畢業(yè)論文-利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)高壓鍋的電控式安全閥【精校排版】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)高壓鍋的電控式安全閥</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要III</b></p>&l

2、t;p>　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 研究的意義1</p><p>　　第二章 傳統(tǒng)的高壓鍋的安全閥2</p><p>　　2.1 高壓鍋的原理2<

3、/p><p>　　2.2 高壓鍋的安全閥的工作原理3</p><p>　　第三章 壓電式傳感器6</p><p>　　3.1 傳感器的定義6</p><p>　　3.2 傳感器的原理6</p><p>　　3.3 壓電傳感器的定義7</p><p>　　3.4 壓電效應(yīng)分類(lèi)7

4、</p><p>　　3.4.1 正壓電效應(yīng)7</p><p>　　3.4.2 逆壓電效應(yīng)7</p><p>　　3.5 無(wú)機(jī)壓電材料8</p><p>　　3.6 有機(jī)壓電材料9</p><p>　　3.7 壓電傳感器的應(yīng)用10</p><p>　　3.8 影響壓電傳感器

5、工作性能的主要原因10</p><p>　　3.8.1 橫向靈敏度11</p><p>　　3.8.2 環(huán)境溫度和濕度11</p><p>　　3.8.3 安裝差異及基座應(yīng)變11</p><p>　　3.8.4 噪聲12</p><p>　　第四章 整體方案設(shè)計(jì)13</p><

6、p>　　4.1 硬件介紹13</p><p>　　4.1.1 壓電傳感器13</p><p>　　4.1.2 前置放大器14</p><p>　　4.1.3 單片機(jī)15</p><p>　　4.1.4 電磁閥17</p><p>　　4.1.5 蜂鳴器18</p><p

7、>　　4.2 電路的總體設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.2.1 時(shí)鐘電路調(diào)制20</p><p>　　4.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　5.1 Proteus軟件簡(jiǎn)介23</p><p>　　5.2 Proteus軟件作用23&l

8、t;/p><p>　　5.3 主程序結(jié)構(gòu)25</p><p>　　第六章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)26</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　附錄一28</b></p><p><b>　　附錄二32</b><

9、/p><p><b>　　致謝33</b></p><p>　　利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)高壓鍋的電控式安全閥</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　家庭用的高壓鍋普遍采用機(jī)械式安全閥，從設(shè)計(jì)上講這種安全閥的安全系數(shù)還是很高的。但偶爾也有媒體介紹高壓鍋在使用中爆炸傷人的事故，究其原

10、因顯然是消費(fèi)者在使用時(shí)未按說(shuō)明書(shū)的規(guī)定認(rèn)真核查安全閥的通氣狀況，一時(shí)疏忽大意后造成的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)引起此類(lèi)事故的消費(fèi)者大多是老年人或者是低安全意識(shí)人群，為了有效避免這種由人為因素引發(fā)的安全事故，本課題模擬考慮在原有機(jī)械式安全閥的“被動(dòng)式安全控制”基礎(chǔ)上，利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)一套“主動(dòng)式”的電控安全閥。以提高高壓鍋的安全系數(shù)。本文通過(guò)先對(duì)高壓鍋的原理和安全閥的介紹，再對(duì)硬件的選擇，寫(xiě)出總的電路圖，再設(shè)計(jì)程序。硬件電路中單片機(jī)起控制作用，它相

11、當(dāng)于人的大腦；壓電傳感器進(jìn)行壓強(qiáng)采集，把采集到的壓強(qiáng)放大送到單片機(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果控制相應(yīng)引腳輸出高電平或低電平。繼電器用來(lái)放大單片機(jī)輸送出來(lái)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥的工作。顯示管用來(lái)時(shí)時(shí)檢測(cè)鍋內(nèi)的壓強(qiáng)。蜂鳴器用來(lái)當(dāng)壓強(qiáng)過(guò)高時(shí)發(fā)出響聲報(bào)警；當(dāng)壓強(qiáng)高于170000pa，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警并且斷開(kāi)電磁閥關(guān)閉煤氣。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高壓鍋;壓電傳感器;主動(dòng)式電控安全閥</p>&l

12、t;p>　　Using Crystal Piezoelectric Effects Of Electric Safety Valve Design Pressure Cooker</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Widely used home with mechanical safety valve, pressure

13、 cooker from design sense the safety factor of the relief was very high. But occasionally a media pressure cooker in use explosion introduced often accident, investigate its reason is obviously consumers when use accordi

14、ng to the provisions of the specification without verification of the relief valve earnestly, temporary carelessness ventilatory status after creates. The survey found most caused such accident is the elderly or the cons

15、umer </p><p>　　Keywords: no-air glass; Piezoelectric sensors; Active control valve</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景 </p><p>　　高壓鍋亦稱(chēng)“壓力鍋”,是一種新型炊具,它

16、具有省燃料、省時(shí)間之特點(diǎn).用高壓鍋蒸出來(lái)的米飯松軟爽口,做出的魚(yú)、肉菜肴肉爛骨酥。但也存在致命的缺陷——長(zhǎng)期使用有爆炸的危險(xiǎn)性，特別是那些還在“超齡服役”的老高壓鍋。偶爾也有媒體介紹高壓鍋在使用中爆炸傷人的事故，究其原因顯然是消費(fèi)者在使用時(shí)未按說(shuō)明書(shū)的規(guī)定認(rèn)真核查安全閥的通氣狀況，一時(shí)疏忽大意后造成的。調(diào)查發(fā)現(xiàn)引起此類(lèi)事故的消費(fèi)者大多是老年人或者是低安全意識(shí)人群。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓力鍋的爆炸幾率在萬(wàn)分之四點(diǎn)二，這在很大程度上影響了消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)

