远程压力监测系统设计与实现-电气工程及其自动化毕业论文

远程压力监测系统设计与实现-电气工程及其自动化毕业论文内容摘要：

5 第二章 监测系统的硬件设计 硬件设计的整体方案 本设计使用双孔悬臂平行梁应变式压力传感器采集压力值，得到压力值所代表的模拟量再通过 HX711 芯片进行 AD 转换得到压力值 所对应的数字量，然后将 STC89C51 单片机作为主控制芯片，在其内部进行处理转换得到实际的压力值。 通过串口与主蓝牙模块的配合发送至上位机的蓝牙模块从机部分，接收后，上位机的显示部分，采用显示界面开发平台 LabVIEW，应用于数据采集与控制、信号分析，界面设计从而实现远程压力监测的功能。 硬件系统框图如图 所示。 图 系统硬件框图 器件的选择 处理器 本设计采用了 STC89C51 单片机，以下介绍该款单片机的主要性能参数。 (1) 与 产品指令系统完全兼容 (2) 4k 字节在系统编程 (ISP)Flash 闪速存储器 (3) 1000 次擦写周期 (4) 的工作电压范围 (5) 全静态工作模式： 0Hz 33MHz 压力监测对象 双孔悬臂平行梁应变式压力传感器 AD 转换 STC89C51 ttl 转 usb 串口 pc 机显示 无线通讯 6 (6) 三级程序加密锁 (7) 128ｘ 8字节内部 RAM (8) 32 个可编程 I/O 口线 (9) 2 个 16 位定时器 / 计数器 (10) 6个中断源 (11) 全双工串行 UART 通道 (12) 低功耗空闲和掉电模式 (13) 中断可从空闲模唤醒系统 (14) 看 门狗 (wDT)及双数据指针 STC89C51 芯片管脚如图。 图 STC89C51 最小系统 传感器 本设计采用了双孔悬臂平行梁应变式压力传感器。 工作原理： 应变式力传感器的受力工作原理如图 所示。 将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生形变时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。 将应变片接成如图 所示的电桥，力引起的电阻变化将转化为测量电路的 7 电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过转换即可得到所受的压力。 图 应变式力传感器的受力工作 原理 图 压力传感器的接线图 双孔悬臂平行梁应变式压力传感器参数如表 21 所示。 表 21 双孔悬臂平行梁应变式压力传感器参数 量程 (kg) 5 综合误差 (%) 额定输出温度漂移 (%℃ ) ≤ 灵敏度 (mv/v) 177。 零点输出 (mV/V) 177。 非线性 (%) 输入电阻 (Ω) 1000177。 50 重复性 (%) 输出电阻 (Ω) 1000177。 50 滞后 (%) 绝缘电阻 (MΩ) ≥ 2020(100VDC) 蠕变 (%) 励磁电压 (V) 3 ~ 12 零点漂移 (%) 工作温度范围 (℃) 10 ~ +50 零点温度漂移 (%℃ ) 过载能力 (%) 150 AD 转换芯片 本设计采用了 24位高精度 AD 转换芯片 HX711. 1 简介： HX711 采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子称而设计的 24位 A/D 转换器芯片。 与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型所需要 的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性能强等特点。 降低了电子称的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。 8 特点： (1) 两路可选择差分输入 (2) 片内低噪声编程放大器，可选增益为 32， 64， 128 (3) 片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内 A/D 转换器提供电源 (4) 片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可以用外接晶振或时钟 (5) 上电自动复位电路 (6) 简单的数字控制和串口通讯，所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程 (7) 可 选择 10Hz 或 80Hz 的输出数据速率 (8) 同步抑制 50Hz 和 60Hz 的电源干扰 1 HX711 芯片的串口通信 串口通讯线由管脚 PD_SCK 和 DOUT 组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。 当数据输出管脚 DOUT 为高电平时，表明 A/D 转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号 PD_SCK 应为低电平。 