毕业设计基于单片机的光纤FP压力传感器LCD显示系统设计

《毕业设计基于单片机的光纤FP压力传感器LCD显示系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计基于单片机的光纤FP压力传感器LCD显示系统设计（66页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 毕业设计(论文)光纤F-P压力传感器LCD显示系统设计系 别自动化工程系专业名称自动化班级学号5060134学生姓名胡重阳指导教师于丁文2010年 6 月 12 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 IV 页光纤Fabry-Perot压力传感器LCD显示系统设计摘 要随着单片机与嵌入式系统在我国使用的日益普及，单片机上使用汉字的要求也更加突出。由于单片机的输入输出端口非常有限，所以单片机系统所用键盘电路中的按键数目是非常有限的，一般为16个，这就限制了单片机系统中大量信息的输入。带汉字字库的液晶模块的使用使得小容量ROM单片机的大量汉字信息输入与显示成为可能。本文采用了以ST7920控

2、制器的带汉字字库的液晶显示模块，为小容量ROM单片机的大批量汉字信息处理提供了一种汉字输入解决方案。光纤传感技术由于具有抗干扰能力强、本质安全、可测量量多、测量动态范围大、可远程监测等优点，在光纤技术发展起来后就立即引起了众多研究人员的兴趣。光纤Fabry-Perot(F-P)传感器是技术最为成熟、应用最为广泛的光纤传感器之一。本文研发了以STC89C52RC单片机为控制芯片，以DS1302为时钟芯片，保证显示器在掉电的情况下也可以正确显示日期，以ST7920系列液晶控制器为用户显示器，通过串口和并口通信的合理应用，将接收到的光纤传感器压力数据经过数据处理，正确的显示在液晶显示屏上。关键词：光

3、纤F-P压力传感器，单片机，串口通信，时钟芯片，液晶显示器Fiber Fabry-Perot Pressure Sensor LCD Display System Author: Hu Chongyang Tutor:Yu DingwenAbstractWith the MCU and embedded systems become increasingly popular for use in China, MCU demands the use of Chinese characters more prominent. As the microcontroller input and ou

4、tput ports is very limited, so MCU system using the number keys in the keyboard circuit is very limited, generally 16, which limits the SCM system, a lot of information input. Chinese character LCD module with the use of making a large number of small-capacity ROM MCU character information input and

5、 display possible. In this paper, taking ST7920 controller with Chinese character liquid crystal display module, for the small-capacity ROM MCU to provide high-volume Chinese characters, a character input processing solution.Optical Fiber Sensor Technology With strong anti-interference, intrinsic sa

6、fety, measurable quantity, measurement dynamic range, can the advantages of remote monitoring in optical fiber technology developed after the immediately aroused the interest of many researchers. Fiber Fabry-Perot (FP) sensor is the most mature technology, the most widely used one optical fiber sens

7、ors, and small and medium size liquid crystal display high level of integration provides a low-power, low price, small size, single-chip solution.This developed to STC89C52RC microcontroller control chip to clock chip DS1302 is to ensure display case in the power-down will be displayed in date order

8、 ST7920 Series LCD controller for the user display, serial and parallel communication through the rational application of the received through the fiber optic pressure sensor data processing, the correct display on the LCD screen.Key words: fiber-optic FP pressure sensor, microcontroller, serial com

9、munication, clock chips, liquid crystal displays目 录1 绪 论11.1 研究背景及发展现状11.1.1 光纤F-P传感器液晶显示器研究背景11.1.2 光纤F-P传感器液晶显示器研究现状21.2 课题来源、研究内容及意义41.2.1 课题来源41.2.2 课题研究内容、创新点和解决的问题41.2.3 课题研究意义51.3本文主要工作62 硬件电路设计72.1 系统硬件设计方案72.2模块功能介绍82.2.1数据处理模块82.2.2 数据采集模块122.2.3 显示辅助模块152.2.4 人机交互模块182.3 本章小结203 系统软件设计213

