基于单片机的数显式智能压力开关设计

I 摘 要 随着传感器检测技术的发展，传感器集信号采集、信号处理输出功能于一 身，精度高稳定性好的压力检测系统已成为生产实践发展的迫切需要。其中压 阻式压力传感器以其灵敏度高、动态响应好、易于微型化等特点，而获得广泛 应用。单片机是随着超大规模集成电路技术发展而诞生的，由于它体积小、功 耗低，控制能力强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，以形式多样的控制 系统和数据采集系统，广泛应用于工业检测和控制中。 本设计从当前工业压力采集显示开关现状出发，设计一种基于 AT89C51 单片机的编程控制仪器，该系统集压力采集显示，过载报警并处理于一体。本 设计对压力传感器的选型，信号放大和滤波，LCD 液晶显示电路以及单片机 的接口电路等技术进行了分析和设计，并用仿真软件 Proteus 对系统进行了整 体调试，实现了预定功能。 关键词：传感器 单片机 信号处理 仿真 ABSTRACT With the development of sensor detection technology, it makes the signal II acquisition and signal processing output in-one. The pressure monitoring system about high precision and stability has become the urgent need for the production practices. The pressure sensor with its high sensitivity, dynamic response, miniaturization and other features, is widely available. With the development of ultra-large-scale integrated circuit technology, the Microcontroller was born. Due to its small size, low power consumption, control ability, flexible expansion, miniaturization and ease of use, it is used in industrial inspection and control widely in the various forms of control systems and data acquisition system. According to the status about the pressure display switch in the current collection industrial, the design makes a programming control instruments based on AT89C51.The system gathers pressure of display and overload alarm in one. The design that analyses the selection pressure sensor, the signal amplified and filter, the LCD display circuit and microcontroller interface circuit. The design adopts Proteus as the simulation platform and achieves the intended function. Keywords: transducer SCM signal processing simulation I 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 概述 .1 1.2 分类 .2 1.3 电子式压力开关原理 .3 1.4 国外压力检测的现状 .4 第 2 章 方案设计 .6 2.1 设计结构框图 .6 2.2 控制器方案确定 .6 2.3 压力传感器选择 .7 2.3.1 压力检测的类型 .7 2.3.2 压阻式传感器的工作原理 .9 2.3.3 电阻应变片测量电路的电桥原理 .11 2.3.4 传感器最终方案 .14 第 3 章 硬件电路设计 .15 3.1 总体设计框图 .15 3.2 压力传感器 .15 3.2.1 扩散型压阻式压力传感器特点 .16 3.2.2 压阻式传感器测量电路 .16 3.2.3 参数计算 .17 3.3 信号放大及调理电路 .19 3.3.1 电路基本结构 .19 3.3.2 有源滤波器参数计算 .22 3.4 A/D 转换电路 .23 3.4.1 A/D 转换模块 TLC1543.23 3.4.2 TLC1543 的特点 .24 3.4.3 A/D 采集时间计算 .24 II 3.4.4 TLC1543 与单片机接口电路设计 .24 3.5 显示电路 .25 3.5.1 LM032L 模块 .25 3.5.2 液晶显示模块与单片机连接 .26 3.6 键盘电路 .27 3.6.1 单片机与键盘电路接口设计 .27 3.7 继电器与报警装置 .28 3.7.1 固态继电器的工作原理 .28 3.7.2 继电器与单片机接口设计 .29 3.7.3 报警装置 .30 3.8 电源设计 .30 3.8.1 V125与 电源设计 .31 3.9 单片机与最小系统设计 .32 3.9.1 最小系统构成 .32 第 4 章 软件设计 .35 4.1 系统的软件设计思路 .35 4.2 初始化子程序 .36 4.3 键盘子程序 .36 4.4 A/D 子程序 .37 4.5 液晶显示子程序 .38 第 5 章 仿真测试 .40 5.1 PROTEUS 软件 .40 5.2 PROTEUS 电路设计 .41 5.2.1 Proteus 源文件设计和目标代码生成 .42 5.2.2 Proteus 仿真 .43 5.3 仿真调试小结 .46 结 论 .48 致 谢 .49 参考 文献 .50 附录 1 电源模块参数表 .53 III 附录 2 C 语言程序 .55 I Contents ABSTRACT(chinese) .I ABSTRACT.II Chapter 1 Introduction .1 1.1 Summari.1 1.2 Classify .2 1.3 The principle of the electronic pressure switch .3 1.4 The overseas development.4 Chapter 2 the project design .6 2.1 Design structure diagram .6 2.2 Scheme in the controller .6 2.3 Pressure sensor selection .7 2.3.1 Type of pressure test .7 2.3.2 Piezoresistive sensor principle of work .9 2.3.3 Bridge principle .11 2.3.4 Sensor is final plan.14 Chapter 3 the hardware circuit design .15 3.1 The overall design diagram.15 3.2 Pressure sensor.15 3.2.1 The characteristic of the sensor .16 3.2.2 Piezoresistive sensor measure circuit .16 3.2.3 Parameters are calculated.17 3.3 Signal conditioning circuit and amplification.19 3.3.1 Circuit structure .19 3.3.2 Active filter parameters are calculated .22 II 3.4 A/D conversion circuit.23 3.4.1 TLC1543 A/D conversion module .23 3.4.2 The characteristics of the .23 3.4.3 A/D acquisition time is calculated .24 3.4.4 TLC1543 and SCM interface circuit design .24 3.5 Display circuit.25 3.5.1 LM032L module .25 3.5.2 Connection module and MCU .26 3.6 The keyboard circuit .27 3.6.1 MCU and keyboard interface circuit design .27 3.7 Relay and alarm device.28 3.7.1 The working principle of solid state relay .28 3.7.2 The relay is connected circuit .29 3.7.3 Alarm device .29 3.8 Power supply design .30 3.8.1 Power supply design .31V125 3.9 Single-chip microcomputer and minimum system design.31 3.9.1 The minimum system.31 Chapter 4 the software design .35 4.1 System software design thinking .35 4.2 The initial, anti-fuzzy process .36 4.3 Keyboard subroutines .36 4.4 A/D subroutine.37 4.5 Liquid crystal display subroutine.38 Chapter 5 the simulation test.40 5.1 PROTEUS software.40 5.2 PROTEUS circuit design .41 III 5.2.1 Proteus design source file and target code generation.42 5.2.2 Proteus simulation.43 5.3 The simulation debugging summary.46 Conclusion .48 Acknowledgements .49 References.50 Appendix 1 power supply module parameter table.53 Appendix 2 C language program .55 1 第 1 章 绪论 现代工业生产中为了检查，监督和控制某个生产过程或运动对象，并且使 它们处于所选工况最佳状态，就必须对一些参数的大小，方向和变化速度等进 行检测，并根据检测结果对生产设备或者生产过程进行控制。 1.1 概述 在现代的自动检测系统中，各个组成部分一般分为信息的获得，信息的转 换，信息的处理和信息的输出等几个部分。 一个完整的自动检测系统，首先应该先获得被测量的信息，并通过信息的 转换把获得的信息转换为电量，然而进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪 信息输出，或由计算机对数据进行处理。 自动检测系统的基本组成框图如图 1-1。 传 感 器 显 示 装 置 数 据 处 理 装 置 执 行 机 构 信 号 处 理 被 测 量 图 1-1 自动检测系统组成框图 传感器是获取信息的重要手段。它所获取信息的正确与否，关系到整个测 量系统的精度，在非电量检测系统中占有重要的地位。 