壓力測量儀的設計與仿真

一、設計要求：

本課程設計用MPX4115傳感器來檢測壓力參數，ADC0832進行模數轉換后，利用單片機AT89C52進行數據處理后，用四個八段數碼管顯示壓力值。壓力測量的量程在15.3KPA~114.9KPA，分度值位0.1kpa。

二、構思

2.1 主控模塊的選型。

方案一：

采用MSP430系列單片機，該單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。其內部集成了很多模擬電路、數字電路和微處理器，提供強大的功能。不過該芯片昂貴不適合一般的設計開發[3]。

方案二

采用51系列的單片機，該單片機是一個高可靠性，超低價，無法解密，高性能的8位單片機，32個IO口，且STC系列的單片機可以在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試。

因此選用方案二中的51系列單片機作為主控芯片

2.2 顯示模塊的選型

方案一：

采用點陣式數碼管顯示，點陣式數碼管是由八行八列的發光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如采用在顯示數字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以不用此種作為顯示。

方案二：

采用LED數碼管動態掃描，LED數碼管價格雖適中，對于顯示數字也最合適，而且采用動態掃描法與單片機連接時，占用單片機口線少。

所以本設計中方案二中LED數碼管的作為顯示模塊

2.3 傳感器的選型。

壓力傳感器對于系統至關重要，需要綜合實際的需求和各類壓力傳感器的性 能參數加以選擇。一般要選用有溫度補償作用的壓力傳感器，因為溫度補償特性 可以克服半導體壓力傳感器件存在的溫度漂移問題。

本設計要實現的數字氣壓計顯示的是絕對氣壓值，同時為了簡化電路，提高 穩定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補償能力的壓力傳感器。MPX4115可以產生高精度模 擬輸出電壓,數據采集模塊由壓力傳感器MPX4115構成。

三、設計：

3.1 總體設計方案

本次設計是基于8051單片機的測量與顯示。利用傳感器將壓力轉換為電信號后，在經過ADC0832的模數轉換器經A/D轉換后由單片機進行有效處理，然后用數碼管進行顯示。

3.2 流程框圖

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2018-12-19 22:52 上傳

3.3 單片機最小系統

由AT89C52單片機、時鐘電路、復位 電路組成AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C52是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的于將多功能MCS-518指令集和輸出管腳相兼容。位CPU和閃爍存儲器組合在由單個芯片中，ATMEL 的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C52是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案

單片機系統電路

3.4 A/D轉換模塊

ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，其目前已經有很高的普及率。學習并使用 ADC0832 可是使我們了解A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。8位分辨率雙通道A/D轉換輸入輸出電平與TTL/CMOS 相兼容5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間工作頻率為250KHZ，轉換時間為32μS。 ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。

ADC0832模數轉換電路

3.5 傳感器模塊

MPX4115系列壓電電阻傳感器是一個硅壓力傳感器。這個傳感器結合了高級微電機技術，薄膜鍍金屬。還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力。在0℃-85℃的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補償是-40℃-125℃。為了克服干擾，在MPX4115輸出電路中增加了RC濾波電路。如下圖所示：

MPX4115信號處理電路

3.6系統總體電路圖

四、仿真

通過仿真，調節傳感器的+和-，可以觀察到數碼管數值的變化，壓力測量的范圍在15.3KPA~114.9KPA之間，基本可以達到要求。

五、心得體會：

傳感器課程設計結束了，我的收獲很多，我做的是基于AT89C52單片機的壓力測量儀的設計，用到的主要芯片是 AT89C52和ADC0808，實現的功能是將傳感器采集到的模擬信號轉換成單片機可以識別的數字信號，再經單片機轉換成數碼管可以識別的信息，最后顯示輸出。通過這些我的硬件和軟件開發能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產品的開發流程和所要做的工作。基本掌握了Proteus原理圖的方法，從網上搜索的資料對我幫助很大，遇到不懂的問題自己解決不了，就和大家一起討論。通過發現問題、分析問題、解決問題，我又學到了許多新的知識，在工程實際應用才能有切身的體會，實踐出真知，自己親自動手去做，才知道知識的匱乏。

單片機源碼：

1. //線性區間標度變換公式：    y=(115-15)/(243-13)*X+15kpa   
   
2. 
   