当 DOUT 从高电平变低电平后， PD_SCK 应输入 25 至 27个不等的时钟脉冲（图二）。 其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出 24 位数据的最高位（ MSB），直至第 24个时钟脉冲完成， 24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。 第 25 至 27 个时钟脉冲用来选择下一次 A/D转换的输入通道和增益，如表 22 所示。 表 22 输入通道和增益选择 PD_SCK 脉冲数 输入通道 增益 25 A 128 26 B 32 27 A 64 PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于 25 或多于 27，否则会造成串口通讯错误。 当 A/D转换器的输入通道或增益改变时， A/D 转换器需要 4 个数据输出周期才能稳定。 DOUT 在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。 9 其接线方式如图 所示： 图 HX711 的接线方式 无线模块 目前无线传输可简单分类为红外线、 、蓝牙以及 HomeRF 等四项技术： 1 红外线 (Infared) 这是利用红外线进行点到点视距传输的技术，它是在 1993 年由红外线数据标准协会制订的。 目前红外线的传送速率最高为 16Mbps，接收角度 120 度。 红外传输 设备体积小，功耗低，技术成熟，进入市场早，价格便宜，应用广泛。 但红外线的最大缺点是只能进行视距传输，即通信设备中间不能存在阻挡物，从而把红外线应用限制在特定领域之内。 2 系列这是 IEEE（ Institute for Electrical and Electronic Engineers 电气和电子工程师协会）制定的无线局域 网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。 目前最为常见的是 ，它使用开放的 微波频 段，最高速率为 11Mbps；在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。 在办公环境下作用范围约 100 米，在室外可以达到 300 米。 另一种 无线局域网工作在 5G的频段上，速率可达到 54Mbps，但设备昂贵，应用较少。 10 3 蓝牙 (Bluetooth) 蓝牙是一种开放性的短距无线通信技术标准，它主要应用于移动设备间的小范围连接，因而本质上是一种代替线缆的技术。 蓝牙也使用 频段，采用快跳频技术进行通信，因而具有较高的抗干扰能力和安全性能。 蓝牙技术可以支持数据和语音传 输，最高速率为 1Mbps，其作用范围视微波发射功率而定： 0dbm 的功率的作用距离为 10 米，20dbm 的功率作用距离为 100 米。 与 系列局域网的组网方式不同，蓝牙技术支持一种灵活的组网方式。 即通过无线方式将若干蓝牙设备组织成微微网（ pico— ）， 多个微微网之间又可以互连成为分散网（ Scatter－ ）。 同时，蓝牙也是唯一能够嵌入在手机中的短距离全向射频通信技术。 4 HomeRF 这是由 HomeRF 工作组开发的， 目标是在家庭范围内，实现计算机与其他设备间的无线通信， HomeRF 是 与 DECT 的结合，作用距离为 100 米，传输速率为 1～2Mbps，支持流媒体传输，在抗干扰能力上略有不足。 然而 HomeRF 技术没有公开，目前仅有为数很少的企业支持，因此应用前景并不广泛。 综合上面四种无线通信方式的优缺点，基于本设计需要一种短距离、低功率、低成本的无线通信标准，同时不存在穿透性问题，因此本设计的无线通信方式选择了 HC05蓝牙模块。 11 第三章 测量系统的软件设计 软件的整体设 计方案 本设计利用 Keil C51 和 LabVIEW 编程软件编写程序实现测压 显示功能。 系统主要分两部分程序， Keil C51 编写单片机读取 压力 值并通过串口传送 压力 值程序； LabVIEW 编程进行数据的处理和直观界面显示程序。 系统的流程图如图 所示。 图 系统流程图 下位机编程 下位机软件开发环境 —— Keil C51 简介 单片机的程序设计需要在特定的编译器中进行。 编译器完成对程序的编译、连接等串口初始化 开始 串口发送数据 单片机读取传感器并转化成压力值 接 收 数据 并 通 过LabVIEW 进行数据处理和显示 12 工作，并最终生成可执行文件。 对于单 片机程序的开发，一般采用 Keil 公司的 uVison系列的集成开发环境。 Keil uVison3 是集成的可视化 Windows 操作界面，其提供了丰富的库函数和各种编译工具，能够对 51 系列单片机以及和 51 系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。 Keil uVison 系列可以支持单片机 C51 程序设计语。