压力测量和温度测量，即压力计量学和温度计量学是计量学的一个重要分 支，它在国民经济各领域中占有一定的地位。人们的日常生活、工农业生产和 科学实验等许多方面都与力和温度有着十分密切的关系。力、温度作为重要的 物理量，是工业生产过程中最普遍、 2 最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新， 力的测量范围、温度的测量范围要求不断扩大，同时测量准确性要求不断提高。 因此，检测技术的研究是一个重要的研究课题。 近年来，随着微型计算机的发展，传感器在人们的工作和日常生活中应用 越来越普遍。工业生产中，电流、电压、温度、流量、转速和开关量是常用的 主要被控参数。压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是 保证生产和设备安全运行必不可少的条件。传统工业中对压力控制一般采用实 时监测并控制继电器开关来实现，不利于系统的稳定，而且占用劳动资源多， 生产效益大大降低。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要 的意义。随着工业领域越来越智能化，各种大型智能控制设备的普及，工厂对 各种参数的采集监视系统要去更加看重。采用电子式数显压力开关进行控制， 不仅具有控制方便，电子显示屏直观，精度高，使用寿命长等优点，而且可以 大幅度提高被控压力的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，极大 的减少了员工劳动的繁琐，增加了生产效益。 1.2 分类 目前国内外此类产品的应用大体上分为两大类， “一种是机械式的压力开 关，见图 1-2（a ） ，结构上主要友弹簧，波纹管，杠杆等机械零件组成，寿命 短，可靠性差，设定极为不便，一般在零点到满度之间设定点都有 15%30% 的死区；一种是全电子式的 1。 ”见图 1-2（b） ，其特点是有： 3 0 2 4 6 8 1 0 b a r 电 源 上 限 下 限 运 行 智 能 压 力 控 制 器 设置 开关 图 1-2(a) 机械式压力开关 图 1-2(b) 电子式压力开关 1.采用高精度 AD 和高速微处理器，全数字化设计; 2.4 位数码管显示当前压力或液位值; 3.压力或液位可以根据自己的需要设置; 4.三个单位可以根据客户需要选择：Bar，PSI，Kpa; 5.可以设置高低压力或液位报警点，并通过继电器或光耦输出给控制设备; 6.输出双路继电器(单刀双掷)开关量; 7.两路继电器/两路光耦/带 4-20mA/0-10V 输出可以选择; 8.采用高精度压力传感器，比机械压力开关精度高，迟滞小，响应快，稳 定可靠;调节无死区，可以在整个量程范围内任意设定继电器动作压力点 ; 9.使用按键调节动作压力，使用简便，更加灵活; 防护等级：IP65 ，可以 用在环境恶劣的场合; 1.3 电子式压力开关原理 数显压力开关通常称为电子式压力开关；数显压力控制器等；主要原理是 当系统内压力高于或低于设定压力值时，通过传感器感应内部压力，触动微动 开关断开和接通；主要形式是通过连接导杆推动。当压力降至或升至设定的值 时，其内部微动开关自动切断，达到控制被测压力的目的。数显压力开关全为 4 全电子结构，前端采用带隔离膜充油压阻式压力传感器，由高精度的 A/D 转 换，经微处理器运算处理，现场显示，并输出一路模拟量和两路开关量压力开 关，采用的弹性元件有单圈弹簧管、膜片、膜盒及波纹管等。开关元件有磁性 开关、水银开关、微动开关等 2。 1.4 国外压力检测的现状 在国外压力检测和控制已经较为成熟，精度相对较高，已经实现规模化生 产，目前我国，随着我国工业不断发展，智能化不断提高，员工密度不断减少， 各种先进传感器和仪器设备将逐渐取代原有的老旧设备。每个工厂几乎对压力 的监测和控制已经非常普遍，应用非常广泛。但是我国的传感器控制系统的研 究和发展还落后于西方国家，致使我国先进仪表设备还需大量进口，造成了大 量资金损失。 目前使用的压力开关存在如下问题： 1.工作不可靠，在对压力开关进行校验时多次发现，当给定压力低于设定 值时，压力开关认不动作，当用物体敲击时又恢复正常。 2.误动作，用户反映：曾多次发生当管线内压力产生轻微波动时造成误动 作。 3.精度低、校准难，在校验时反复进行试验才能确定设定值。 随着节能降耗、低碳经济、民生产业、战略新兴产业的发展，调整结构和 转型已成为国家的长期国策，并带动了风电、核电、物联网、智能电网、高铁 和轨道交通等一批新兴产业的高速发展，这些行业的发展为仪器仪表行业带来 了新的机遇和市场。我国仪器仪表行业也已经真正跨入数字化、智能化、网络 化时代。 此次方案设计研制的数码压力开关就是在电子式压力开关的基础上用按钮 来设定零点到满度之间的报警点任意调整，设计方便且不存在死区，同时采用 高集成度仪用放大器和高集成度控制芯片设计，传统电子式压力开关有许多有 5 点，但也不乏数码显示内容太少，价格昂贵等缺点。本设计采用成本较为低廉 的微型片构建出一个集压力采集，信号放大，AD 转换，液晶显示，继电器动 作的一款性价比较高的压力开关。 6 第 2 章 方案设计 通过对数显开关的了解以及结合设计的要求，构建一个理想的系统结构 框图来实现仪器的参数指标，并对其中的核心部分进行筛选和理论性分析。 2.1 设计结构框图 根据压力开关的工作原理，我得出以下设计结构框图如下图 2-1 传感器 测量的实际值与键盘设定的给定值经过控制器的处理后，将结果经控制器输 出到继电器及报警装置 3。 液晶显示压力值 给定压力值 控制器 键盘输入 继电器输出及报警 传感器压力测定 图 2-1 设计结构框图 2.2 控制器方案确定 控制器是整个方案设计的核心，这里我选择了 51 单片机，ARM 以及 DSP 进行了比较： 一般 51 单片机是 8 位的；ARM 是 32 位的；DSP 有 16 位的，也有更高 的。所有说从运算能力上看，C51 最弱，DSP 最强，ARM 居中。结构差别较 大，单片机最简单。 