3. #include <AT89X52.h>
   
4. #include <intrins.h>
   
5. #include <stdio.h>
   
6. 
   
7. 
   
8. #define R24C04ADD 0xA1
   
9. #define W24C04ADD 0xA0
   
10. 
    
11. //ADC0832的引腳
    
12. sbit ADCS =P2^2;  //ADC0832 chip seclect
    
13. sbit ADDI =P2^4;  //ADC0832 k in
    
14. sbit ADDO =P2^4;  //ADC0832 k out
    
15. sbit ADCLK =P2^3;  //ADC0832 clock signal
    
16. 
    
17. 
    
18. sbit SDA = P2 ^ 1;                                //數據線
    
19. sbit SCL = P2 ^ 0;                                //時鐘線
    
20. bit bAck;                                          //應答標志 當bbAck=1是為正確的應答
    
21. 
    
22. unsigned char dispbitcode[8]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};  //位掃描
    
23. unsigned char dispcode[11]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};  //共陽數碼管字段碼
    
24. unsigned char dispbuf[4];
    
25. unsigned int temp;
    
26. unsigned char getdata; //獲取ADC轉換回來的值
    
27. 
    
28. 
    
29. void delay_1ms(void)  //12mhz delay 1.01ms
    
30. {
    
31.    unsigned char x,y;   
    
32.    x=3;
    
33.    while(x--)
    
34.   {
    
35.        y=40;
    
36.        while(y--);
    
37.     }
    
38. }
    
39. void display(void)  //數碼管顯示函數
    
40. {
    
41.   char k;
    
42.   for(k=0;k<4;k++)
    
43.   {
    
44. 
    
45.   P1 = dispbitcode[k];
    
46.   P0 = dispcode[dispbuf[k]];
    
47.   if(k==1)          //加上數碼管的dp小數點
    
48.           P0&=0x7f;
    
49.   delay_1ms();         
    
50.   }
    
51. }
    
52. 
    
53. /************
    
54. 讀ADC0832函數
    
55. ************/
    
56. 
    
57. //采集并返回
    
58. unsigned int Adc0832(unsigned char channel)     //AD轉換，返回結果
    
59. {
    
60.     unsigned char i=0;
    
61.     unsigned char j;
    
62.     unsigned int dat=0;
    
63.     unsigned char ndat=0;
    
64. 
    
65.     if(channel==0)channel=2;
    
66.     if(channel==1)channel=3;
    
67.     ADDI=1;
    
68.     _nop_();
    
69.     _nop_();
    
70.     ADCS=0;//拉低CS端
    
71.     _nop_();
    
72.     _nop_();
    
73.     ADCLK=1;//拉高CLK端
    
74.     _nop_();
    
75.     _nop_();
    
76.     ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1
    
77.     _nop_();
    
78.     _nop_();
    
79.     ADCLK=1;//拉高CLK端
    
80.     ADDI=channel&0x1;
    
81.     _nop_();
    
82.     _nop_();
    
83.     ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2
    
84.     _nop_();
    
85.     _nop_();
    
86.     ADCLK=1;//拉高CLK端
    
87.     ADDI=(channel>>1)&0x1;
    
88.     _nop_();
    
89.     _nop_();
    
90.     ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3
    
91.     ADDI=1;//控制命令結束
    
92.     _nop_();
    
93.     _nop_();
    
94.     dat=0;
    
95.     for(i=0;i<8;i++)
    
96.     {
    
97.         dat|=ADDO;//收數據
    
98.         ADCLK=1;
    
99.         _nop_();
    
100.         _nop_();
     
101.         ADCLK=0;//形成一次時鐘脈沖
     
102.         _nop_();
     
103.         _nop_();
     
104.         dat<<=1;
     
105.         if(i==7)dat|=ADDO;
     
106.     }  
     
107.     for(i=0;i<8;i++)
     
108.     {
     
109.         j=0;
     
110.         j=j|ADDO;//收數據
     
111.         ADCLK=1;
     
112.         _nop_();
     
113.         _nop_();
     
114.         ADCLK=0;//形成一次時鐘脈沖
     
115.         _nop_();
     
116.         _nop_();
     
117.         j=j<<7;
     
118.         ndat=ndat|j;
     
119.         if(i<7)ndat>>=1;
     
120.     }
     
121.     ADCS=1;//拉低CS端
     
122.     ADCLK=0;//拉低CLK端
     
123.     ADDO=1;//拉高數據端,回到初始狀態
     
124.     dat<<=8;
     
125.     dat|=ndat;
     
126.     return(dat);            //return ad k
     
127. }
     
128. 
     