17、和使用的信心?；诎踩矫娴目紤]，人們迫切的需要更高效安全的產(chǎn)品。所以，高效安全的高壓鍋的研發(fā)是很有商業(yè)前景的。</p><p>　　1.2 研究的意義</p><p>　　本課題擬在原有高壓鍋機(jī)械式安全閥的基礎(chǔ)上，另外設(shè)計(jì)一套“主動(dòng)式”的電控安全閥，以提高家庭用高壓鍋的安全系數(shù)。減少高壓鍋爆炸事故的發(fā)生，改變?nèi)藗儗?duì)高壓鍋安全觀念。開(kāi)拓高壓鍋的商機(jī)。傳統(tǒng)高壓鍋物美價(jià)廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，再加一個(gè)

18、一個(gè)安全裝置，就更加的如虎添翅，一定能在市場(chǎng)上占有應(yīng)有的份額。</p><p>　　本課題的主要意義就在于隨我們所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行很好的應(yīng)用，并且使我們加深對(duì)壓電效應(yīng)的理解和學(xué)會(huì)利用高級(jí)語(yǔ)言在Keil下對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程、使用Protues對(duì)原理圖的設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用等知識(shí)良好應(yīng)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，提高我們的的實(shí)際工作技能。</p><p>　　第二章 傳統(tǒng)的高壓鍋的安全閥</p>&l

19、t;p>　　世界上第一只高壓鍋是在1681年發(fā)明的，發(fā)明人是法國(guó)的醫(yī)生兼物理學(xué)家和機(jī)械師丹尼斯·帕平。那時(shí)高壓鍋?zhàn)龅檬謭?jiān)固，鍋蓋是鐵制的，份量很重，緊緊地蓋在鍋上。鍋的外圍罩了一層金屬網(wǎng)，以防意外爆炸。鍋本身有兩層，中央擺有內(nèi)鍋，要煮的食物就放在內(nèi)鍋里。加熱以后，蒸汽跑不出來(lái)，鍋內(nèi)氣壓升高，水的沸點(diǎn)也升高了，食物就熟得快了。帕平在訪問(wèn)英國(guó)的時(shí)候，曾用他的高壓鍋?zhàn)髁艘淮伪硌?。?jù)在場(chǎng)的人記載，在帕平的高壓鍋里，就是堅(jiān)硬的骨

20、頭，也變得象乳酪一樣柔軟。 現(xiàn)今，在我國(guó)的許多家庭都用上了“高壓鍋”，用這種鍋?zhàn)鲲埵斓每欤苁r(shí)間。特別是在海拔高度很高的地區(qū)生活，煮飯必須用“高壓鍋”。因?yàn)楦叨仍礁?，氣壓越低，水的沸點(diǎn)也降低。據(jù)測(cè)定在海拔6000米的地方，水的沸點(diǎn)只有80℃左右。在這里用普通鍋是很難把飯煮熟的，所以，必須用高壓鍋來(lái)提高水的沸點(diǎn)。</p><p>　　2.1 高壓鍋的原理</p><p>　　高壓鍋的原理

21、很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗姆悬c(diǎn)受氣壓影響，氣壓越高，沸點(diǎn)越高。在高山、高原上，氣壓不到1個(gè)大氣壓，不到100℃水就能沸騰，雞蛋是用普通鍋具是煮不熟的。在氣壓大于1個(gè)大氣壓時(shí)，水就要在高于100℃時(shí)才會(huì)沸騰。人們現(xiàn)在常用的高壓鍋就是利用這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。高壓鍋把水相當(dāng)緊密地封閉起來(lái)，水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣不能擴(kuò)散到空氣中，只能保留在高壓鍋內(nèi)，就使高壓鍋內(nèi)部的氣壓高于1個(gè)大氣壓，也使水要在高于100℃時(shí)才沸騰，這樣高壓鍋內(nèi)部就形成高溫高壓的環(huán)境，飯就容

22、易很快做熟了。當(dāng)然高壓鍋內(nèi)的壓力不會(huì)沒(méi)有限制，不然就會(huì)爆炸。</p><p>　　圖2.1 壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系圖</p><p>　　高壓鍋通常是在原有的大氣壓強(qiáng)下，增加40-70kpa的壓強(qiáng)，所以我們就定出極限壓強(qiáng)為170kpa。超過(guò)這一個(gè)壓強(qiáng)我們就可以認(rèn)為是危險(xiǎn)的壓強(qiáng)，就要關(guān)閉煤氣的輸送和報(bào)警了。</p><p>　　2.2 高壓鍋的安全閥的工作原理</

23、p><p>　　大家對(duì)壓力是很熟悉的，我們每天都處在大氣的重壓之下。只是由于我們體內(nèi)空氣的平衡作用，所以我們對(duì)此沒(méi)有什么感覺(jué)。在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，壓力給我們帶來(lái)了很大的方便。例如大家熟悉的高壓鍋，它可以在很短的時(shí)間內(nèi)，把我們喜歡吃的排骨燉爛；工業(yè)上常用的鍋爐，利用鍋爐中的壓力可以使蒸汽輸送到很遠(yuǎn)的地方。但是壓力的大小對(duì)安全至關(guān)重要。如果沒(méi)有合理的安全保護(hù)，壓力過(guò)大就會(huì)發(fā)生類(lèi)似爆炸、毒氣泄露等的事故。壓力就會(huì)