单片机一般芯片面积非常小，工 7 作频率很低（一般是 10 多 MHz，有的是 24MHz） ，所以功耗低。DSP 则频 率很高(高的达到 300MHz 以上)，所以功耗大。ARM 芯片面积也很小，ARM 是集成程度高，面积小，功耗也比较小。频率大约在（几十到 200MHz 之间） 4。 单片机主要应用于不需要太多计算量的控制类系统。一般配有丰富的外 围模块。DSP 则主要应用于需要进行复杂计算的高端系统，例如图像处理， 加密解密，导航系统等，外围模块一般较少。ARM 是 C51 和 DSP 之间的一 个折衷。C51 的性能远不如 ARM 和 DSP，但仍然占据重要的一席之地，原 因就是性能价格比。因为它太成熟了，太小了，太便宜了。而在一些需要复 杂计算的领域，DSP 也不可或缺。ARM 的成功就是他找到了一个折衷点，并 且建立了一个非常灵活的商业模型。 本次课题要求对压力的实时采集传输数据，控制器必须要有实时接收和 处理数据的能力，选择性价比较高的单片机，在运行处理数据能力，一般可 以达到每秒执行 1 百万条 8 位数的指令。配合高精度的 AD 采集模块，完全 可以做到实时数据采集和运算。 所以结合实际课题指标和成本的问题，选择更为经济适用的 51 单片机来 实现压力开关的设计。 2.3 压力传感器选择 2.3.1 压力检测的类型 力传感器是一种能将力、压力等物理量变为可测量的电信号（电压、电 流）的器件或者装置 5。其转换的基本原理如图 2-2 试 件 的 机 械 形 变 转 换 电 路 传 感 器 敏 感 元 件 的 相 应 参 数 发 生 变 化 下 一 级 处 理力 ， 压 力 8 图 2-2 力学量传感器原理框图 力学量的获得，一般不通过直接测量敏感元件，而是将敏感元件与刚性 试件通过特定的工艺结合在一起，力学量变化先引起试件在弹性范围内的几 何形变，进而引起敏感元件相应的参数变化（如应变片的电阻值、压电元件 表面产生的电荷的多少等） ，并且这种变化与待测的力、压力应呈线性关系， 此时敏感元件的参数变化就可以转化为标准的电压或电流信号。这种信号是 一种随时间连续变化的模拟量信号，需要经过模数转换电路，进入单片机电 路或者其他电路进行处理或显示。 力传感器根据按转换的原理分为，有应变式、电容式、压电式、电感式、 压磁式等。在力的测量中，比较常用的是应变式、电容式和压电式。 电容式测力传感器在恶劣环境下对测量静态或低频变化的力有较好的优 势，它不适合测量一定频率下（12Hz ） ，有较大变化下的冲压力的大小 6。 应变式传感器所测的力从 ，不仅测力的范围宽，动态、N77105 静态的力都能测量，而且价格相对便宜，应用领域非常广泛。 应变式传感器核心元件是电阻应变计。电阻应变计，也称应变计或应变 片，是一种将机械构建上的弹性形变转化为电阻变化的敏感元件。根据应变 片的质地，电阻应变有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类 7。 与金属电阻应变片比较，半导体应变片具有灵敏度高，耗电省、机械滞 后小，可测量的静态应变和低频应变等优点，但其温度系数大，应变时非线 性严重。 随着新材料、新工艺的发展，人们选用晶体（硅、锗、蓝宝石、石英等） 材料，采用微电子技术和微细加工技术研制出新型的半导体应变式传感器 压阻式传感器。这种传感器测量精度高、工作可靠、工作温度范围宽、容 易实现数字化，比普通应变式传感器体积小而输出信号大，并且克服了半导 体应变片存在的问题。 9 2.3.2 压阻式传感器的工作原理 压阻式传感器工作原理与传统的半导体应变式传感器的工作原理一样， 是基于半导体的的压阻效应，即当半导体材料在某一轴向施加一定的载荷而 产生应力时，其电阻率会发生变化。电阻率变化将引起电阻的变化，通过测 量阻值，就可以确定外界作用力的大小 8。 下面通过对半导体应变片压阻效应的分析来说明半导体应变片的工作原 理。设有一根长度为 、横截面积为 、电阻率为 的半导体应变片，其电阻lA 值为 （2-1）lR 当受到轴向均匀应力 作用时，沿轴向将伸长 ，横截面积将相应减少Fl ，电阻率变化 ，那么电阻微笑变化为A （2-2）dRAdlR 受力后前后尺寸的变化如图 2-3 A A - d A 1 1 + d 1 图 2-3 半导体应变片的受力前后尺寸变化 可以证明，当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变为 （2-3）duRdx)21( 式中 为表征横向限度相对缩小和纵向线度相对伸长固定比例的泊松系u 10 数； 为半导体应变片的轴向应变； 为应变片的电阻率相对变化量，x /d 其值与半导体敏感元件在轴向所受的应力关系为 （2-4）xE 式中： 为应变片所受的应力； 为半导体材料的压阻系数； 为材料的弹性模量；E 将前两个式子整理得 （2-5）xEuRd)21( 实验证明，对于半导体材料， ，即因机械变形引起的电阻变 化可以忽略，半导体电阻相对变化率取决于电阻率的相对变化率。 （2-6）dKXB/ 根据应力和应变的关系： 。E 由此可知，应力值 正比于应变 ，应变 正比于电阻值的相对变化，x 所以应力 正比于电阻值的，这就是利用应变片测量应变的基本原理 9。 2.3.3 电阻应变片测量电路的电桥原理 要把应变片的微小引起的微小电阻值的变化测出来，同时要把电阻相对 变化转换为电压和电流的变化，需要有专门的测量电路。直流电桥电路是常 用的测量电路。 如图 2-4 为恒压源供电电桥 10。 11 1R234ELR0U 图 2-4 恒压源电桥 1.平衡条件 当 时，电桥输出电压为LR （2-7）)(43210REU 当电桥平衡时， ,所以0 或 （2-8 ）3241R4321 2.