10、.1 软件设计思路213.2 子程序设计223.2.1 数据采集设计223.2.2 数据处理273.2.3 时钟芯片283.2.4 人机交互软件设计303.3 本章小结334 调试程序及数据分析344.1 调试程序344.2 实验数据处理354.3 本章小结38结 论39致 谢40参考文献41附 录43附件A43附录B48 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第61页1 绪 论1.1 研究背景及发展现状1.1.1 光纤F-P传感器液晶显示器研究背景传感器技术是现代信息技术的重要内容，是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的制高点之一。光纤传感器是自70年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技术发展而飞

11、速发展的新型传感器，具有灵敏度和分辨率高、体积小、重量轻、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰且能在易燃易爆的环境下可靠运行等优点。因而成为近十几年来世界各国学者研究的热点，每年都有大量文章发表。从研究内容上，人们在寻求新的测量方法，以达到既简化研究又提高精度的目的；从研究结果看，已实现的光纤传感器的分辨率比原来提高近l0倍，今天的光纤传感器进入了提高阶段，人们在探索新的光纤传感器构成机理的同时，把研究的重点放在提高它的某种性能上，如提高精度、分辨率或抗干扰能力等。随着信息产业的迅猛发展，如机器人的深入研究、超大规模集成电路的芯片制作与定位等对传感器的性能要求越来越高，从而对光纤传感器的进一步研究再一次

12、成为热点。液晶显示器产品因具备平面显示、不占空间、数位化、轻薄、低辐射及耗电量为CRT(CathodeRay Tube)(阴极射线管)的三分之一等优点， 目前人类社会已步入了信息时代，信息产业已成为衡量一个国家现代化水准的重要标志，人们信息的获取80%来自视觉，各种信息最终都要通过信息显示来实现人机交换。显像管CRT 液晶显示器件LCD 和发光二极管LED 已成为显示产业的重要支柱，显示产业已在信息产业中占有重要份额应用十分广泛。CRT 经过几十年的发展其产业在电子工业中已占有十分重要的地位，但是随着应用范围的不断扩大，使用要求的不断提高以及光电子微电子技术的飞速发展，由于CRT 的一些固有缺

13、点如体积大、有闪烁电压高、有X 射线等，促使人们寻求新的显示器件从而大大地促进了平板显示技术的发展。目前平板显示器件种类繁多，主要有液晶显示器件LCD 、发光二极管LED 、真空荧光显示器件VFD 、等离子体显示器件PDP 、电致发光器件ELD 等。其中,LCD 以其突出的优点广阔的应用领域和巨大的市场，已成为平板显示器的主流产品,就中国目前来说显像管CRT 仍然是中国显示产业的主流,而世界上液晶显示已成为显示产业的重要支柱。1.1.2 光纤F-P传感器液晶显示器研究现状1 光纤传感器研究现状光纤传感器由于具有以上很多传统电子学传感器无法比拟的优势，自从上个世纪七十年代美国海军研究所(NRL)

14、开始执行光纤传感器系统(FOSS)计划以来，就得到了世界上很多国家的重视，已经取得了很大的发展。自光纤传感器被首次提出后的近四十年的时间里，光纤传感器己被用于测量温度、压力、流量、位移、振动、转动、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等上百种物理量。这些物理量分布在工业、农业、科研、国防、建筑、环境、航天航海等不同的领域。随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，国内外已开始了光纤MEMS传感技术的研究。MEMS的核心技术是微电子、微机械加工与封装技术的巧妙结合。MEMS技术制造的压力传感器体积小、功能高，并且具有频带宽和灵敏度高的特性，与集成电路工艺兼容，可批量生产，大大降低生产