24、從一個(gè)天使變成了魔鬼。為了防范壓力的危害，人們?cè)谛枰邏旱脑O(shè)備上設(shè)計(jì)了很多自動(dòng)安全裝置。安全閥[1]用在受壓設(shè)備、容器或管路上，作為超壓保護(hù)裝置。當(dāng)設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力升高超過(guò)允許值時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，繼而全量排放，以防止設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力繼續(xù)升高；當(dāng)壓力降低到規(guī)定值時(shí)，閥門(mén)應(yīng)自動(dòng)及時(shí)關(guān)閉，從而保護(hù)設(shè)備、容器或管路的安全運(yùn)行。安全閥可以由閥門(mén)進(jìn)口的系統(tǒng)壓力直接驅(qū)動(dòng)，在這種情況下是由彈簧或重錘提供的機(jī)械載荷來(lái)克服作用在閥瓣下方的介

25、質(zhì)壓力。它們還可以由一個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)， 該機(jī)構(gòu)通過(guò)釋放或施加一個(gè)關(guān)閉力來(lái)使安全閥開(kāi)啟或關(guān)閉。因此按照上述驅(qū)動(dòng)模式將安全閥分為直接作用式和先導(dǎo)式。 </p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，一般使用可調(diào)重錘式安全閥。它的重錘就像一個(gè)秤砣?？梢愿淖冎劐N大小和改變力矩長(zhǎng)度來(lái)改變壓強(qiáng)的大小。把重錘掛在橫桿上，桿的支點(diǎn)在最左端，中間是鍋爐的排氣孔。當(dāng)壓力過(guò)高的時(shí)候，蒸汽把橫桿連同重錘頂起來(lái)，一時(shí)鍋爐內(nèi)的蒸汽排除壓力下降

26、。而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)重錘離左端的距離來(lái)改變所限制的壓力值。</p><p>　　圖2.2 可調(diào)重錘式安全閥</p><p>　　在家用中，一般都是使用不可調(diào)重錘式安全閥。它的重錘是固定質(zhì)量，也是不可以改變力矩的。</p><p>　　大家一定在廚房里見(jiàn)到過(guò)這樣的場(chǎng)景吧，從高壓鍋的一個(gè)小孔處，蒸汽不停地在向外冒。并且伴隨著哨聲。這個(gè)小孔就是排氣孔。排氣孔與一個(gè)閥門(mén)配合

27、使用。這個(gè)閥門(mén)就是為了控制壓力而設(shè)計(jì)的，它的名字就叫重錘式安全閥。安全閥上有一個(gè)重錘，它平時(shí)壓在高壓鍋的排氣孔上，當(dāng)高壓鍋內(nèi)的壓力達(dá)到一定的壓力值，由于壓力的作用，重錘被抬起。蒸汽從排氣孔中排除，以使高壓鍋內(nèi)的壓力下降到安全值范圍內(nèi)。 </p><p>　　圖2.3 高壓鍋的安全閥</p><p>　　限壓閥（限壓裝置）的作用：在烹調(diào)過(guò)程中，鍋內(nèi)壓力達(dá)到工作壓力時(shí)，限壓閥通過(guò)排氣孔排氣工

28、作，使鍋內(nèi)壓力保持在一定的范圍內(nèi)，達(dá)到烹調(diào)的目的。安全閥的作用：在烹調(diào)過(guò)程中，由于限壓閥排氣管堵塞，造成鍋內(nèi)壓力過(guò)高，這時(shí)通過(guò)安全閥排氣，以保證壓力鍋的安全。僅僅有了安全閥，壓力設(shè)備并不是就絕對(duì)安全了。如果在烹飪東西時(shí)，某一些東西不慎堵住限壓閥排氣管，就會(huì)使壓強(qiáng)增大，達(dá)到一定程度的話(huà)，就會(huì)爆炸。產(chǎn)生安全事故。了為了保證萬(wàn)無(wú)一失，人們采用了雙保險(xiǎn)。通常在壓力設(shè)備上還安裝有一個(gè)保險(xiǎn)片。它是由易熔的金屬片做成。當(dāng)安全閥由于故障失靈的時(shí)候，過(guò)大

29、的壓力會(huì)把保險(xiǎn)片沖開(kāi)，防止事故的發(fā)生。如果鍋內(nèi)的水分被蒸干，鍋內(nèi)溫度的升高，會(huì)把金屬片熔化掉也可以起到安全作用。在很多壓力容器上都安裝有防爆片，它的作用類(lèi)似于高壓鍋上的保險(xiǎn)片。當(dāng)壓力超過(guò)一定值時(shí)，防爆片就會(huì)自毀而保證容器的安全。安全閥是可以重復(fù)使用的裝置，每次壓力超過(guò)一定值時(shí)起作用，當(dāng)壓力下降的時(shí)候，安全閥復(fù)位。但是保險(xiǎn)片和防爆片起作用后就會(huì)毀壞，需要更換新的才可以，十分的麻煩。所以現(xiàn)在就利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計(jì)一套“主動(dòng)式”的電控安全閥

30、進(jìn)一步提高高壓鍋的安全系數(shù)十分必要</p><p>　　在高壓鍋蓋內(nèi)壁上裝一個(gè)傳感器，其工作不受限壓閥排氣管堵塞的影響。可以感受鍋內(nèi)壓強(qiáng)的大小，把采集到的壓強(qiáng)輸送到放大器中，再放大輸送都單片機(jī)中進(jìn)行控制。從而提高了高壓鍋的安全系數(shù)。</p><p>　　雖然有各種安全裝置的保護(hù)，壓力裝置也并不是絕對(duì)安全的。在使用過(guò)程中，還是要求使用者有足夠的安全意識(shí)，不能把安全問(wèn)題完全留給自動(dòng)裝置來(lái)保證。

31、只有人和自動(dòng)裝置共同防范事故的發(fā)生，才能夠安全地使用壓力裝置。</p><p>　　第三章 壓電式傳感器</p><p>　　3.1 傳感器的定義</p><p>　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器[2]下的定義是:“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能