电桥灵敏度 若 由应变片代替，当电路开路时，不平衡电桥输出的电压1R (2-9)()( 43211443210 RREREU （2-10）)()( 341243214 设桥臂比 ,由于 , 可忽略，若将上式合并可以近似得到12Rn1R （2-11）0120)(URnEU 12 故电桥灵敏度为 （2-12）210)(nERUSV 从上式中可以得出：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越 高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压提高收到应变片允许功耗的限制；电 桥电压灵敏度是桥臂比值的函数，当电桥电压 一定时， 取 1 时， 最大。EnvS 也就是说，在电桥电压一定时，当 、 时，电桥的电压灵敏度最21R43 高 11。 此时分别将（3-10） （3-11）和（3-12）简化，可得： (2-13)11024REU (2-14)0 （2-15 ）ESV4 3.恒流源电桥 要减少半导体应变电桥的非线性误差，可以通过提高桥臂比，采用差动 电桥等措施。同时还要求各桥臂的电流稳定 12。因此，半导体 应变片电桥的 电源一般采用恒流源，如图所示 2-5。1R2340UII 图 2-5 恒流源电桥 13 当供桥电流为 I，测量电路输出阻抗高时,可得到输出电压为 (2-16)IRRIU432143210 若电桥初始平衡，且 ,当第一桥臂电阻 变为421 1 时，电桥输出电压为1R (2-17)RIR410 忽略 ,可近似得到1R (2-18)004UI 从（2-18 ）式可以得到：电桥的输出电压与电阻的变化量成正比。 4.非线性误差 使用恒压源时，将（2-13） 、 （2-14）带入，可得到非线性误差为： (2-19)RRUrE 21210 而使用恒流源时，非线性误差为 (2-20)RrE 41410 可见，采用恒流源供电时的非线性误差比采用恒压源供电时的非线性误 差减少一半。 14 2.3.4 传感器最终方案 综合以上，由于本设计压力精度并不要求太高，选择的压阻式传感器， 设计为恒流源供电的电桥结构，提高其灵敏度，这样检测已经能满足系统的 要求。而且大大减少了成本。 15 第 3 章 硬件电路设计 方案设计是真个宏观的设计，而硬件电路设计就是从宏观到微观，从笼统 到具体的一个重要环节。 3.1 总体设计框图 经过对控制器和传感器的选择，本设计基本思路明了，压阻式全桥传感器 将现场的实时压力值转换为几十毫伏的电压力值。由于信号太微弱不能与 AD 模块匹配，要经过信号放大和抗干扰的电路。处理后的电压信号要经过模/数 转换模块将电压信号转换为 8 位二进制码，这些数据最后送到单片机中进行数 据的处理，分别在液晶屏显示压力值和继电器输出 13。 设计框图如下图 3-1。 单片机 最小系统 A / D 转 换电路 信号放 大滤波 电路 压力传 感器 液晶显示 按键电路 继电器输出及 报警 图 3-1 总设计框图 3.2 压力传感器 70 年代，采用集成电路技术研制的扩散型压阻式传感器（或称固态压阻 式传感器） ，克服了粘贴带来较大的机械滞后和蠕变以及固有频率较低的集成 化困难的缺点。 16 3.2.1 扩散型压阻式压力传感器特点 优点：体积小，结构比较简单，动态响应好，灵敏度高，能测出十几帕的 微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。 缺点：测量准确度受到非线性和温度的影响 14。 3.2.2 压阻式传感器测量电路 传感器输出的非电量转换成具有一定幅值的电压量，如图 3-2 所示的压阻 式传感器测量电路 15。 + 1 2 V R 1 R 2 D 1 D Z e n e r R 3 - 1 2 V L M 3 2 4 D R 4 R 5 1 K R 6 1 K R 7 1 0 K R 1 2 0 K R 1 2 0 K R 1 2 0 K R 1 2 0 K O U T 1 O U T 2 T N P N 压阻式传感器等效电路 I o + - 图 3-2 压阻式传感器的测量电路 该电路由两部分组成，其中右边部分为四个应变片组成的电桥测量电路， （零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系 数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异而不一样。但工艺上难于做 到四个 P 型桥臂，电阻的温度系数不完全相同，则不可避免产生温度变化时， 无外力作用仍有电阻值的变化。一般用串，并联电阻的方法进行补偿）通过调 节 R7 的触点位置，保证在未受载时电桥保持平衡。 左边部分为恒流源电路，恒流源电路由运算放大器 LM324D、三极管（调 整管）VT 、稳压管 VDz、限流电阻 17 ， 和 分压电阻， 采样电阻。由运算放大器和三极管组成 V/I 转换1R234R 电路，由于运算放大器失调电流 极小，运算放大器的正，反相输入端近似Ios 等电位（虚短） 。因此，输出电流可表示 ,由此可见输出电流可有4/RVFO 和 进行调节而不随负载电阻的变化而变化，从而达到恒流输出的目的。FV4 本电路将 设定为定值，通过调节 来实现输出电流全量程调节的目的 16。RF 3.2.3 参数计算 设计恒流源输出电流 ， 得mAIo6kR14 (3-1)VIVOF6 由分压电路得 kR132 限流电阻 和稳压管的选择。1 R 1 D Z V i V L + - + - I z I R I o 图 3-3 稳压管限流电阻等效电路图 已知电源 在 11.512.5V 之间变动， ， ,iVAIO1AI5.1(max) 选取限流电阻 时，必须保证稳压管工作在反向击穿状态。Lz61R 太大可能使 Iz 太小，无法使稳压管反向击穿； 太小可能使 Iz 太大，烧1R R 毁稳压管。所以在保证稳压管可靠击穿情况下，尽可能选择较大的 R4 阻值。 根据图 3-9，可得到限流电阻 R1 的关系式 18 (3-2)oLZIVziIiR1 考虑最坏情况，即当输入电压最小 ，负载电流最大 ，(min)i (max)LI 的最大值必须保证稳压管中的电流大于 ，即1R(ax)ZI (3-3)(min)(ax)(max)4zLi IRV 一般稳压管的 为几毫安到几十毫安。