15、成本，是研究和开发的热点。以硅为主要构成材料的传感元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。光纤MEMS传感器既具备MEMS传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的优点，又具备光纤传感器的各种特性，因此在压力测量上有着更为广泛的应用前景1。当前国内外市场上利用如受抑全反射式、泄漏模式、遮光式等光反射、折射原理制作的液位传感器存在易受光源和液面波动、液体密度和粘度的影响，可操作性和连续性差、检测动态范围小、准确度不高、不安全等问题，因此迫切需要一种能对液位进行高准确度、大量程、连续监测的传感器，用于满足恶劣工作条件下液位检测的需求。在各类光纤液位传感器中，基于静压测

16、量原理的压力式光纤法布里珀罗(F-P)液位传感器是一种很有发展潜力的光纤液位传感器3。光纤F-P传感器属于干涉型传感器，具有测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性，并因为只使用一根光纤就可实现传感测量而得到广泛研究。在光纤F-P传感器应用于压力检测研究中，传感探头(F-P腔)的制作是阻碍该类传感器实用化的主要瓶颈之一。随着硅、微机械加工技术的进展，利用MEMS工艺制作的光纤F-P压力传感器，易于实现集成化批量生产，从而大大降低了传感器的生产成本。为克服光纤MEMS F-P传感器的温度敏感缺点，Wang等制作了一种基于波纹膜片的光纤MEMS F-P传感器11，传感器的抗温度干扰和线性度得到一

17、定程度提高。在国内，南京师范大学王鸣等近几年一直从事基于MEMS加工技术的光纤F-P压力传感器的研究，在传感器设计理论和制作方面取得了一定进展。2 液晶显示器研究现状液晶显示器(Liquid Crystal Display)于1962年被开发出来，如今已经被广泛引用于各类电子产品。随着移动通讯、多媒体娱乐的迅猛发展，人们对视听品质的要求日益提高，液晶显示器已经从简单数字或图象的的TN LCD到多像素的彩色被动式矩阵显示(Passive MatrixDisplay)STN LCD，再发展到主动式点矩阵显示器(Active Matrix ThinFilm Transistor) TFT LCD，现

18、在TFT 液晶显示器正在大部分应用领域快速取代传统的阴极射线管(Cathode Ray Tubes)CRT。大约1971 年，液晶显示设备第一次在人类的生活中出现。这就是最初的TN-LCD扭曲阵列显示器。到八十年代初期，TN-LCD 开始被应用到电脑产品上。1984 年，欧美国家提出STN-LCD (超扭曲阵列)，同时TFT-LCD (薄膜式电晶体)技术也被提出，但技术和制程仍不够成熟。到八十年代末期，STN-LCD 开始大规模的生产。1993年，液晶显示器开始向两方面发展：一方面是朝着价格低、成本低的STN-LCD 显示器方向发展。随后又推出DSTN-LCD(双层超扭曲阵列) ；而另一方面却

19、朝向高质量的薄膜式电晶体TFT-LCD 发展，开发出HR-TFT、 D-TFD 等超级液晶显示屏。随着移动通信终端产品市场的迅速扩大，作为人机视频界面的平板显示器件显示出良好的市场前景。液晶显示器更是以其低工作电压、低功耗、显示效果好、易集成和轻巧便携等特点率先进入市场并不断拓宽其应用领域，广泛应用于手机、PDA、 手持式仪器仪表等便携式电子产品和设备中。目前的LCD 控制芯片正朝着可重用、智能型和高集成度的方向发展。皇家飞利浦电子集团新近推出了SAA6740 先进薄膜晶体管TFT -LCD 控制器，为先进薄膜晶体管TFT -LCD 控制器系列增加了一款新品。此创新半导体技术在晶体管上整合了省

20、电、低杂讯、缩减摆动差分信号(RSDS )平板接口，因此SAA6740 能减少总线连接，降低耗电率及电磁干扰(EMI )，同时使整体系统成本低于传统晶体管-晶体管逻辑(TTL) 平面显示器，另外因为SAA6740 控制器支持RSDS 界面，所以非常适用于开发更具成本效益的LCD 显示器。此外，Epson 公司在中中规模液晶图形显示控制芯片领域有三个产品系列：SED13305 系列、SED13503和SED137xx系列和SED13axx 系列。LCD 控制IC 主要供应商有欧美厂商Genesis Microchip Pixel works Sage STPhilips 等；我国台湾地区厂商有晶

