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:3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/?4TCR 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，5VR3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。

6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73.2 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:Uchacodetable[]={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--); }83.3 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);}}93.4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;10w=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<reg51.h>#include<absacc.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar one,two,three,four; ucharcodetable[]={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);11void 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);}13void 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14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。