基于.51单片机压力检测系统设计.doc

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1、学号：学号： xxxxxxxxxxxxxx xx 大大 学学毕毕业业设设计计（论论文文）（xxxx 届）届）题题 目目 基于基于 51 单片机的压力检测系统设计单片机的压力检测系统设计 学学 生生 xxxx 学学 院院 xxxxxxxxxxxxxxxx 专业班级专业班级 xxxxxxxx 校内指导教师校内指导教师 xxxx 专业技术职务专业技术职务 xxxxxx 校外指导老师校外指导老师 专业技术职务专业技术职务 二二xxx 年六月年六月基于基于 51 单片机的压力检测系统设计单片机的压力检测系统设计摘摘 要要：本设计借助压力传感器将压力信号转换成电信号，经过信号放大，使用高精度 A/D 转换

2、器件，将模拟信号转换成数字信号，再经单片机运算处理转换成 LCD 液晶 可以识别的信息，最后显示输出。初始化后可以重设阈值，系统能够实现手动存储八 个以内的数据，并可以查询历史记录，对存储的数据进行统计分析，并且在实时压力 检测的过程中，预警电路一直监视系统的运行。本设计根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的 硬件电路。采用单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。但是由于自身的稳定 性其测量结果仍存在误差。本课题设计的压力检测系统具有压力测量、超重报警、压 力存储及历史数据查阅和压力值数据的统计分析。该系统的压力检测范围为 0-10Kg， 测量精度可以达到 10g，

3、具有高精度，低成本，易携带的特点。采用 LCD12864 液晶显 示测量结果，比传统压力检测系统的精确度更高和直观性更好。另外，该系统电路简 单，成本低，使用寿命长，应用范围广等优点。关键词关键词：压力传感器；A/D 转换器；LCD12864Design of pressure detection system based on MCU 51Abstract：Using pressure sensor converts the pressure signal into electrical signal, after amplification, using high precision A/

4、D conversion device that converts analog signals into digital signals in this design, then through single chip microcomputer processing into the information that LCD can identify, at last displaying and outputting information. After initialization the system can reset the threshold, achieve storing

5、within eight data manually, and can query the history records, the statistic analysis the stored data and in the process of real-time pressure detection, early warning circuit has been monitoring the operation of the system.This paper according to the principle of zero compensation and nonlinear com

6、pensation for pressure sensor, designing measuring pressure sensor hardware. Single-chip implementation has the characteristics of high precision, strong function. Because of its stability errors still exist in the measurement. The topic functions for pressure detection system are overweight alarm,

7、storage, statistical analysis of historical data access and pressure value. The measurement range of the system is from 0 to 10 kg, measurement accuracy can reach to 10 g. It has the advantage of high precision, low cost, easy to carry. Measurement results display with LCD 12864 , Contrast to the tr

8、aditional pressure test system, it has higher accuracy and intuitive. In addition, the system circuit is simple, low cost, long service life and wide scope of application.Key words：Pressure sensor; A/D converter; LCD12864 目 录摘 要 .I Abstract .II 目 录.III 1 引言.1 1.1 研究背景及意义.1 1.2 压力检测系统的研究现状.1 1.3 课题任务

9、.2 2 系统分析与总体方案设计.3 2.1 压力检测系统的整体设计.3 2.2 压力检测系统的设计方案.3 2.2.1 实时压力测量显示方案.4 2.2.2 实时压力监控预警方案.4 3 系统硬件电路设计.5 3.1 单片机系统.5 3.1.1 单片机选型.5 3.1.2 单片机晶振电路和复位电路.7 3.2 数据采集模块.8 3.2.1 压力传感器.9 3.2.2 信号放大电路.10 3.2.3 A/D 模数转换.11 3.3 人机交互模块.15 3.3.1 液晶显示单元.15 3.3.2 矩阵键盘单元.173.4 声光报警模块.18 3.5 电源供电模块.18 4 软件程序设计.20 4