这里取 ，则 R4 的(min)ZI AIZ5(in) 最大值为 (3-4)AIIzOL 0.15.1(min)(ax)(ax) (3-5)64.3.1(ax)(in)(max) VIVRLZ 的取值将直接影响稳压管的最大电流 ，取电阻标称值 .1 (max)ZI 63R 考虑最坏情况，当输入电压最大 ，负载电流最小 ,即负载开路，(ax)iiV0LI 原本流过负载的电流将全部流经稳压管，此时 的最大值为ZI (3-6)AVIRzILiZ 8.106.35124(min)(max)(ax) 稳压值 ，最大耗散功率 。综合Vz6 WPZZM.(ax) 所示，稳压管选取为：稳压值等于 6V，最小电流小于等于 5mA，最大电流大 于 1.8A，最大耗散功率大于 10.8W。选用 2CW22C 硅稳压二极管 （Vz=6.27.5V,Pzm=3000mW）可以满足要求 17。 最终传感器电路图如图 3-4。 19 Q1 1 2 3 4 R? 一一一一一一一一一一一D12CW22C R7 10K R61K R51K +12V R41K NPN -12V R13.6 R31K R2 1K 123 11 4 LM324A Uout1 Uout2 图 3-4 传感器原理图 3.3 信号放大及调理电路 3.3.1 电路基本结构 被测压力经应变片电桥得到的电信号的幅度往往很小，很难进行 A/D 转 换，且有噪声干扰（共模干扰） ，零点漂移等，因此需要对这些模拟信号进行 放大和处理。为了使电路简单并且便于调试，一般都采用集成运算放大器搭建。 通过放大电路，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。信号放 大及调理电路的整体结构如图 3-5。 电压放大电路 低通滤波器 微弱电压 较大电压 模数转换 图 3-5 信号放大及调理电路的整体结构 考虑到传感器产生的信号非常微弱，一般只有几十毫伏到几百毫伏，很容 易受到噪声的干扰，所以放大电路用运算放大器构成差分结构，对共模噪声有 很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微 弱信号的放大。另外为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，调高低通滤 波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测放大电路原 来图如图。压力传感器产生的电信号通常具有很大的动态范围，原理图中可以 20 改变 Rg 为可变电阻，通过改变 Rg 的阻值，可以改变放大器的放大倍数，从 而适应放大不同大小的微弱信号 18。 -12V +12V R104.7K C2100pF C1100pF R94.7K 23 4 6 7 OP07 R84.7KR74.7K A2 A3 A1 R510K R610K R410K R310K R210K R110KRg20 23 4 6 7OP07 -12V 23 4 6 7 OP07 +12V 23 4 6 7 OP07 -12V +12V -12V +12V 一一一 一一一 一一一一一 图 3-6 信号放大及滤波电路原理图 图 3-11 为测量和调理放大电路。该电路前半部分为三运放仪器放大器， 由两个运算放大器 A1 和 A2 构成第一级，运放 A3 构成第二级。 把被放大信号的分别接到输入端。假设 R1=R3，Ad 是 A1 和 A2 对差模 输入信号的增益，Ac 是 A1 和 A2 对共模输入信号的增益。如果忽略输入偏置 电流，则可列方程式。 （3-7 ）2/)()( 111 CBINdBINA AUAU （3-8 ）22 II （3-9 ）211)(AABR （3-10 ）222 UU 解上面的方程式可得到 A1 和 A2 组成的第一级放大器的差模增益 为1G (3-11）)2/()(112211 RARGCdcINIAINdA 第一级放大器的共模增益 为CM 21 （3-12）2/12/)(11 CdINIAINCAM AU 设 ,A1 和 A2 的共模抑制比 ,由式（3-11）和dA/CMRK （3-12 ）得 (3-13)211GINdA （3-14）ICMU 由式（3.13）和（3.14）可知，第一级放大器对差模信号进行放大，而对 共模信号有抑制作用。 假设 , ,运放 A3 的差模增益和共模抑制比分别为 和 ,于54R76 3dA3CMRK 是 （3-15）INCIdCMRAAdOUT UKGKU34646 式中 G 是整个三运放仪器放大器对差模信号 的增益I （3-16）4621)( 是整个仪器放大器对共模信号 的增益CKINCU （3-17）3461MRK 整个仪器放大器的共模抑制比为 (3-18)2(1GCMR 在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应 选择接近理想运算放大器。主要参数的要求是具有较小的偏置电流、输入偏置 电压和零点漂移。具有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级 22 别对集成运放的要求较高，一般需要运放的输入偏置电流在 pA 级，目前市面 上有很多满足条件的集成运算放大器。设计中选用运放算放大器 OP07，具有 低漂移，高精度，输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，稳定性好，共模抑制 高等特性，适用于高共模电压背景下对微小信号进行放大。 图 3-11 的后半部分为调理滤波电路。考虑到 AD 采集频率为 33KHz（A/D 采集频率计算见 3.4.3） ，设计一个二阶有源滤波电路来进行滤波。 截止频率 =35KHz，先选择电容 C（C1=C2 ）等于 0.33pF，计算电阻阻值。cf 3.3.2 有源滤波器参数计算 由 ， ，得：RCwc1cf2 (3-19)kCfc 5.410352187 2 选择标准电阻 ，这与计算值有一点误差，可能导致截止频率比k.4 额定值稍有升高。 由 ，Q 称为品质因数 VFA31 (3-20)910RAoVF 设计电路中 ,已知 ,才能稳定工作。