32、將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.2 傳感器的原理</p><p>　　傳感器工作原理的分類(lèi)[3]物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。化學(xué)傳感

33、器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過(guò)TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過(guò)能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級(jí)線(xiàn)圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線(xiàn)圈，得到的交流電源通過(guò)軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的

34、高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測(cè)得到的mV級(jí)的應(yīng)變信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號(hào)，通過(guò)信號(hào)環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線(xiàn)圈傳遞至靜止次級(jí)線(xiàn)圈，再經(jīng)過(guò)外殼上的信號(hào)處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)，該信號(hào)為T(mén)TL電平,既可提供&l

35、t;/p><p>　　3.3 壓電傳感器的定義</p><p>　　某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象

36、稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，或稱(chēng)為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為為壓電傳感器[4]。</p><p>　　3.4 壓電效應(yīng)分類(lèi)</p><p>　　壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)[5]。 </p><p>　　3.4.1 正壓電效應(yīng) </p><p>　　當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某

37、兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。</p><p>　　圖3.1 正壓電效應(yīng)</p><p>　　在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)

38、上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q，且其電位移D(在MKS單位制中即電荷密度σ)與外應(yīng)力張量T成正比： </p><p>　　或 (3.4.1)</p><p>　　式中 d——壓電常數(shù)矩陣。 </p><p>　　當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。</p><p>　　3.4.2 逆壓電效應(yīng)

39、</p><p>　　是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類(lèi)傳感器稱(chēng)為為壓電傳感器。</p

40、><p>　　這里再介紹一下電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場(chǎng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對(duì)所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對(duì)稱(chēng)性的晶體，還是極性晶體。</p><p>　　在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究, 發(fā)

41、現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。</p><p>　　圖3.2 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)</p><p>　　在晶體兩側(cè)加以一定頻率的高頻電壓，晶體薄片就能準(zhǔn)確而迅速地隨著交變電場(chǎng)頻率而周期性地改變其厚度（壓縮與伸展）。由此形成超聲振動(dòng)，向周?chē)橘|(zhì)傳播。</p><p>　　3.5 無(wú)機(jī)壓電材料</p><p>　　

42、圖3.3 壓電材料</p><p>　　分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過(guò)程而獲得的微細(xì)晶粒無(wú)規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱(chēng)壓電陶瓷，實(shí)際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發(fā)極化方向反向平行的180 疇和自發(fā)極化方向互相垂直的90疇組成，這些電疇在人工極

43、化（施加強(qiáng)直流電場(chǎng)）條件下，自發(fā)極化依外電場(chǎng)方向充分排列并在撤消外電場(chǎng)后保持剩余極化強(qiáng)度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。這類(lèi)材料的研制成功，促進(jìn)了聲換能器，壓電傳感器的各種壓電器件性能的改善和提高。壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點(diǎn)陣長(zhǎng)程有序生長(zhǎng)而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無(wú)對(duì)稱(chēng)中心，因此具有壓電性。如水晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶

44、體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對(duì)高頻、高穩(wěn)定應(yīng)</p><p>　　3.6 有機(jī)壓電材料</p><p>　　又稱(chēng)壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機(jī)壓電（薄膜）材料。這類(lèi)材料及其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)

45、(g)等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在水聲超聲測(cè)量，壓力傳感，引燃引爆等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。 </p><p><b>　　圖3.4 換能器</b></p><p>　　第三類(lèi)是復(fù)合壓電材料，這類(lèi)材料是在有機(jī)聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料構(gòu)成的。至今已在水聲、電聲、超聲、

46、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。 </p><p>　　3.7 壓電傳感器的應(yīng)用</p><p>　　壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊

47、測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。</p&g

48、t;<p>　　3.8 影響壓電傳感器工作性能的主要原因</p><p>　　壓電傳感器是以壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。由于壓電效應(yīng)具有自發(fā)電和可逆性， 因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。由于這種特性，壓電器件已被廣泛用于超聲、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，并與激光、紅外等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和高科技的重要器件?；趬弘娦?yīng)的壓電傳感器，通常都需要接觸測(cè)量，它的靈敏度、頻率特性和重量

49、，是衡量其工作性能的主要指標(biāo)。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，其中有系統(tǒng)因素，如傳感器重量的負(fù)載影響，諧振頻率、高低頻響應(yīng)相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和和某些溫度影響等，也有隨機(jī)的因素，如基座應(yīng)變、聲噪聲、電磁場(chǎng)等。在此擇其主要因素分析討論。</p><p>　　3.8.1 橫向靈敏度</p><p>　　橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo)。一只理想的單軸壓電傳感器， 應(yīng)該僅靈

50、敏其軸向的作用力，而對(duì)橫向的作用力不敏感。如對(duì)壓宿式壓傳感器軸線(xiàn)（受力向）完全一致。但實(shí)際的壓電傳感器由于壓電切片、極化方向的偏差，壓電片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及裝配、安裝不精確等種種原因， 都會(huì)造成如圖所示的壓電傳感器電軸E 向與力軸Z 向不重合。橫向靈敏度用軸向靈敏度Kz 的百分比表示，即定義為：最大橫向靈敏度= Ky/Kz×100%=tanθ×100%和一般橫向靈敏度= Ky/Kz×1

51、00%=tanθ·cos×100%產(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件： 一是伴隨軸向作用力的同時(shí)，存在橫向力；二是壓電元件本身具有橫向壓電效用消除橫向靈敏度的技術(shù)途徑一是從設(shè)計(jì)、工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致；二是盡量采用剪切型力---電轉(zhuǎn)換方式。一只較好的壓電傳感器，最大橫向靈敏度不大于5%。</p><p>　　3.8.2 環(huán)境溫度和濕度</p><p>　　環(huán)境溫度對(duì)