10、.1 软件开发环境.20 4.2 I/O 端口分配 .21 4.3 软件主程序构架.22 4.4 主要功能子程序的设计.23 4.4.1 A/D 子程序设计.24 4.4.2 中断子程序设计.25 4.4.3 查询历史数据子程序设计.25 4.4.4 数据统计分析子程序设计.26 4.4.5 阈值重设子程序设计.27 4.4.6 人机交互子程序设计.285 系统调试.33 5.1 数据采集调试.33 5.2 数据统计分析调试.33 5.3 声光报警调试.34 5.4 软件调试.34 5.5 实物展示.34 6 结束语.39 参 考 文 献.40 致 谢.41 附 录 A.42 附 录 B.44

11、1 引言引言1.1 研究研究背景及意义背景及意义近年来，微型计算机越来越普遍地应用于人们的日常工作、生活中。计算机的使用在工业过程控制生产中是一个重要环节。人们越来越关注由单片机构成的嵌入式系 统。可以毫不夸张的说，高端先进仪器是其构造中含有微型计算机系统，微型计算机 控制系统的产生促使现代控制系统时代的到来。在这信息高速发展的时代，传感器检测系统的发展有两个及其重要的方向，分别 为智能化与集成化。而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于系统内部微 处理器的性能1。当前国内外开发和研究的热点是具有数据处理能力，能够进行自动检 测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压

12、力传感器检测 系统。传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。压力测量在工业安全生产的实时监测中具有重要的意义。为了确保工业制造过程 中的高效与安全，必须精确地控制生产过程中的一些诸如压力、流量、温度等主要参 数。其中良好的控制压力，可以保障生产过程中的安全，因此准确地测量压力显得尤 为重要。压力是生产过程中四大重要参数之一，实时检测压力可以判断生产过程中机 器是否安全可靠的运行2。如：确保密闭容器内的压力在安全指标范围以内，确保易燃 易爆介质的压力不超标。压力的检测在其他工业生产环节中对于控制生产的正常运行也非常重要。在一些 工业装置上都时常可以见到有压力表，实时的监测压力大小，如若失

13、常则报警，很好 的保证了生产的安全运作。通过测取压力的大小也可以知晓液面的高度。总而言之，为了保证生产的正常运行，必须按照工艺要求保持稳定的压力，所以 准确测量压力在实际过程是非常重要的。1.2 压力检测系统的研究现状压力检测系统的研究现状压力检测系统靠的就是压力传感器去采集压力信号。传感器从探索宇宙到海洋的 开发，从生产过程的控制到现代科技文明中都有使用，使用面几乎涵盖了任何一项现 代科技产物。世界上很多国家十分重视发展传感器技术，传感器技术可以应用在工业、 农业、国防、科技等各个领域，有着极其广阔的前景。例如，在日本传感器技术被列 为六大核心技术之一，其他五项核心技术为通信、激光、半导体、

14、超导和计算机。并 且日本还将传感器列为六大技术之首；美国将上世纪 90 年代看作是传感器时代，将传 感器技术列为 90 年代 22 项关键技术之一。我国在传感器的研究上也已经有二十多年 的历史并取得了很大的成就。21 世纪提出了科学技术就是第一生产力的口号，各项科 学技术在这一浪潮下取得了突飞猛进的发展和进步，传感器技术也越来越受到各方面 的重视，虽然在某些领域我国已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国 在传感器技术的研究和生产还落后于国外传感器技术，如今正处于方兴未艾的阶段。 由于智能传感器系统的研究起步较晚，各方面理论缺乏和实践不够，离实际应用需求还有很大差距，尤其是用于压力测量

15、的压力传感器。如何生产高性能、小体积、低成 本的智能压力传感器系统还需进一步开发和研究。因此，研究开发高性能的智能压力 传感器系统有利于促进信息技术及自动化技术的发展，对提高设备性能及自动化水平 具有重要意义。压力的实时检测和控制能够保证生产设备的安全运行。压力传感器是工业仪器、 仪表控制中最为常用的一种传感器，广泛地应用在各种工业生产环境中，涉及众多行 业。通过压力传感器将被测物体的压力信号转化为电信号，再经过放大器进行信号放 大，送至 24 位 A/D 转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经 单片机转换成 LCD 显示器可以识别的信息，最后显示输出。1.3 课题任务课题

