基于51單片機的多路壓力測量儀

　 1 引言

　　壓力測量對實時監(jiān)測和安全生產(chǎn)具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效、安全生產(chǎn)，必須有效控制生產(chǎn)過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)。由于壓力控制在生產(chǎn)過程中起著決定性的安全作用，因此有必要準確測量壓力。為了測到不同位置的壓力值，研制了基于C8051F020單片機的測量儀。通過壓力傳感器將需要測量的位置的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過OP07運算放大器進行信號放大，送至C805lF020單片機內(nèi)部的高速率12位A／D轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號，再經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換成液晶顯示器可以識別的信息，最后顯示輸出。與此同時，可以利用SD卡存儲器將各通道設(shè)定的壓力值、系統(tǒng)參數(shù)存儲起來，以便在系統(tǒng)斷電或復(fù)位后，能使其繼續(xù)運行，增強系統(tǒng)的抗干擾性能。

　　2 硬件電路

　　圖l給出多路壓力測量儀的系統(tǒng)框圖。其硬件部分主要由壓力傳感器、C8051F020單片機、SD卡存儲器、液晶顯示器、鍵盤及信號調(diào)理電路等組成。

　　2．1 壓力傳感器信號采集電路

　　圖2給出壓力傳感器信號采集電路。它選用了測量范圍廣，精度較高，性能價格比好的電阻應(yīng)變式壓力傳感器；信號放大部分采用功耗低，輸入失調(diào)電壓小，線性度好的OP07運算放大器：A／D轉(zhuǎn)換模塊采用C8051F020內(nèi)部設(shè)置的高速率12位A／D轉(zhuǎn)換器。圖2中OP07的輸出失調(diào)電壓為2 mV，通過滑動變阻器R8可調(diào)節(jié)輸出失調(diào)電壓的大小。

　 2．2 單片機處理電路

　　單片機處理電路是測量儀的核心。在此采用美國Cygnal公司生產(chǎn)的C805lF020微控制器。該器件采用獨特的CIP-8051結(jié)構(gòu)，對指令運行實行流水作業(yè)，大大提高了指令的運行速度，可在25 MHz時鐘頻率下提供高達25 MI／s的輸出，并具有下述獨特功能：①真正12位、100 Ks／s的8通道A／D轉(zhuǎn)換器，并帶PGA和模擬多路開關(guān)；②64 K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器，其扇區(qū)為512字節(jié)；③兩個12位D／A轉(zhuǎn)換器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；④工作電壓為2．7～3．6V；⑤用于硬件實現(xiàn)的SPI，SMBus／I2C和兩個UART串行接口；⑥片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

　　2．3 SD卡存儲電路

　　將SD卡作為外部掉電存儲介質(zhì)用于多路壓力測量儀中，利用C8051F020單片機的SPI接口，實現(xiàn)單片機與SD卡存儲數(shù)據(jù)的擴展，并設(shè)計了單片機的SD卡驅(qū)動電路．以滿足測量儀對存儲大容量數(shù)據(jù)的要求。SD卡的工作模式有SD模式和SPI模式兩種。在此，多路壓力測量儀選用SD卡．且工作在SPI模式下。表1給出SD卡各引腳功能定義。圖3給出SD卡與單片機的連接電路。其中，CS是SD卡的片選線，在SPI模式下，CS必須保持低電平有效；DI不但傳輸數(shù)據(jù)，還發(fā)送命令，其傳輸方向是由單片機到SD卡；D0除了發(fā)送數(shù)據(jù)，還傳送應(yīng)答信號，其傳輸方向是由SD卡到單片機；SCLK是操作SD卡的時鐘線。相應(yīng)地將C805lF020的交叉開關(guān)配置成SPI模式，與SD卡所對應(yīng)的引腳連接，并針對SPI總線電路設(shè)計了上拉電阻。

　　2．4 液晶顯示電路

　　液晶顯示模塊選用HSl2864圖形點陣液晶顯示器。圖4給出它與C8051F020單片機的連接電路。主要由行驅(qū)動器／列驅(qū)動器及128x64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形、漢字和數(shù)據(jù)的顯示。圖4中CSl為片選1；CS2為片選2；GND為電源地；VCC為電源正；VO為液晶顯示驅(qū)動電源；RS為數(shù)據(jù)，指令選擇信號；R／W為讀／寫選擇信號；E為使能信號；DBO～DB7為數(shù)據(jù)總線；A為背光電壓正：K為背光電壓負：RST為復(fù)位信號；VOUT為負電壓輸出。必須在使能線E為低時，改變控制線R／W，CSl，CS2，RS；在使能線E為高時，不能改變控制線R／W，CSl，CS2，RS；但可以從數(shù)據(jù)線DB0～DB7輸出數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)指令的要求及HSl2864的時序，單片機對HSl2864的訪問方式有直接訪問方式和間接訪問方式兩種。前者，無需輔助器件即可控制液晶顯示器的顯示；后者，則需要加一些輔助器件才可控制液晶顯示器的顯示。在此，采用直接訪問方式對液晶進行操作。

3 軟件設(shè)計

　　為了使測量儀獲得測量壓力值并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)到液晶上，必須設(shè)計相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來支持硬件電路。在此，采用Keil C軟件編程進行測量儀軟件的設(shè)計。圖5給出具體的單片機數(shù)據(jù)采集和處理子程序軟件流程。其中，系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、中斷子程序、顯示子程序及存儲子程序等組成。

　　主程序代碼如下：

　　4 測試結(jié)果

　　在完成測試儀硬件電路的設(shè)計后．需要通過單片機編程器將設(shè)計的軟件程序下載到單片機中，這樣就制成了多路壓力測量儀。將壓力傳感器連接到待測位置后，即可通過液晶顯示器看出各測點的壓力變化情況。經(jīng)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定，功耗低，實時性好。


　　5 結(jié)語

　　設(shè)計中，該測量儀采用了高精度壓力傳感器、低輸入失調(diào)電壓和線性度好的運算放大器構(gòu)成信號調(diào)理電路，同時還采用了12位高速A/D轉(zhuǎn)換采集模塊。因此，采用它可提高測量精度，滿足用戶需要。此外，由于該測量儀采用了功能強大的C8051F020單片機作為控制核心，因此電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能好。不僅能降低系統(tǒng)成本，而且因外圍電路簡單，還可減少干擾。