21、磊半导体、创品微电子、晶捷科技、旺宏电子、凌越科技、钰创科技等。其中最主要的供应商为美商Genesis Microchip 公司，该公司在2001 年末与Sage 公司合并后，其市场占有率已高达七成左右，其中集成式控制IC的份额更在九成以上，而所有的台湾IC 厂商的出货量总规模也只占24%。 除Genesis公司外，其它厂商以台湾晶磊出货量最高，市场占有率约为10% 。中国LCD 控制IC 供应商结构与国际上整个供应商结构比较类似，Genesis Microchip 公司占有绝对份额，我国台湾地区厂商与ST、 Pixel works、 Philips 等厂商共同占有其它份额。我国台湾地区LCD

22、 显示器厂商无论是从厂商数量还是出货总量上来看，在祖国大陆LCD 显示器产业中所占比例较高，而台湾地区LCD控制IC 供应商一向与这些台资背景的显示器厂商关系较好，因此所占市场份额有所上升，为27.3%左右。这一类产品的强大市场势必促进与之相关的IC 产品的开发，设计可重用LCD控制芯片成为研发的重点。1.2 课题来源、研究内容及意义1.2.1 课题来源本课题由中国科学院合肥物质科学研究院知识创新工程青年人才领域前沿项目支助，名称压力式光纤MEMS F-P液位传感器的研究，编号：0823A13125。1.2.2 课题研究内容、创新点和解决的问题1 研究内容如下：(1) 压力式光纤MEMS F-

23、P液位传感系统设计 传感探头结构参数的优化设计 设计探头的MEMS加工工艺路线，完成探头加工与组装。 光路、光电转换、信号采集与处理部分设计与系统集成。(2) 液位监测实验研究 设计液位模拟实验装置。 调试和标定所设计的传感检测系统，改进传感器的部分技术性能。2 创新点如下：(1) 针对恶劣工作条件下的液位监测问题，提出一种具有新型探头结构的压力式光纤MEMS F-P液位传感器设计，能有效消除弹性膜非平坦性效应和探头的温度敏感性，提高了传感器的性能。(2) 提出一种双波长正交优化解调方法用于压力式光纤MEMS F-P液位传感器信号的解调，提高了系统解调精度和降低了成本。3 解决的问题：(1)

24、光纤MEMS F-P传感器的主要缺点是弹性膜的不平坦效应和探头的温度敏感性。如何解决这两个问题是本课题研究的重点之一。合理设计传感探头结构是解决这两个问题的最有效的手段，而传感探头结构必须依靠MEMS加工技术才能实现。此外F-P腔长度的加工精度也由MEMS加工技术保障。(2) 为获取高精度，MEMS F-P传感器的输出信号一般需要非常复杂的信号处理设备(光谱分析仪)进行解调，造成系统构成成本较高。因此必须采用合理的信号解调技术以降低系统成本，这也是本课题研究的重点之一。在本项目中采用双波长正交优化解调技术用以光纤液位传感器输出信号的解调，这属于强度解调方法，有效地降低了系统构成成本，并能有效消

25、除光源波动及连接器损耗等干扰。1.2.3 课题研究意义从国家战略需求分析：在石油、化工、交通、储运等部门，由于液位测量中被测介质种类繁多、介质的物理化学性质极其复杂、现场工作条件恶劣等，这对液位传感器的设计者提出了严峻的挑战。而光纤液位传感器适宜于在易燃、易爆、腐蚀和高温等恶劣的环境中使用，其完全可以满足工作条件恶劣下的液位监测的需要。且光纤传感器的高灵敏度，体积小，频带宽和易实现远距离遥控监测的优点也符合现代传感检测系统小型化、轻型化、高性能与高可靠性等要求，能够满足飞速发展的工业现代化对传感器提出的更高要求。液位传感器在工业和日常生活中有着重要而广泛的用途。在化工生产中，它可以用来计测反应