16、任务该设计能够实现压力检测系统的智能检测，如实时压力测量、手动存储压力值、 压力预警、数据统计分析等。该课题以 STC89C51RC 单片机为控制核心，配合电阻应 变式压力传感器、A/D 模数转换芯片 HX711、12864 液晶显示等外围器件，对压力检 测系统进行控制与数据采集。LCD 液晶设备显示压力值的测量结果及数据统计分析结 果等，配合蜂鸣器和 LED 二极管进行声光报警。压力传感器采集被测物体的压力信号， 传输给单片机进行分析处理。另外系统配有键盘，可以实现手动存储、预警值设定、 系统复位，数据统计分析的有关功能。2 系统分析与总体方案设计系统分析与总体方案设计2.1 压力检测系统的

17、整体设计压力检测系统的整体设计压力检测系统装置主要由五个模块组成：1、数据采集模块。该模块的作用是将检测到的模拟信号转换成为数字信号，经电 平保护后输出到数据处理部分。2、信号处理模块。用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运 算，并发出控制指令。3、人机交互模块。由 4*3 矩阵键盘及液晶显示单元组成。通过 4*3 矩阵键盘对单 片机下达指令实现对系统的控制；显示采用 12864 液晶模块，可以提供丰富、直观、 友好的信息界面。4、声光报警模块。当报警程序启动时，蜂鸣器发出声音、发光二极管点亮。5、电源供电模块。系统通过 USB 电源供电，单片机程序也可通过 USB 线串行下

18、载。借助按键开关操作可控制电源的通断，实现系统的良性运作。通电后电源指示灯 点亮。压力检测系统框图如图 2.1 所示：压压力力传传感感器器24位位A/D芯芯片片 HX711电电路路STC89C51RC 单单片片机机电电 源源 供供 电电矩矩阵阵键键盘盘液液晶晶显显示示图图 2.1 压力检测系统框图压力检测系统框图2.2 压力检测系统的设计方案压力检测系统的设计方案实时压力测量和实时压力监控预警是压力检测系统装置的最重要两个部分，它是 实现其他功能的基本条件，这两部分性能的好坏将关系到整个系统的性能，所以设计 一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的压力检测系统是该设计的关键。2.2.1

19、 实时压力测量显示方案实时压力测量显示方案本装置中系统压力的检测，采用量程为 10kg 的高精度电阻应变式压力传感器， 将压力信号转换为模拟信号，再传送给 A/D 模数转换芯片 HX711。输出数字信号给 单片机进行处理分析。压力传感器在每次单片机复位后自动校准归零。再放上物体进 行压力测量，显示器可以实时显示当前所测物体的质量，并且用户可以根据需要将压 力值进行手动存储，然后通过按键查询所存储的历史数据。2.2.2 实时压力监控预警方案实时压力监控预警方案为了实时监控压力大小，预先在程序中设定阈值为 9.999kg，系统开启后默认的 阈值即为 9.999kg。用户可以根据需要通过按键操作，在

20、 0.0009.999kg 区间内修改 阈值大小。然后按确认键即可完成阈值重设的操作。放置被测物体在压力托盘上，当 压力超过所设定的压力值时，系统报警， LED 灯点亮，蜂鸣器发出声音。被测物体 的压力，经过传感器变为模拟信号，再经模数转换芯片 HX711 转换为数字信号。输 出给单片机，然后运算处理，判断检测到的压力和阈值，如若该压力大于阈值，则系 统将显示出此时压力值，并发出报警提示；小于则在液晶上正常显示当前压力值。3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1 单片机系统单片机系统单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机很多功能集成在一块小芯片上，它具有一个完整计算机所需要的大部分

