穩定性。4設計了較完善的智能化功能，通過軟軟硬件對智能壓力傳感器進行了電容漂移補償、溫度補償、自動報警等功能。使傳感器具有了較高的智能化程度。5我們把電路模塊與傳感元件組裝在同一殼體里構成智能化壓力傳感器，通過仿真試驗證明各項指標基本能夠得到滿足。但是，我們的設計還處于初級階段，還有存在許多不足的地方，并且由于受客觀條件的限制，有很多的測試和仿真工作無法實現，因此對于整個系統的實現還有很多的工作需要進一步的完善。參考文獻1. 迎春.傳感器原理、設計和應用.大學.1997:1102王化祥.傳感器原理與應用.國防工業.199

59、9:1203淑琴.智能壓力傳感器的研究和設計.理工大學.20084. Dong-Jiing Doong,Beng-Chun Lee and Chia Chuen Kao.Wave Measurements Using GPS Velocity Signals.1990:124155 5. 黃曉東.單片集成MEMS電容式壓力傳感器研究.東南大學.2005:3035 6. 程素娥.基于FPGA的智能壓力傳感器系統.濰坊學院.2009 7. 瑜芳.傳感器原理與應用.電子科技大學.2001:4560 8. 祈樹勝.傳感器與檢測技術.航空航天大學.2010:1159以材,新福孟慶浩.傳感器非線性信號的智

60、能處理和融合.冶金工業.2010:4280 10. 來清民.傳感器與單片機接口實例.航空航天大學.2008:115 11文明,王瑞.傳感器網絡覆蓋定位模糊信息處理方法.電子工業 2010:8712212. 呂俊芳,錢政,袁梅.傳感器調理電路設計理論與應用.航空航天大學.2010:115613.唐文彥.傳感器.機械工業.200614.朝青.單片機原理與接口技術.航空航天大學.199915.德福，林君.智能儀器.機械工業.200916.康華光.電子技術基礎.高等教育.2006致本論文是在誠導師和班上同學的悉心指導下完成的。在拿到課題的一開始，誠老師給了我們一書單，共有十二本書，照著書單，我到圖書館