压力传感器单片机课程设计

压力传感器单片机课程设计

第1 章前言

电力压力器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring 指出:这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。

图1 电子压力器模型

1

第2章电子压力器的工作原理 2.1 电子压力器的工作原理

电子压力器由压力传感器，A/D转换器，数码显示等组成。当用手按压传感器，腔体内外就会产生压差，这些压差就会转化成电压，电压转化成数字量后，根据压力变化1Kpa，输出电压变化为120mV的关系，依照采样的输出电压，采用线性插值法可计算出实际压力值。然后将实际压力值送数码管显示。

图2.1.1为PS压力传感器的截面结构图，图2.1.2为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

如图2.1.2所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图2.1.3所示，

2

受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加;受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。

图2.1.3 压电电阻的排列方法图

由于各压电电阻如图2.1.3那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR;相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI 。这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。

2.2 压力传感器的工作原理

2.2.1 压力传感器电路

MPX53型硅压力传感器主要用于测量气

体压力。其外形及管脚定义如下图所示:

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图2.2.1 外形管脚图

该传感器测量的是腔体内外气体的压力差，其输出电压与压力的关系为近似线性。MPX53的工作特性参数如下表所示:

参数符号最小典型最大单位

压力范围 Pop 0 - 50 Kpa

供电电压 Vs - 3.0 6.0 Vdc

供电电流 Io - 6.0 - mAdc 满量程输出* Vfss 45 60 90 mV 零位电压偏差* Voff 0 20 35 mV

- 1.2 - mV/KPa ?V/?灵敏度

P

线性度 - -0.6 - 0.4 ,Vfss 压力迟滞(0~50Kpa) - -- ?0.1 - ,Vfss

温度迟滞- - ?0.5 - ,Vfss (-40?~125?)

满量程温度系数 TCVfss -0.22 - -0.16 ,

Vfss/? 零位温度系数 TCVoff - ?15 - µV/?

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TCR 0.31 - 0.37 ,电阻温度系数

Zin/?

输入阻抗 Zin 355 - 505 Ω

输出阻抗 Zout 750 - 1800 Ω 响应时间(10,~90,) tR - 1.0 - ms

注:?、零位电压偏差是指压力为零时的输出电压;

、满量程输出为最大输出与最小输出电压之差。

图2.2.2是PS压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。

图2.2.2 压力器硬件设计电路

由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，

5

VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。

MPX53的电源部分做成可调，用于温度补偿。输出采用差动放大，以去除共模干扰，1K电位器用于增益调节。通常将增益调至100倍，根据上面参数，压力变化1Kpa，输出电压变化为120mV。根据采样的输出电压，采用线性插值法可计算出实际压力值。

注:应在零压力时采样一次输出电压。以后每次采样值应减去零位值，然后换

算为压力。

2.2.2 模块的基本测试方法

不加压时，测量VO+、V0-的电压V1，约为20mV，(0~35mV属正常)，调节GAIN ADJ使输出电压VOUT放大100倍，即VOUT/V1=100;用手按压MPX53的探头，VOUT 输出应发生变化。

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第3章实验设计方案 3.1 实验流程图

以下只对整个程序的流程做简单介绍:

开始

没有压力的情况下读取电压值

有压力的情况下读取电压值

两电压值相等

吗,

N

电压差值转化成压力值数码管显示0101

数码管显示当前压力

图3.1.1 流程图

7

3.2 算法描述

数码管显示模块由四位共阴极LED数码管组成，用P1口进行位

选，用CS273进行段选。程序如下:

Uchacode

table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; void display(uchar four,uchar three,uchar two,uchar one) {

cs273=table[four];

P1=0xfb;

delay(1);

cs273=table[three];

P1=0xf7;

delay(1);

cs273=table[two];

P1=0xef;

delay(1);

cs273=table[one];

P1=0xdf;

delay(1);

}

void delay(uint z) {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=10;y>0;y--); }

8

3.3 A/D转化

采用A/D0809，将压力传感器的输出电压输送到A/D0809的

IN0端口进行模数转换，转换成的数字量通过P0口传送到8051单片机进行处理。

具体程序:

void main()

{

uchar xdata *pt;

uchar qy1,qy2;

pt=0xcfa0;

*pt=0;

while(!eoc);

qy1=*pt;

while(1)

{

*pt=0;

while(!eoc);

qy2=*pt;

chuli(qy1,qy2);

}

}

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3.4电压--气压转化

MPX53型硅压力传感器电压与气压之间关系曲线图如下图所示，压力与电压差的转化公式为qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101 具体程序如下:

void chuli(uchar x1,uchar x2) {

uchar qyz;

uchar x,y,z,w;

if((x2-x1)==0)

{

x=1;

y=0;

z=1;

10

w=0;

}

else

{

qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101;

x=qyz%10;

y=qyz%100/10;

z=qyz/100;

w=qyz/1000;

}

}

3.5 程序描述

#include

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar one,two,three,four; ucharcode

table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

#define AD_port XBYTE[0Xcfa0] #define cs273 XBYTE[0xcfb8] sbit eoc=P3^0;

void chuli(uchar x1,uchar x2); void display(uchar four,uchar three,uchar two,uchar one);

void delay(uint z);

11

void main()

{

uchar xdata *pt;

uchar qy1,qy2;

pt=0xcfa0;