21、组件：外部总 线系统、内存和 CPU 同 时集成实时时钟通讯接口、定时器和实时时钟等外围设备。单片机也称作单片微电脑 或单片微型计算机，它是把中央处理器（ CPU） 、随机存取存储器（RAM） 、只读存 储器（ROM） 、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯 片上的微型计算机。3.1.1 单片机选型单片机选型世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位到 16 位再到 32 位， 数不胜数，应有尽有，有很多与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具 特色，相辅相成，为单片机的应用提供广阔的天地。自从上世纪 80 年代初 Intel 公司推出 MC

22、S-51 系列单片机以后，全球诸多著名的 半导体厂商相继生产与 51 系列兼容的单片机，使得单片机型号不断增加，功能不断 增强，品种不断丰富3。本系统采用 STC89C51RC 作为核心单片机系统，STC89C51RC 是一种高性能、低功耗 8 位微控制器。引脚图如下图 3.1 所示。图图 3.1 单片机引脚图单片机引脚图 单片机各引脚介绍：I/O 口引脚 P0（第 32 脚39 脚）：双向 8 位三态 I/O 口。当接外部存储器时，总线 复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的低 8 位。I/O 口引脚 P1（第 1 脚8 脚）：8 位准双向 I/O 口。由于此端口没有高阻态，所以 无

23、法输入进行锁存，所以并不是真正意义上的双向 I/O。I/O 口引脚 P2（第 21 脚28 脚）：8 位准双向 I/O 口。当使用外部存储器时，总线 复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的高 8 位。I/O 口引脚 P3（第 10 脚17 脚）：8 位准双向 I/O 口。P3 口不仅可以作为一般的 数据总线使用，这 8 个引脚还有各自的特殊功能，属于复用双功能口。作为第二功 能使用时，各引脚的定义如表 3.1 所示，值得强调的是，P3 口每一条引脚均可独 立定义为第一功能的输入输出或第二功能。表表 3.1 P3 口第二功能表口第二功能表引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入端）P3.1T

24、XD（并行输入端）P3.2INT0(外部中断 0)P3.3INT1(外部中断 1)P3.4T0（定时器/计数器 0 输入端）P3.5T1（定时器/计数器 1 输入端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出端）P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出端）电源引脚 Vcc（第 40 脚）：接+5V 电压。电源引脚 Vss（第 20 脚）：接地。外部晶振引脚 XTAL1 与 XTAL2（第 19 脚,18 脚）：接外部晶振时，将振荡信号 输入给单片机内部的时钟发生器。EA（第 31 脚）：当 EA 为低电平时，不管内部是否有程序存储器（8031 型号单片 机没有内部存储器） ，单片机只访问外部

25、程序存储器。当 EA 为高电平时，先访问 内部程序存储器，当寻址地址超过容量时，自动访问外部程序存储器。PSEN(第 29 脚)：当从外部程序存储器读取指令时，每个机器周期内 PSEN 两次有 效，时外部程序存储器的读选通信号。ALE（第 30 脚）：当不访问外部存储器时，ALE 引脚周期性的输入正脉冲信号， 可以作为对外输出的时钟，频率为振荡器频率的 1/6。当访问外部存储器时，ALE 用于地址低位字节的锁存。RST（第 9 脚）：当 RST 上出项两个机器周期以上的高电平时，单片机将复位。单片机 STC89C51RC 内部 ROM 空间大小为 4K，地址范围从 0000H 到 0FFFH。

26、RAM 空间大小为 128 字节，地址范围从 00H 到 FFH。地址 80H 到 FFH 为特殊功能寄存器区，用于计数器/定时器，串行通信，累加器以及一些特殊的控制寄存器。3.1.2 单片机晶振电路和复位电路单片机晶振电路和复位电路（1）晶振电路晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联 一个电容的二端网络。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下 工作，给单片机提供工作所需要的时钟信号4。理论上来说，振荡频率越高表示单片机 运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。 同时单片机性能的好坏，不仅与 CPU 运算速度有