52、壓電傳感器工作性能的影響主要通過(guò)三個(gè)因素：①壓電材料的性能參數(shù)；②某些壓電材料的熱釋點(diǎn)效應(yīng)；③傳感器的結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度變化將使壓電材料壓電常數(shù)d、介電常數(shù)ε、電阻率ρ 和彈性系數(shù)k 等機(jī)電特性參數(shù)發(fā)生變化。d 和k 的變化將影響傳感器的輸出靈敏度；ε 和ρ 的變化導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)τ=RC 的變化，從而使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。在必須考慮溫度———尤其是高溫對(duì)傳感器低頻特性影響的情況下， 采用電荷放大器將會(huì)得到滿(mǎn)意的低頻響應(yīng)。</p>

53、<p>　　環(huán)境濕度主要影響壓電元件的絕緣電阻，使其絕緣電阻明顯下降，造成傳感器低頻響應(yīng)變壞。因此在高濕度環(huán)境工作的壓電傳感器， 必須采用高絕緣材料，并采取防潮濕的密封措施。</p><p>　　3.8.3 安裝差異及基座應(yīng)變</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中， 壓電傳感器總是要通過(guò)一定的方式緊密安裝在被測(cè)試件上進(jìn)行接觸測(cè)量。由于傳感器和試件都是質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，通過(guò)安裝連接

54、后，兩者都將互相影響原來(lái)固有的機(jī)械特性（固有頻率）。因此，實(shí)際測(cè)量的頻響上限，并不由傳感器本身的固有頻率fn。而且，安裝方式的不同，安裝質(zhì)量的差異，對(duì)傳感器的頻響特性影響很大。</p><p><b>　　3.8.4 噪聲</b></p><p>　　壓電元件是高阻抗、小功率元件，極易受外界機(jī)、電振動(dòng)引起的噪聲干擾，其中主要有聲場(chǎng)、電源和接地回路噪聲等。壓電傳感器在

55、強(qiáng)聲中工作將受到聲波震動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生寄生電信號(hào)輸出，謂之聲噪聲。例如，壓電加速傳感器常用聲靈敏度（指140dB 噪聲引起的等效加速輸出）m·s-2/140dB 表示聲噪聲的大小。目前大多數(shù)壓電傳感器設(shè)計(jì)成隔離基座和獨(dú)立外科結(jié)構(gòu)，聲噪聲影響極小。</p><p>　　第四章 整體方案設(shè)計(jì) </p><p><b>　　4.1 硬件介紹</b></p&g

56、t;<p>　　4.1.1 壓電傳感器</p><p>　　壓電式力傳感器型號(hào):BHX1YFF5 </p><p>　　圖4.1 BHX1YFF5</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)換成電荷的變換裝置。傳感器產(chǎn)生的電荷正比于被測(cè)外力，通過(guò)電荷放大器將電荷按比例轉(zhuǎn)換成電壓，用電壓表或其他顯示器讀出其大小及變化。該類(lèi)產(chǎn)

57、品采用全密封結(jié)構(gòu)，具有氣密性好、強(qiáng)度高、剛性大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。最主要應(yīng)用是動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊力的測(cè)量，也適用于振動(dòng)設(shè)備的機(jī)械阻抗和力控振動(dòng)試驗(yàn)，它還廣泛用于勞保產(chǎn)品的檢測(cè)、樁基的無(wú)損檢測(cè)、地質(zhì)勘部門(mén)電動(dòng)力觸探的測(cè)量等。</p><p><b>　　參數(shù)：</b></p><p><b>　　測(cè)量范圍KN:90</b></p>

58、<p>　　分 辨 率N:0.025</p><p>　　靈 敏 度PC/N:～4</p><p>　　非 線(xiàn) 性±%F.S:～1</p><p>　　諧振頻率KHz:～40</p><p>　　絕緣電阻Ω:>1012 </p><p>　　尺 寸D(mm):34

59、 </p><p><b>　　d(mm):16</b></p><p><b>　　H(mm):12</b></p><p><b>　　重 量g: 60</b></p><p><b>　　材 料：不銹鋼</b></p><

60、;p>　　使用溫度：- 20～200℃，工作壓0～6.4Mpa，完全能適應(yīng)高壓鍋的環(huán)境需求</p><p>　　4.1.2 前置放大器</p><p>　　為了將探測(cè)器輸出的微弱信號(hào)放大，必須合理地設(shè)計(jì)或選用低噪聲前置放大器[6]，以保證放大器的輸入端和輸出端有足夠大的信噪比。它是自動(dòng)化技術(shù)工具中處理信號(hào)的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號(hào)控制能源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提

61、供。由于傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)過(guò)弱，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。</p><p>　　ICL7650 是Intersil 公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放,它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式，使用最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳

62、排列。</p><p>　　圖4.2 放大器的前置放大電路圖</p><p><b>　　圖4.3 引腳圖</b></p><p>　　系統(tǒng)中碳電極與信號(hào)調(diào)理器浮空地之間感應(yīng)的自然地空電位Vi1 和Vi2 被分別加到ICL7650的兩個(gè)輸入端, 微弱信號(hào)Vi1 和Vi2 經(jīng)放大后將從ICL7650 的第10 引腳輸出, 放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)一系