当9)1(0RVF30 时，电路将自激振荡 19。30VFA 结合以上结论设计选择 k7.4 3.4 A/D 转换电路 传感器采集的电信号分为两种： 23 一种是模拟信号，他不能直接输送到单片机，首先进行 A/D 转换，然后才能 送到单片机处理；一种是数字信号，它可以直接输送给单片机。无论是模拟传 感器，还是数字传感器存在与单片机的硬件或软件的衔接问题。 3.4.1 A/D 转换模块 TLC1543 压力传感器采集的现场信号经过前面差动运放放大和滤波后的电信号是模 拟信号，需要将其转换为数字信号，以便单片机处理。 TLC1543 是美国 TI 公司生产的 10 通道、低价格的模/数（A/D）转换器。 它采用串行通信接口，能够大大节省单片机 I/O 口使用，具有输入通道多，性 价比高、易于和单片机接口的特点，克广泛应用于各种数据采集系统。 TLC1543 为采用 CMOS 工艺制作的 20 脚 DIP 封装 10 位开关电容逐次 A/D 逼 近模数转换器，引脚排列如图 3-720 3.4.2 TLC1543 的特点 1.10 位 A/D 分辨率转换器 ； 由 得到 VFS510N （3.21）310104.2)(52)( NFSVQ 2.11 个模拟输入通道； 3.3 路内置自光测试方式； 4.总不可调整误差 ；LSBMax1 5.固有的采样保持功能； 6.片内系统时钟； 7.转换结束输出； 24 8.采用 CMOS 技术；低功耗； 3.4.3 A/D 采集时间计算 AD 采集时间=AD 采集时间+AD 转换时间。完成一次采样时间为为 12 个 I/O CLOCK 所用时间，AD 转换时间根据 C 语言程序 18 个指令周期，由于每个 I/O CLOCK 由 C 语言完成，单片机晶振采用 12MHz，指令周期= ，所以 AD 采集时间= ，故:usMHzSOC121 usus301812 AD 采集频率= (3.22)z.35-KHAD采 集 时 间 采样滤波短路截止频率应略高于此频率。 3.4.4 TLC1543 与单片机接口电路设计 TLC1543 与 AT89C51 采用串行数据通信，这里将 TLC1543 作为外部扩 展串行 I/O 口，由 P1.3 接 DATA OUT 引脚（A/D 转换输出端）用来接收 A/D 转换结果，P1.4 接 ADDERSS 引脚（数据输入端）用来控制转换地址选择， P1.5 接 引脚（片选端）控制片选信号，P1.6 接 I/O CLOCK 引脚（脉冲端）CS 来发送脉冲信号给 TLC154321。 接口电路原路图 3-7。 A89 GND10 A01 A12 A23 A34 A45 A56 A67 A78 VCC 20EOC 19 I/O CLOCK 18ADDRESS 17 DATA OUT 16CS 15 REF+ 14REF- 13 A10 12A9 11 TLC1543 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL118 XTAL219 VSS20 P2.0 21P2.1 22P2.2 23 P2.3 24P2.4 25 P2.5 26P2.6 27 P2.7 28PSEN 29 ALE 30EA 31 P0.7 32P0.6 33 P0.5 34P0.4 35 P0.3 36P0.2 37 P0.1 38P0.0 39 VCC 40 P1.56 P3.4/T014 AT89C51 +5 25 图 3-7 TLC1543 接口电路原理图 3.5 显示电路 3.5.1 LM032L 模块 显示电路采用液晶 LCD 芯片 LM032L，是 LCD 单色液晶显示器，20 以其低功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和 低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 设计中要求实时显示当前压力值，以及设定的上下限值，例如：满量程 1000KPa，设定上下限初值 500Kpa 与 200Kpa，两边和中间留出间隔，一共 是 20 个字符，结合实际选择 LM032L 显示 40 个字符完全可以满足要求。 如图 3-8 为 LM032L 芯片引脚图 VSS 1 VD D 2 VE E 3 RS 4 RW 5 E 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 图 3-8 LM032L 引脚图 3.5.2 液晶显示模块与单片机连接 LM032L 与单片机连接如图 3-9 26 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD1 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL118 XTAL219 VS20 P2.0 21P2.1 2P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26 P2.6 27P2.7 28PSEN 29ALE 30EA 31 P0.7 32P0.6 3P0.5 34P0.4 35P0.3 36 P0.2 37P0.1 38P0.0 39VC 40 P1.56 P3.4/T014 AT89C51 Power1 R12 R23 R34 R45 R56 R67 R78 R89 RP1 20 VSS 1 VDD 2 VEE 3 RS 4 RW 5 E 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 LM032L RV1 VC VC VC 图 3-9 LM032L 与单片机连接图 LM032L 采用标准的 16 脚接口，其中： VSS 引脚为地电源线接滑动电位器地端；VDD 引脚接+5V 电源；VEE 引 脚为液晶显示器对比度调整端接电位器调整端；接正电源时对比度最弱，接地 电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ；RS 引脚为寄存器选择与 P2.0 连接，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；RW 引脚为 读写信号线，与单片机 P2.1 连接，高电平时进行读操作，低电平时进行写操 作。