*pt=0;

while(!eoc);

qy1=*pt;

while(1)

{

*pt=0;

while(!eoc);

qy2=*pt;

chuli(qy1,qy2);

}

}

void chuli(uchar x1,uchar x2) {

uchar qyz;

uchar x,y,z,w;

if((x2-x1)==0)

{

x=1;

y=0;

z=1;

w=0;

12

}

else

{

qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101;

x=qyz%10;

y=qyz%100/10;

z=qyz/100;

w=qyz/1000;

}

display(w,z,y,x); }

void display(uchar four,uchar three,uchar two,uchar one) {

cs273=table[four];

P1=0xfb;

delay(1);

cs273=table[three];

P1=0xf7;

delay(1);

cs273=table[two];

P1=0xef;

delay(1);

cs273=table[one];

P1=0xdf;

delay(1);

}

13

void delay(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=10;y>0;y--);}

第4章元器件功能

4.1 元器件

E-LAB-MOBJ3多功能提供点压力传感器，以AT89S51芯片作为仿真的核心运行器件，A/D0809模数转换器，将压力传感器的模拟输出量转化成数字量送到单片机进行处理;74LS273用于输出，数码管用于显示压力值，导线连接电路。

序号元器件数量功能

提供压力传感器部分 1 E-LAB-MOBJ3多功能 1

主机部分运行程序 2 AT89S51芯片 1

将压力传感器的模拟输模数转换A/D0809出量转化成数字量送到 3 1

器单片机进行处理

用于输出段选 4 74LS273 1

数码管用于显示压力值 5 4

导线连接电路 6 n

图4.1.1 元器件功能表

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第5章软件设计 5(1 软件设计思想

采用汇编语言编写程序，直接将程序在PROTEUS中进行编译调试，然后在设计环境中单击AT89S51，加载程序，然后单击全速运行按钮，观察到“邵阳学院”从右至左不断循环显示。

5.2 电路设计

图5.2 电路原理设计图

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总结

电子压力器技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量(如力、振动、噪声、压力和温度等)的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次实验前，我把老师所讲的传感器教材通读了一遍，对传感技术有了一定得了解。因为在这之前，没有接触过类似的课程设计，所以这次实验，我感觉有些困难。

通过这次传感器技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。在调试电路图的过程中，要自己学会思考。

最后，通过这次实验我不但对理论知识有了更加深刻的理解，更加增强了我的综合能力，希望以后能多有这样的作业，使我们能把所学的专业知识实践运用。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高，让我得到更好的锻炼。

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致谢

通过本次的电子压力器课程设计，深刻体会到自己知识的匮乏。通过在网上、图书馆查找资料，结合书本中所学知识，并且在实验室老师的帮助下，完成了本次课程设计的主要任务。把树种所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。

在课程设计中，我们通过各种渠道查找资料分析验证，经过多次的修改和整理，做出了初步的设计思路，但由于在实际操作中一系列的问题，并为达到理想效果，我们在此基础上做了大量的修改，在老师的帮助下最终得出了正确的结果。通过这次课程设计，我明白了课程设计不仅仅是让我们去“设计”出实验成品，更重要的是通过查找资料、修改设计方案的过程去培养、提高我们的动手能力，分析、思考问题能力，以及解决问题的能力。

通过本次课程设计，我真的学会了许多东西，这些东西比在课本上学到的知识来的更深刻，更具体。在次对教导我的老师及帮助我的同学表示真诚的感谢～

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参考文献

[1]黄正谨.系统编程及应用.南京:东南大学出版社，1997 [2]彭介华.电子课程设计指导.北京:高等教育出版社，1997 [3]李国丽，朱维勇.电子技术试验指导.合肥:中国科技大学出版社，2000 [4]郑家龙，王小海，章安元.集成电子技术基础教程.北京:高等教育出版社，2002

[5] 江世明(基于Proteus的单片机应用技术[M](北京:电子工业出版社，2009

[6] 何宏.单片机原理与接口技术[M]. 北京:国防工业出版社，2006

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附录(程序)

#include

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar

one,two,three,four; ucharcode

table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

#define AD_port XBYTE[0Xcfa0] #define cs273 XBYTE[0xcfb8] sbit

eoc=P3^0;

void chuli(uchar x1,uchar x2); void display(uchar four,uchar

three,uchar two,uchar one);

void delay(uint z);

void main()

{

uchar xdata *pt;

uchar qy1,qy2;

pt=0xcfa0;

*pt=0;

while(!eoc);

qy1=*pt;

while(1)

{

*pt=0;

while(!eoc);

19

qy2=*pt;

chuli(qy1,qy2);

}

}

void chuli(uchar x1,uchar x2) {

uchar qyz;

uchar x,y,z,w;

if((x2-x1)==0)

{

x=1;

y=0;

z=1;

w=0;

}

else

{

qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101;

x=qyz%10;

y=qyz%100/10;

z=qyz/100;

w=qyz/1000;

}

display(w,z,y,x); }

20

void display(uchar four,uchar three,uchar two,uchar one) {

cs273=table[four];

P1=0xfb;

delay(1);

cs273=table[three];

P1=0xf7;

delay(1);

cs273=table[two];

P1=0xef;

delay(1);

cs273=table[one];

P1=0xdf;

delay(1);

}

void delay(uint z) {

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=10;y>0;y--); } 21