63、列處理后輸入到單片機(jī)中,以供單片機(jī)的識(shí)別與判斷使用。為了防止輸入信號(hào)幅度過(guò)大而導(dǎo)致ICL7650 損壞, 電路在兩路信號(hào)的輸入端分別加入了起保護(hù)作用的四個(gè)二極管D1～D4。由于電路正常工作時(shí)的輸入信號(hào)Vi1 和Vi2 幅度很小, 所以二極管不導(dǎo)通, 也就不會(huì)影響電路的正常工作。電路的增益較高, 為防止產(chǎn)生高頻振蕩, 設(shè)計(jì)時(shí)在電阻R4 上并接了電容C3 , 因其容量較小, 所以對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)的影響也非常小。為了抬高運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的直流

64、分量, 可將箝位端接在運(yùn)算放大器的反向輸入端。</p><p>　　4.1.3 單片機(jī)</p><p>　　單片機(jī)[7]是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而

65、完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　AT89S52 簡(jiǎn)介： AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kBytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS -51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能

66、強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。 AT89S52特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8kBytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè) 全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。</p><p><b>　　

67、圖4.4 引腳圖</b></p><p>　　此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三 種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性 

68、3; 兼容MCS-51指令系統(tǒng) · 8k可反復(fù)擦寫(xiě)(>1000次）ISP Flash ROM · 32個(gè)雙向I/O口 · 4.5-5.5V工作電壓 · 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 · 時(shí)鐘頻率0-33MHz · 全雙工UART串行中斷口線(xiàn) · 256x8bit內(nèi)部RAM &

69、#183; 2個(gè)外部中斷源 · 低功耗空閑和省電模式 · 中斷喚醒省電模式 · 3級(jí)加密位 · 看門(mén)狗（WDT）電路 · 軟件設(shè)置空閑和省電功能 · 靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程 · 雙</p><p>　　4.1.4 電磁閥&l

70、t;/p><p>　　電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥是用電磁的效應(yīng)進(jìn)行控制，主要的控制方式由繼電器控制。這樣，電磁閥可以配合不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥[8]、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。電磁閥：用于液體和氣體管路的開(kāi)關(guān)控制，是兩位DO控制。一

71、般用于小型管道的控制。電磁閥：只能用作開(kāi)關(guān)量，是DO控制，只能用于小管道控制，常見(jiàn)于DN50及以下管道，往上就很少了。 </p><p>　　W-160-15電磁閥</p><p>　　圖4.5 電磁閥的側(cè)面和正面</p><p>　　閥體材質(zhì)：黃銅;使用流體：空氣、水、油;型式：常閉式;電壓：AC220V（其它電壓均有貨）;管孔徑：1/2″(即:4分);流量孔徑

72、：16mm;油封材質(zhì)：NBR（VITON);壓力：0～1.0mpa;流體溫度：-5～80℃;電流：0.1A;功率:14W</p><p>　　該產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)： 二口二位式常閉型，閥體為銅鍛造。 配管方式可任意角度安裝，為增強(qiáng)壽命最好是水平管線(xiàn)圈朝上。 產(chǎn)品為系列化生產(chǎn)，體積小，流量大。</p><p>　　4.1.5 蜂鳴器</p><p>　　蜂鳴器[9

73、]是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車(chē)電子設(shè)備、電話(huà)機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作為發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類(lèi)型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鳴器AD16-22SM/R</p><p>　　圖4.6 AD16-22SM/R</p><p>

74、　　性能可靠、外觀精美、規(guī)格齊全，適用于電力、電訊、機(jī)床、船舶、紡織、印刷、礦山機(jī)械等設(shè)備的線(xiàn)路中作指示信號(hào)、預(yù)告信號(hào)、事故信號(hào)及其他指示用信號(hào)?？芍谱鏖W光蜂鳴器，遇到故障時(shí)，同時(shí)閃光發(fā)聲，讓您及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況。</p><p>　　4.2 電路的總體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　

75、圖4.7 設(shè)計(jì)圖</b></p><p>　　硬件電路中單片機(jī)起控制作用，它相當(dāng)于人的大腦；壓電傳感器進(jìn)行壓強(qiáng)采集，把采集到的壓強(qiáng)放大送到單片機(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果控制相應(yīng)引腳輸出高電平或低電平。繼電器用來(lái)放大單片機(jī)輸送出來(lái)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥的工作。蜂鳴器用來(lái)當(dāng)壓強(qiáng)過(guò)高時(shí)發(fā)出響聲報(bào)警；當(dāng)壓強(qiáng)高于170000pa，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警并且斷開(kāi)電磁閥關(guān)閉煤氣。</p><

76、p>　　單片機(jī)串行口方式為寄存器方式，外接3 片74LS164 作為3位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口。74LS164為T(mén)TL單向8 位移位寄存器可實(shí)現(xiàn)串行輸入并行輸出。其中第1.2 腳為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，公一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。第8腳為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的TXD 端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到T端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8 位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164 中。R（第9腳）為復(fù)

77、位端，當(dāng)R=0 時(shí)，移位寄存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1 時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。Q1…Q8（第3-6 和10-13引腳）并行輸出端分別接LED 顯示器的hg---a 各段對(duì)應(yīng)的引腳上。</p><p>　　4.8 顯示管電路</p><p>　　圖4.8 總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　壓電傳感器BRX1YFF5裝在高壓鍋內(nèi)，對(duì)高壓鍋內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行采樣，把采樣信號(hào)送到

78、ICL7650放大器進(jìn)行放大（ICL7650前置放大器電路在前面說(shuō)過(guò)，在這里就不說(shuō)了）輸送到單片機(jī)的p3.4端，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理和判斷是否對(duì)報(bào)警器和控制繼電器輸送信號(hào)驅(qū)動(dòng)他們工作。控制繼電器的上端連接電源，保證繼電器能正常的工作。下端連接電磁閥，控制電磁閥是否要切斷煤氣的輸送。圖上面是一個(gè)數(shù)碼顯示管，用來(lái)時(shí)時(shí)監(jiān)控鍋內(nèi)的壓強(qiáng)，讓消費(fèi)者可以時(shí)時(shí)知道壓強(qiáng)的變化。</p><p>　　4.2.1 時(shí)鐘電路調(diào)制 &l