27、关，而且与存储器的速度、外设速度 等都有很大关系。因此一般选用 612MHZ。并联谐振电路对电容的值没有严格要求， 但会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等。陶瓷封装电容可以进一步 提高温度稳定性 STC89C51RC 内部有一个高增益反相放大器用于构成振荡器。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值选择与负载电容值相等的并联电容就 可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接 入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地。这两个电 容串联的容量值就应该等于负载电容。一般的晶振的负载电容为 15pF 或 12.5pF， 如果再考虑元件

28、引脚的等效输入电容， 则两个 22pF 的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶振与单片机的脚 XTAL0 和脚 XTAL1 构成的振荡电路中会产生偕波。这个波对 电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见。 ATMEL 公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个 10pf-50pf 的瓷片电容接地来削减偕 波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在 10pf-50pf 之间都可以的。本系统采 用了 12 MHZ 的晶振。图图 3.2 单片机时钟原理图单片机时钟原理图（2）复位电路单片机的复位电路有两种，上电自动复位方式以及手动复位方式。本系统已具备 电源开关键，可

29、以使用上电自动复位方式。复位是单片机的初始化操作。其主要功能 使单片机从 0000H 单元开始执行程序。51 单片机是高电平复位，给单片机加 5V 电源 （上电）启动时的情况：这时电容充电相当于短路（电容特性：通交流，隔直流，上 电瞬间相当于交流） ，可以认为 RST 上的电压就是 VCC，这是单片机就是复位状态。 随着时间推移电容两端电压升高，即造成 RST 上的电压降低，当低至阈值电压时，即 完成复位过程。外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。RST 脚 上只要保持 10ms 以上高电平，系统就会有效复位。电容 C1 可取 1033F，R 取 10k，充电时间常数为 101

30、0-610103=100ms。其电路如图 3.3 所示：图图 3.3 单片机复位原理图单片机复位原理图电容的作用就是缓冲使 RST 端保持高电平一段时间，以达到有效复位，电容越大， 保持的时间就越久。单片机的复位需要至少持续两个机器周期以上的高电平的时间， 所以在刚开始上电的时候图 3.3 中的电容 C1 充电，所以在单片机的复位引脚 RST 上 会出现大于 2 个机器周期的高电平，使单片机复位。3.2 数据采集模块数据采集模块使用型号为 CZL-A、量程为 10kg 的电阻应变式压力传感器，对被测物体进行压力 采集并将其转换成电压信号，输出电压信号通常很小，此时需要利用 HX711 转换模块

31、 中的可编程放大器进行放大。放大后的模拟电压信号经 24 位 A/D 转换芯片 HX711 电 路转换成数字量，通过 2 线串行方式与单片机通信，即可完成数据的采集工作。数字 采集模块原理图如图 3.4 所示。图图 3.4 数据采集模块图数据采集模块图3.2.1 压力传感器压力传感器（1）压力传感器的选择在本设计中，我们需要使用压力传感器来对物品重量进行测量。压力传感器在压 力检测系统中是一个重要的元件，因此，在选择压力传感器时需要考虑其量程和参数， 还要考虑它的性价比和兼容性等等。由压力传感器将所测压力信号转换成容易测量的 电信号输出，经过 A/D 转换及单片机处理后传送给液晶显示压力值，或

32、供报警使用。 压力传感器的种类有很多，比如应变式传感器，电容式压力传感器、压电传感器，谐 振式压力传感器直接位移式传感器或是利用磁弹性、压阻等物理效应的传感器。压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器5。但压电传感 器只能用于动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下 才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电 式传感器不能用于静态测量。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。电阻应变式传感器具有悠久的历史。电阻应变式传感器具有金属的应变效应，即 如果有外力存在，那么金属会发生微弱的形变，从而改变其电阻值。它具有结构简单， 精度高，易于实现小型化等特点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。对于大应变 有较大的非线性的输出信号较弱，但可以通过一些措施来补偿。电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，因为压力传感器在工作时应变片的形 变量很小，导致电阻变化很微弱，测量得到