基于51单片机的压力测控系统全套资料

基于51单片机的压力测控系统全套资料内容摘要：

计算机的管理下更好地发挥信息检测功能，降 低对元器件的要求，从而降低成本。 另一方面在软件的支持下使传感器具有较强的信息处理和通讯能力，具备较高的智能，极大地提高传感器系统的性能。 因此，有认为 :智能传感器系统是指传感器 (通过信号调理电路 )与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统。 这些提法突破了传感器与微处理器结合必须在工艺上集成在一块芯片上的框框，而着重于两者赋予智能的结合，使传感器系统的功能由以往只起信息检测作用扩展到兼而具有信息处理功能。 智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。 其主要特征是将传感器 的检测信息功能与微处理器的信息处理功能有机的融合在一起，具有一定的人工智能作用。 智能传感概念和智能传感技术的产生与发展始终伴随着高科技产业的发展，比如运动对象的速度、位置、姿态等运动数据及温度、气压、加速度、空气成分等环境因素数据的采集，机器人的推广应用中以更高级、更智能化的传感器代替人工操作传感器系统。 在环境测量中应用智能化的远程传感系统向有关人员及时通报环境危机等等，智能传感器在多方面激发了新一轮的 技术革新。 智能传感系统的层次结构如图 13 所示。 图 13 智能传感器的层次结构图 顶层整体控制 中央集中处理（数字系列处理） 中间层（信息过程）中间控制 底层调节与优化 传感器信号合成与融合 底层（信号过程）传感与信号规范化 智能传感器分布并行过程（模拟） 6 信息处理过程 信息处理 过程主要包括两个方面的内容，一个方面是传感器采集到的信号可能比较弱，要经过放大器进行放大后才能传给微处理机进行信息的存储，显示，控制。 另一个方面是微处理机对信息的处理，既智能化处理。 集成运算放大器 运算放大器最初被用在模拟计算机系统中，它本质上是一个性能优良的高增益直流放大器，加上外部反馈网络可以完成诸如加、减、乘、除、积分和微分等运算功能，由此得名。 运算放大器自问世以来经历了由电子管、晶体管到单片集成电路（即集成运算放大器）的发展过程，产品的性能价格比不断提高。 目前，集成运算放大器已被广泛用于仪器仪表、自动控制、计算技术及电信无线电 等领域。 （ 1） 集成运算放大器的基本结构 输出级 (* 正文不少于 10 千 字 ； 或使用小四字体 图 14 集成 运算放大器 基本结构图 集成运放一般包括差动输入级，中间放大增益级，输出和偏置电路 ，如图 14。 输人级一般为差动放大电路，它由两个特性相当接近的晶体管（或复合管、超 R 管、场效应管）组成，输人级决定了整个集成运算放大器的失调电压、失调电流、失调电压漂移 、失调电流漂移、输人阻抗、共模抑制比、共模输人电压范围、差模输人电压范围等。 中间增益级是由一到两级直接藕合共发或组合电路放大器组成，此级的主要功能是电压放大 [6]。 （ 2） 集成运算放大器的差模信号定义为幅值相等、相位相反的一对输入信号。 若设一端的差模输 入 电压信号为 iU ，则另一端的差模输人电压信号为 iU。 放大器的性能参数主要包括差动开环增益，共模增益，共模抑制比，输入失调和热漂移等。 输入级 增益级 输出级 偏置电路 输出 差动信号 7 微处理机 单片机由于体积小，功能强大，而且具有存储控制功能而得到广泛的应用，尤其在工业控制，仪器仪表，计算机外部设备与智能接口等方面。 单片机又称微 处理机 ，它是把中央处理器，存储器，中断系统，定是器 /计数器，串行接口，输入 /输出接口等功能部件集成在一块大规模集成电路芯片上的微型计算机。 单片机种类繁多，性能各异，有四位单片机，八位单片机，十六位单片机和三十二位单片机，由于 8 位单片机资源丰富，性价比高，目前应用最广泛 [7]。 单片机的发展经历了由 4 位到 32 位的发展，发展历史虽然不长，但却在许多领域得到很广泛的应用，这是因为其卓越的性能和突出的特点 ： （ 1）体积小，成本低，使用灵活，易于产品化。 使得能用单片机方便的组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。 （ 2）单片机的硬件结构和指令系统都带有很强的控制色彩，可以用单片机有针对性的解决从简单到复杂的各类控制任务。 而且抗干扰能力比较好，其适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都可以可靠的工作。 （ 3）在单片机内部的各种功能部件不能满足需要时，均可在外部进行扩展（如扩展 ROM， RAM， I/O 接口，中断系统等）由于它与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。 常用的单片机有 Intel公司生产的 MCS48,MCS51,MCS96,存储器采用哈佛 结构 ,即程序存储器和数据存储器独立寻址 .此外还 有 Motorola 生产的 MC68HC11 系列 ,Microchip 公司生产的 PIC 单片机系列等。 方案设计 本研究主要是设计一个压力测控系统 ,包括压力信号采集 ， 压力信号传输 ,信号处理和显示。 设计过程本着系统最大化简单，产生的误差较小 ， 使用的范围比较广的原则。 本文将从以下几个方面开展工作 ： 1. 信息采集 ,主要是通过传感器采集环境中的因素 ,即测压电路的实现 ； 2. 微处理机的核心电路设计 ； 8 3. 单片机通信接口的设计。 整体设计流程 如 图 15 所示。 