129. //啟動I2C總線，即發送起始條件
     
130. void StartI2C()
     
131. {
     
132.         SDA = 1;                              //發送起始條件數據信號
     
133.         _nop_();
     
134.         SCL = 1;
     
135.         _nop_();                                    //起始建立時間大于4.7us
     
136.         _nop_();
     
137.         _nop_();
     
138.         _nop_();
     
139.         _nop_();
     
140.         SDA = 0;                              //發送起始信號
     
141.         _nop_();
     
142.         _nop_();
     
143.         _nop_();
     
144.         _nop_();
     
145.         _nop_();
     
146.         SCL = 0;                                //時鐘操作
     
147.         _nop_();
     
148.         _nop_();
     
149. }
     
150. //結束I2C總線，即發送I2C結束條件
     
151. void StopI2C()
     
152. {
     
153.         SDA = 0;                                //發送結束條件的數據信號
     
154.         _nop_();                                      //發送結束條件的時鐘信號
     
155.         SCL = 1;                                //結束條件建立時間大于4us
     
156.         _nop_();
     
157.         _nop_();
     
158.         _nop_();
     
159.         _nop_();
     
160.         _nop_();
     
161.         SDA = 1;                                //發送I2C總線結束命令
     
162.         _nop_();
     
163.         _nop_();
     
164.         _nop_();
     
165.         _nop_();
     
166.         _nop_();        
     
167. }
     
168. //發送一個字節的數據
     
169. void        SendByte(unsigned char c)
     
170. {
     
171.         unsigned char BitCnt;
     
172.         for(BitCnt = 0;BitCnt < 8;BitCnt++)                                  //一個字節
     
173.                 {
     
174.                         if((c << BitCnt)& 0x80) SDA = 1;                   //判斷發送位
     
175.                         else        SDA = 0;
     
176.                         _nop_();
     
177.                         SCL = 1;                              //時鐘線為高，通知從機開始接收數據
     
178.                         _nop_();
     
179.                         _nop_();
     
180.                         _nop_();
     
181.                         _nop_();
     
182.                         _nop_();
     
183.                         SCL = 0;
     
184.                 }
     
185.         _nop_();
     
186.         _nop_();
     
187.         SDA = 1;                                                //釋放數據線，準備接受應答位
     
188.         _nop_();
     
189.         _nop_();
     
190.         SCL = 1;
     
191.         _nop_();
     
192.         _nop_();
     
193.         _nop_();
     
194.         if(SDA == 1) bAck =0;
     
195.         else bAck = 1;                                                //判斷是否收到應答信號
     
196.         SCL = 0;
     
197.         _nop_();
     
198.         _nop_();
     
199. }
     
200. //接收一個字節的數據
     
201. unsigned char RevByte()
     
202. {
     
203.         unsigned char retc;
     
204.         unsigned char BitCnt;
     
205.         retc = 0;
     
206.         SDA = 1;
     
207.         for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++)
     
208.         {
     
209.                 _nop_();
     
210.                 SCL = 0;                                            //置時鐘線為低，準備接收
     
211.                 _nop_();
     
212.                 _nop_();
     
213.                 _nop_();
     
214.                 _nop_();
     
215.                 _nop_();
     
216.                 SCL = 1;                                            //置時鐘線為高使得數據有效
     
217.                 _nop_();
     
218.                 _nop_();
     
219.                 retc = retc << 1;                                    //左移補零
     
220.                 if (SDA == 1)
     
221.                 retc = retc + 1;                                     //當數據為1則收到的數據+1
     
222.                 _nop_();
     
223.                 _nop_();
     
224.         }
     
225.         SCL = 0;
     
226.         _nop_();
     
227.         _nop_();
     
228.         return(retc);                                   //返回收到的數據
     
229. }
     
230. 
     
231. 
     