当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据； E 引脚为使能端与 P2.2 连接，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执 行命令；第 714 引脚：D0D7 为 8 位双向数据线，分别通过上来电阻接到 P0 口的 8 个 I/O 口上。 3.6 键盘电路 独立连接式非编码键盘，每个按键都是彼此独立的，均需占用 CPU 的一 条 I/O 输入数据线。独立式非编码键盘的优点是硬件电路简单；缺点是每个按 27 键要占用一条 I/O 端口线。考虑到 AT89C51 单片机的 I/O 充足，采用独立连 接式键盘 22。 3.6.1 单片机与键盘电路接口设计 单片机与键盘接口如下图 3-10，具体对应关系如表 3.1。 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL118 XTAL219 VSS20 P2.0 21P2.1 22P2.2 23 P2.3 24P2.4 25 P2.5 26P2.6 27 P2.7 28PSEN 29 ALE 30EA 31 P0.7 32P0.6 33 P0.5 34P0.4 35 P0.3 36P0.2 37 P0.1 38P0.0 39 VCC 40 P1.56 P3.4/T014 AT89C51 S1 S2 S3 S4 S5 S6 SWVCC 一一一 一一/一一 一一 一一 + - 图 3-10 单片机与键盘接口电路 表 3.1 按键对应表 按键编号 I/O 口 功能 K1 P2.3 “系统功能” 键 K2 P2.4 “开始/暂停”键 K3 P2.5 “确定”键 K4 P2.6 “取消”键 K5 P2.7 “+”键 K6 P3.0 “-”键 SW P3.7 “上下限位选择”键 28 3.7 继电器与报警装置 固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动 零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR 是一种全部 由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的点，磁和光特性 来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控 硅双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电 路。 3.7.1 固态继电器的工作原理 固态继电器（Solid State Relay SSR）是利用现代微电子技术与电力电子技 术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控 制信号（几毫安到几十毫安）控制 0.1A 直至几百 A 电流负载，进行无触点接 通或断开。固态继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接 控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR 实际是一个受控的电力电子开关， 其等效电路如图 3-1123。 输 入 信 号 输 入 电 源 负 载 图 3-11 固态继电器等效电路图 由于固态继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，应用在电 动机调速、正反转控制、调光、家用电器、烘箱烘道加温控温、变送电电网的 建设与改造、电流拖动、印染、煤矿、钢铁、加工和军用等方面。 29 3.7.2 继电器与单片机接口设计 采用 G2RL-14B-CF-DC12 型号小型固态继电器，工作电源+12V，输入为 10mA 电流，输出为一盏二极管。与单片机连接如图 3-12。 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL118 XTAL219 VSS20 P2.0 21P2.1 22P2.2 23 P2.3 24P2.4 25 P2.5 26P2.6 27 P2.7 28PSEN 29 ALE 30EA 31 P0.7 32P0.6 33 P0.5 34P0.4 35 P0.3 36P0.2 37 P0.1 38P0.0 39 VCC 40 P1.56 P3.4/T014 S? 1.0uF D2 TTL K 一一一 VCC D1 IN4004 Q2PNPR194.7K 图 3-12 继电器与单片机接口电路 继电器工作与否由 P3.2 来决定，当 P3.2 没输出时，三极管不导通线圈没 电，二极管接常开触点不导通不亮；当 P3.2 有输出时，三极管导通，线圈得 电，二极管姐常开触点导通并发光。 3.7.3 报警装置 报警装置由一个 I/O 线控制一个二极管和蜂鸣器来实现。具体电路如图 3- 13。 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL118 XTAL219 VSS20 P2.0 21P2.1 22P2.2 23 P2.3 24P2.4 25 P2.5 26P2.6 27 P2.7 28PSEN 29 ALE 30EA 31 P0.7 32P0.6 33 P0.5 34P0.4 35 P0.3 36P0.2 37 P0.1 38P0.0 39 VCC 40 P1.56 P3.4/T014 AT89C51 一一 D1 Q1PNP VCC 图 3-13 报警装置与单片机接口电路 30 报警装置由 P