79、t;/p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部時(shí)鐘電路方式，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時(shí)元件經(jīng)常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路。晶體可以在1.2MHZ至12MHZ之間選擇，電容值在50PF至30PF之間選擇，電容的大小可以起頻率微調(diào)的作用。外部方式的時(shí)鐘電路，XTAL1接地，XTAL2接外部振

80、蕩器。對(duì)外部震蕩信號(hào)無(wú)特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHZ的方波信號(hào)。</p><p>　　圖4.9 時(shí)鐘電路</p><p>　　4.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路[10]原理是在RESET輸入端出現(xiàn)高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位和初始化。在振蕩器運(yùn)行的情況下，要實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST引腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩器周

81、期）的高電平。CPU在第二個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行復(fù)位操作，以后每一個(gè)機(jī)器周期重復(fù)一次，直至RST端電平變低。當(dāng)RST引腳返回低電平以后，CPU從0地址開(kāi)始執(zhí)行程序。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如下圖所示。加電瞬間，RST端的電平與VCC相同，隨著RC電路充電電流的減小，RST端的電位逐漸下降。只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，單片機(jī)就能有效復(fù)位。本方案中，電容的的大小是11uF，電阻的大小是1k。所以

82、根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機(jī)的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時(shí)間是1K*11 uF =11ms。也就是說(shuō)在電腦啟動(dòng)的11ms內(nèi)，電容兩端的電壓時(shí)在0至3.5V增加。這個(gè)時(shí)候1K電阻兩端的電壓為從5至1.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在11ms內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V至1.5V。在5V正常工作的51單片機(jī)中小于1.5V的電壓信號(hào)為低電平信號(hào)，而大于1.5V的電壓信號(hào)

83、為高電平信號(hào)。所以在開(kāi)機(jī)0.1S內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（RST引腳接收到的高電平信號(hào)時(shí)間為11ms左右）。</p><p>　　在單片機(jī)啟動(dòng)11ms后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候1K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在11m

84、s內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候1K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。</p><p>　　圖4.10 復(fù)位電路</p><p><b>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　先利用Proteus和Keil軟件進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)印制板

85、，加工好后選取器件進(jìn)行焊接，編寫(xiě)程序通過(guò)上述程序，向傳感器發(fā)送合適的指令編號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)傳感器初始化、壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換，讀取壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換數(shù)值，寫(xiě)入壓強(qiáng)界限值，保存壓強(qiáng)界限值等功能．在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，微型計(jì)算機(jī)使用28H單元同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換．調(diào)試成功后通過(guò)下載線(xiàn)下載到單片機(jī)芯片中，組裝整個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行整體調(diào)試。</p><p>　　5.1 Proteus軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　Proteus軟件

86、是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一

87、鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。</p>&

88、lt;p>　　5.2 Proteus軟件作用</p><p>　　Proteus 是單片機(jī)課堂教學(xué)的先進(jìn)助手。 </p><p>　　Proteus不僅可將許多單片機(jī)實(shí)例功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)例運(yùn)行過(guò)程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。 </p><p>　　它的元器件、連接線(xiàn)路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)

89、驗(yàn)硬件高度對(duì)應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測(cè)、電路修改、軟件調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果等。 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。由于PROTEUS提供了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái) </p><

90、;p>　　隨著科技的發(fā)展，“計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計(jì)部門(mén)重要的前期設(shè)計(jì)手段。它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過(guò)程的統(tǒng)一的特點(diǎn)。可使設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。相信在單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中Proteus也能茯得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　使用Proteus 軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì), 是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操

91、作能力；在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我們使用 Proteus 開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，在使用 Proteus 進(jìn)行系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價(jià)值。</p><p>　　5.3 主程序結(jié)構(gòu)</p>&l

92、t;p>　　圖5.1 軟件設(shè)計(jì)邏輯圖</p><p>　　程序開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)的初始化，從放大器中讀取數(shù)據(jù)，顯示并判斷是否符合條件，符合條件就匹配報(bào)警并切斷煤氣的輸送。不匹配則繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，循環(huán)執(zhí)行。</p><p>　　第六章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)</p><p>　　本系統(tǒng)主要是針對(duì)高壓鍋內(nèi)壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)具有硬件體積小、簡(jiǎn)單靈活、可靠性高，反映時(shí)間短等特

93、點(diǎn)，并且具有可編程、可實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。此外，此系統(tǒng)還可以廣泛應(yīng)用于需要實(shí)時(shí)精確監(jiān)控，條件惡劣、人員不便進(jìn)入的場(chǎng)合。所以說(shuō)，本系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常廣泛。</p><p>　　但是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)也存在一些不足。</p><p>　　首先，因時(shí)間倉(cāng)促，導(dǎo)致學(xué)習(xí)Proteus不夠深入，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，難免存在疏漏。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不夠縝密，程序?qū)懙牟粔驀?yán)密。以后應(yīng)該在實(shí)踐中加強(qiáng)學(xué)習(xí)。</p>

94、<p>　　最后，本系統(tǒng)的所設(shè)計(jì)的硬件電路過(guò)于簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有做實(shí)物，只是停止理論部分。</p><p>　　由于時(shí)間倉(cāng)促以及本人水平有限，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，難免存在一定的錯(cuò)誤和疏漏，懇請(qǐng)各位專(zhuān)家、老師不吝指正。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]董大勤編.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：水利電力出

