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1 引言
1.1 研究背景及意义
近年来，微型计算机越来越普遍地应用于人们的日常工作、生活中。计算机的使用在工业过程控制生产中是一个重要环节。人们越来越关注由单片机构成的嵌入式系统。可以毫不夸张的说，高端先进仪器是其构造中含有微型计算机系统，微型计算机控制系统的产生促使现代控制系统时代的到来。
在这信息高速发展的时代，传感器检测系统的发展有两个及其重要的方向，分别为智能化与集成化。而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于系统内部微处理器的性能[1]。当前国内外开发和研究的热点是具有数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统。传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。
压力测量在工业安全生产的实时监测中具有重要的意义。为了确保工业制造过程中的高效与安全，必须精确地控制生产过程中的一些诸如压力、流量、温度等主要参数。其中良好的控制压力，可以保障生产过程中的安全，因此准确地测量压力显得尤为重要。压力是生产过程中四大重要参数之一，实时检测压力可以判断生产过程中机器是否安全可靠的运行[2]。如：确保密闭容器内的压力在安全指标范围以内，确保易燃易爆介质的压力不超标。
压力的检测在其他工业生产环节中对于控制生产的正常运行也非常重要。在一些工业装置上都时常可以见到有压力表，实时的监测压力大小，如若失常则报警，很好的保证了生产的安全运作。通过测取压力的大小也可以知晓液面的高度。
总而言之，为了保证生产的正常运行，必须按照工艺要求保持稳定的压力，所以准确测量压力在实际过程是非常重要的。 1.2 压力检测系统的研究现状
压力检测系统靠的就是压力传感器去采集压力信号。传感器从探索宇宙到海洋的开发，从生产过程的控制到现代科技文明中都有使用，使用面几乎涵盖了任何一项现代科技产物。世界上很多国家十分重视发展传感器技术，传感器技术可以应用在工业、农业、国防、科技等各个领域，有着极其广阔的前景。例如，在日本传感器技术被列为六大核心技术之一，其他五项核心技术为通信、激光、半导体、超导和计算机。并且日本还将传感器列为六大技术之首；美国将上世纪90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一。我国在传感器的研究上也已经有二十多年的历史并取得了很大的成就。21世纪提出了科学技术就是第一生产力的口号，各项科学技术在这一浪潮下取得了突飞猛进的发展和进步，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些领域我国已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国在传感器技术的研究和生产还落后于国外传感器技术，如今正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的研究起步较晚，各方面理论缺乏和实践不够，离实际应用需求还有很大差距，尤其是用
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于压力测量的压力传感器。如何生产高性能、小体积、低成本的智能压力传感器系统还需进一步开发和研究。因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统有利于促进信息技术及自动化技术的发展，对提高设备性能及自动化水平具有重要意义。
压力的实时检测和控制能够保证生产设备的安全运行。压力传感器是工业仪器、仪表控制中最为常用的一种传感器，广泛地应用在各种工业生产环境中，涉及众多行业。通过压力传感器将被测物体的压力信号转化为电信号，再经过放大器进行信号放大，送至24位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LCD显示器可以识别的信息，最后显示输出。 1.3 课题任务
该设计能够实现压力检测系统的智能检测，如实时压力测量、手动存储压力值、压力预警、数据统计分析等。该课题以STC89C51RC单片机为控制核心，配合电阻应变式压力传感器、A/D模数转换芯片HX711、12864液晶显示等外围器件，对压力检测系统进行控制与数据采集。LCD液晶设备显示压力值的测量结果及数据统计分析结果等，配合蜂鸣器和LED二极管进行声光报警。压力传感器采集被测物体的压力信号，传输给单片机进行分析处理。另外系统配有键盘，可以实现手动存储、预警值设定、系统复位，数据统计分析的有关功能。
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2 系统分析与总体方案设计
2.1 压力检测系统的整体设计
压力检测系统装置主要由五个模块组成：
1、数据采集模块。该模块的作用是将检测到的模拟信号转换成为数字信号，经电平保护后输出到数据处理部分。
2、信号处理模块。用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运 算，并发出控制指令。
3、人机交互模块。由4*3矩阵键盘及液晶显示单元组成。通过4*3矩阵键盘对单片机下达指令实现对系统的控制；显示采用12864液晶模块，可以提供丰富、直观、友好的信息界面。
4、声光报警模块。当报警程序启动时，蜂鸣器发出声音、发光二极管点亮。 5、电源供电模块。系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。借助按键开关操作可控制电源的通断，实现系统的良性运作。通电后电源指示灯点亮。
压力检测系统框图如图2.1所示：
压力传感器24位A/D芯片HX711电路矩阵键盘STC89C51RC单片机电源供电 液晶显示图2.1 压力检测系统框图
2.2 压力检测系统的设计方案
实时压力测量和实时压力监控预警是压力检测系统装置的最重要两个部分，它是实现其他功能的基本条件，这两部分性能的好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的压力检测系统是该设计的关键。
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2.2.1 实时压力测量显示方案
本装置中系统压力的检测，采用量程为10kg的高精度电阻应变式压力传感器，将压力信号转换为模拟信号，再传送给A/D模数转换芯片HX711。输出数字信号给单片机进行处理分析。压力传感器在每次单片机复位后自动校准归零。再放上物体进行压力测量，显示器可以实时显示当前所测物体的质量，并且用户可以根据需要将压力值进行手动存储，然后通过按键查询所存储的历史数据。 2.2.2 实时压力监控预警方案
为了实时监控压力大小，预先在程序中设定阈值为9.999kg，系统开启后默认的阈值即为9.999kg。用户可以根据需要通过按键操作，在0.000~9.999kg区间内修改阈值大小。然后按确认键即可完成阈值重设的操作。放置被测物体在压力托盘上，当压力超过所设定的压力值时，系统报警，LED灯点亮，蜂鸣器发出声音。被测物体的压力，经过传感器变为模拟信号，再经模数转换芯片HX711转换为数字信号。输出给单片机，然后运算处理，判断检测到的压力和阈值，如若该压力大于阈值，则系统将显示出此时压力值，并发出报警提示；小于则在液晶上正常显示当前压力值。
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3 系统硬件电路设计
3.1 单片机系统
单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机很多功能集成在一块小芯片上，它具有一个完整计算机所需要的大部分组件：外部总线系统、内存和CPU同时集成实时时钟通讯接口、定时器和实时时钟等外围设备。单片机也称作单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 3.1.1 单片机选型
世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位到16位再到32位，数不胜数，应有尽有，有很多与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，相辅相成，为单片机的应用提供广阔的天地。
自从上世纪80年代初Intel公司推出MCS-51系列单片机以后，全球诸多著名的半导体厂商相继生产与51系列兼容的单片机，使得单片机型号不断增加，功能不断增强，品种不断丰富[3]。本系统采用STC89C51RC作为核心单片机系统，STC89C51RC是一种高性能、低功耗8位微控制器。引脚图如下图3.1所示。
图3.1 单片机引脚图
单片机各引脚介绍：
? I/O口引脚P0（第32脚~39脚）：双向8位三态I/O口。当接外部存储器时，总线复
用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的低8位。 ? I/O口引脚P1（第1脚~8脚）：8位准双向I/O口。由于此端口没有高阻态，所以无
法输入进行锁存，所以并不是真正意义上的双向I/O。
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