图 15 设计流程图 系统流程图 压力传感器 放大器 A/D 转换 微处理机 个人 PC终端显示 9 第二章 压力测量电路设计 传感器概述 传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成 可用输出信号的器件或装置。 通常由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适用于传输和测量的电信号部分。 传感器的输出 输入的关系特性是传感器的基本特性。 输出 输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系，因为不同的内部结构参数决定了他具有不同的内部特性。 传感器测量的物理量基本上有两种形式：一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢），另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随时间变化而变化的， 因此，存在所谓的静态特性和动态特性。 一个高精度的传感器必须具有良好的静态和动态特性，这样才能完成信号的无失真转换。 传感器的静态特性 ： （ 1）线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。 输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看，希望具有线性关系。 但实际遇到的传感器大多都是非线性，在不考虑迟滞，蠕变，不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用多项式代数方程 21 表示 20 1 2 + nny a a x a x a x   … （ 21） 式中 y— 输出信号。 x— 输入信号。 0a 无输入时的输出 ,即零位输出 ； 1a 传感器的线性灵敏度 ； 2a , 3a ,… na 非线性项的待定系数 ,各项系数不同 ,决定了特性曲线的具体形式不相同。 通过理论分析建立的传感器数学模型往往非常复杂 ,甚至难以实现。 在实际使用中，为了标定和数据处理的方便 ,希望得到线性关系 ,因此引入各种非线性补偿环节 ,如采用补偿电路或用计算机软件进行线性化处理。 在传感器输入量变化范围较小时 ,可用一条直线近似的代表实际曲线的一段 ,使传感器的输出 输入特性线性化 ,所采用的直 10 线为拟合直线 ， 常用方法有端点直线法 ， 最小二乘法 [3]等。 (2)灵敏度 灵敏度是指传感器输出的变化量 y 与引起该变化量的输入变化量 x 之比 ， 即特性曲线在某处的斜率。 有公式 22 /S y x  (22) S— 灵敏度 对于线性传感器 ,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，而非线性传感器的灵敏度为一变量 .实际中 ,由于有源传感器的输出与电源有关 ,所以其灵敏度表达式中还考虑电源的影响。 (3)迟滞性 在相同工作条件下 作 全量程范围校准时 ， 正行程 (输入量由小到大 )和反行程 (输入量由大到小 )所得输出输入特性曲线往往不重合。 即对应于同一大小的输入信号 ,传感器正反行程 的输出信号大小不相等 ,即是迟滞现。 .迟滞是用来描述传感器在正反行程期间特性曲线不重合的程度。 迟滞的大小 he 常用正反行程最大输出差值 maxy 对满量程输出 y 的百分比来表示 ,其表达式为 23 m a x / *10 0%he y y  (23) (4)重复性 重复性是指在相同工作条件下 ,输入量按同一方向作 全量程多次测试时 ,所得传感器特性曲线不一致的程度。 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。 一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律（变化曲线）将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。 但实际上，除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的实际函数，这就是动态误差。 研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应和频率响应法来分析。 （ 1） 传感器数学模型 [4] 传感器实质上是一个信息转换和传递的通道。 理想情况下，输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真的变化。 但是实际的传感器总是存在着诸如弹性，惯性和阻 11 尼等元件。 此时，输出 y 不仅与输入 x 有关，而且还与输入量的变化速度 /dxdt ，加速度 22/d x dt 等有关。 在数学上常用常系数线性微分方程表示传感器输出量 y 与输入量 x 的关系， 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 为与系统结构参数有关的常数。 传递函数：在工程上采用拉普拉斯变换来研究线性微分方程。 如果 ()yt 是时间变量 t 的函数 ,并且当 t  0 时 , ()yt =0,则其拉氏变换 ()ys 定义为 25： 0( ) ( )sty s y t e dt  (25) 其中 s 是复变量 , s = ,0j  ； 传递函数 ()Hs就定义为 26： ()Hs = ()ys / ()xs (26)。