95、版社，1993.403~405.</p><p>　　[2]唐賢遠(yuǎn),劉岐山編著.傳感器原理及應(yīng)用[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2000.1~1.</p><p>　　[3]孟立凡,鄭賓主編.傳感器原理及技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.35~43.</p><p>　　[4]強(qiáng)錫富主編.傳感器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.72~73.<

96、/p><p>　　[5]余瑞芬主編.傳感器原理[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.8 152~154. </p><p>　　[6]何兆湘編. 光電信號(hào)處理[M]. 武漢市：華中科技大學(xué)出版社, 2008.34~36. </p><p>　　[7]楊居義編著.單片機(jī)原理與工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.2~3.</p><p>

97、;　　[8]陳愈等編著.液壓閥[M].北京市：中國(guó)鐵道出版社 ,1982.15~16.</p><p>　　[9]程利民，宋勝利主編.單片機(jī)入門(mén)實(shí)踐[M].湖北科學(xué)技術(shù)出版社 ,2008.16~17.</p><p>　　[10]張齊，杜群貴編著.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)——基于C語(yǔ)言編程[M].北京市：電子工業(yè)出版社 , 2004.08.110~114.</p><p&

98、gt;<b>　　附錄一</b></p><p><b>　　1）初始化程序</b></p><p>　　Voidinit＿at89s52（unsignedchardssn）｛</p><p>　　switch（dssn）｛</p><p>　　case1：　ds_a＝0；　∥將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉至低電平&l

99、t;/p><p>　　delay＿510μｓ（）；　∥延遲５１０μｓ</p><p>　　ds_a＝１； ∥釋放數(shù)據(jù)線(xiàn)</p><p>　　delay＿80μｓ（）； ∥延遲８０μｓ</p><p>　　dsflag＝ds_a；　∥采集數(shù)據(jù)線(xiàn)信號(hào)</p><p>　　delay＿410ｓ（）； ∥延遲４１０μｓ</p

100、><p>　　ds_a＝１；　∥將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉至高電平</p><p><b>　　break；</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　2）寫(xiě) 壓強(qiáng)傳感器程序</p><

101、p>　?。ragmaasm</p><p>　　Mov a，28h　∥獲取需傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)據(jù)</p><p>　　Mov r2，＃8 ∥設(shè)置程序循環(huán)執(zhí)行８次</p><p><b>　　Clrc</b></p><p>　　Wr1： clr p3-4 ∥將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉至低電平</p><p>&

102、lt;b>　　Mov r3，＃4</b></p><p>　　Djnz r3，$ ∥延遲８μｓ</p><p>　　Rrca ∥獲取數(shù)據(jù)中的一位數(shù)值</p><p>　　Mov p3-4，c ∥傳輸一位數(shù)據(jù)值</p><p>　　Mov r3，＃25</p><p>　　Djnz r3，$ ∥延遲５

103、０μｓ</p><p>　　Set b，p3-4 ∥拉高數(shù)據(jù)線(xiàn)電平</p><p><b>　　Nop</b></p><p>　　Djnz r2，wr1</p><p>　　Set b，p3-4</p><p>　?。ragmaendasm</p><p>　　3）讀壓

104、強(qiáng)傳感器程序</p><p>　?。ragmaasm</p><p>　　Mov r2，＃8 ∥設(shè)置程序循環(huán)執(zhí)行８次</p><p><b>　　Clrc</b></p><p>　　Rd1： clr p3-4 ∥將數(shù)據(jù)線(xiàn)拉至低電平</p><p><b>　　Mov r3，＃4<

105、;/b></p><p>　　Djnz r3，$ ∥延遲８μｓ</p><p>　　Set b，p3-4 ∥釋放數(shù)據(jù)線(xiàn)</p><p><b>　　Mov r4，＃4</b></p><p>　　Djnz r3，$ ∥延遲８μｓ</p><p>　　Mov c，p3-4 ∥從傳感器采集一位數(shù)

106、據(jù)</p><p><b>　　rrca</b></p><p>　　Mov r3，＃20</p><p>　　Djnz r3，$ ∥延遲４０μｓ</p><p>　　Set b，p3-4 ∥拉高數(shù)據(jù)線(xiàn)電平</p><p>　　Djnz r2，rd1</p><p>　　M

107、ov 28h，a ∥存儲(chǔ)獲取的字節(jié)數(shù)據(jù)</p><p>　?。ragmaendasm</p><p><b>　　4）顯示</b></p><p>　　; ____________ 計(jì) 數(shù) 值 轉(zhuǎn) BCD 碼 處 理 ____________; </p><p>　　DIVRAT: MOV R0 , #24 ;處理三字

108、節(jié)24B的數(shù)據(jù) </p><p>　　MOV 48H , #0 ;頻率計(jì)算內(nèi)存變量區(qū)清零 </p><p>　　MOV 47H , #0 </p><p>　　MOV 46H , #0 </p><p>　　MOV 45H , #0 </p><p>　　MOV R1 , 44H ;低字節(jié),數(shù)據(jù)處理緩沖單元 </

109、p><p>　　MOV R2 , 43H ; </p><p>　　MOV R3 , 42H ;高字節(jié) </p><p>　　SHIF_1: CLR C ;對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行乘二加余運(yùn)算 </p><p>　　MOV A , R1 </p><p><b>　　RLC A </b></p>

110、<p>　　MOV R1 , A </p><p>　　MOV A , R2 </p><p><b>　　RLC A </b></p><p>　　MOV R2 , A </p><p>　　MOV A , R3 </p><p><b>　　RLC A </b>

111、</p><p>　　MOV R3 , A </p><p>　　MOV A , 45H ;壓縮BCD碼處理 </p><p>　　ADDC A , 45H </p><p><b>　　DA A </b></p><p>　　MOV 45H , A ;個(gè) - 十單元 </p>&l