232. unsigned char WIICByte(unsigned char WChipAdd,unsigned char InterAdd,unsigned char WIICData)
     
233. {
     
234.         StartI2C();                                                                                      //啟動總線
     
235.         SendByte(WChipAdd);                                                        //發送器件地址以及命令
     
236.         if (bAck==1)                                                                                          //收到應答
     
237.         {
     
238.                 SendByte(InterAdd);                                                                //發送內部子地址
     
239.                 if (bAck ==1)
     
240.                 {
     
241.                         SendByte(WIICData);                                                        //發送數據
     
242.                         if(bAck == 1)
     
243.                         {
     
244.                                 StopI2C();                    //停止總線
     
245.                                 return(0xff);
     
246.                         }
     
247.                         else
     
248.                         {
     
249.                                 return(0x03);
     
250.                         }                        
     
251.                 }
     
252.                 else
     
253.                 {
     
254.                         return(0x02);
     
255.                 }
     
256.         }
     
257.         return(0x01);
     
258. }
     
259. //讀取指定器件的內部指定地址一個字節數據
     
260. unsigned char RIICByte(unsigned char WChipAdd,unsigned char RChipAdd,unsigned char InterDataAdd)
     
261. {
     
262.         unsigned char TempData;        
     
263.         TempData = 0;
     
264.         StartI2C();                                                                        //啟動
     
265.         SendByte(WChipAdd);                                                    //發送器件地址以及讀命令
     
266.         if (bAck==1)                                                                            //收到應答
     
267.         {
     
268.                 SendByte(InterDataAdd);                                        //發送內部子地址
     
269.                 if (bAck ==1)
     
270.                 {
     
271.                         StartI2C();
     
272.                         SendByte(RChipAdd);        
     
273.                         if(bAck == 1)
     
274.                         {
     
275.                                 TempData = RevByte();       //接收數據
     
276.                                 StopI2C();                  //停止I2C總線
     
277.                                 return(TempData);           //返回數據
     
278.                         }
     
279.                         else
     
280.                         {
     
281.                                 return(0x03);
     
282.                         }        
     
283.                 }
     
284.                 else
     
285.                 {
     
286.                         return(0x02);
     
287.                 }
     
288.         }
     
289.         else
     
290.         {
     
291.                 return(0x01);
     
292.         }
     
293. }
     
294. 
     
295. 
     
296. void main(void)
     
297. {
     
298.   unsigned int OverCounter = 0;
     
299.   unsigned char ptemp;
     
300.   bit OverFlg = 0;
     
301.   unsigned int temp,ppress = 0;
     
302.   float  press;        
     
303.   while(1)
     
304.   {         
     
305.                      
     
306.           getdata=Adc0832(0);
     
307.           if(14<getdata<243)                                       //當壓力值介于15kpa到115kpa之間時，遵循線性變換
     
308.                  {                           
     
309.                   int vary=getdata;                                                //y=(115-15)/(243-13)*X+15kpa                        
     
310.                         press=((10.0/23.0)*vary)+9.3;                        //測試時補償值為9.3                                                                                                         
     
311.                         temp=(int)(press*10);                  //放大10倍，便于后面的計算
     
312.       if(temp != ppress)
     
313.       {
     
314.         ppress = temp;
     
315.         OverFlg = 1;
     
316.       }                                                                                            
     
317.                         dispbuf[3]=temp/1000;                                     //取壓力值百位
     
318.                         dispbuf[2]=(temp%1000)/100;                            //取壓力值十位
     
319.                         dispbuf[1]=((temp%1000)%100)/10;                    //取壓力值個位
     
320.                         dispbuf[0]=((temp%1000)%100)%10;                        //取壓力值十分位
     
321.                         display();
     
322.       if (temp > 100)
     
323.       {
     
324.           if(OverFlg == 1)   
     
325.           {
     
326.             OverCounter++;
     
327.             WIICByte(W24C04ADD,0x01,(OverCounter/0xff));    //低位
     
328.             WIICByte(W24C04ADD,0x02,(OverCounter%0xff));    //高位
     
329.             OverFlg = 0;    //清除標志
     
330.           }
     
331.       }
     
332. 
     
333.            }            
     
334.   }
     
335. }
     

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