26、釜的液位平面和化学储罐内的液体平面；在冶金工业中，可以用来计测铸造生产过程中的钢包液位；在电力工业中，可以用来检测油浸式变压器中导热油的液位；在日常生活中则可用来检测大量的汽油、柴油和天然气储罐中的液位高度等。在上述液位测量场合中，现场工作环境的恶劣(腐蚀、高温、电磁干扰和易燃)对传感器的设计提出了严峻的挑战。因此，研究一种适于在上述恶劣环境中进行液位自动计量的传感器，以达到测量的及时性、准确性和高效性的目的，对于液位检测的正常实施和保障生产运行安全有着重要的意义。作为信息产业重要构成部分的显示器件正在加速推进其平板化的进程，用平板显示器代替阴极射线管显示器已成为高技术发展的必然趋势。近年来国

27、内外主要平板显示技术的发展动态以及最新成果表明，平板显示技术已经或即将占据显示技术的主流地位。其中尤以液晶显示技术目前应用最为广泛，最有市场前景。液晶显示器具有科学合理的结构，随着材料科学、光源技术及半导体工艺技术的发展而同步发展。同时，在计算机软件和网络技术的支持下，它正向着集成化、智能化和廉价化的方向发展，发展潜力非常大，发展空间也十分广阔。1.3本文主要工作本文以压力式光纤MEMS F-P液位传感器的研究项目为依托，负责其中的压力液晶显示任务。全文以单片机为核心，具体研究此项任务。主要工作：第1章、绪论，论述F-P光纤传感器和液晶显示器的研究背景、研究现状和意义，还说明了此课题的来源、技

28、术指标及预期效果等。第2章、系统硬件电路设计。介绍系统设计整体框架、芯片选型，详细论述每个模块的功能及芯片的使用方法，并对本章进行小结。第3章、系统软件设计。针对系统每个模块不同功能编写程序，通过程序流程图向大家展示软件设计方法。第4章、测试数据及结果分析。记录显示屏上的实验结果，然后将采集数据和理想数据进行分析比较，校正其中的误差，完成正确显示压力数据的任务。第5章、总结此次毕设，在设计过程中，我们学到了那些知识，并得到了哪些收获。2 硬件电路设计2.1 系统硬件设计方案系统的原理框图如图2.1所示，本次系统设计主要完成液晶显示任务，以下四个模块为硬件电路重要组成部分：1 数据采集模块;2

29、数据处理模块;3 显示辅助模块;4 人机交互模块。图2.1、系统原理框图硬件设计思路：首先，系统通过STC-TSP软件将程序烧写到单片机上，单片机上电，同时将传感器需要的指令通过串口通信发送到传感器接口，传感器接收到信号后，将实时压力信号发送到单片机的数据接收缓冲器中，单片机采集到压力数据，然后，对它进行数据计算、处理，同时，读出辅助模块中日期寄存器的数据，最后，单片机通过并口通讯发送实时数据到液晶显示模块，显示屏显示出需要的压力、日期数据。手动按键调整日期时间，电源模块为单片机提供基本电压，复位电路和时钟电路下文详细介绍。实物图如图2.2所示：图2.2、系统整体电路图2.2模块功能介绍2.2

30、.1数据处理模块STC89S52单片机的主要功能2：向传感器发送通信协议，接收传感器压力数据，对原始压力数据进行计算、处理，再把需要的压力数据在LCD显示出来。1 主要特性：与MCS-51 兼容 8K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2 单片机STC89S52有40条引脚，与其他89系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。其

31、封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式(如图2.3所示)和方形封装形式。 图2.3、双列直插封装(DIP)形式管脚说明3,4：(1) VCC：供电电压；(2) GND：接地；(3) P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。(4) P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，

32、被内部上拉为高，可用作输入；P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 (5) P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLA

33、SH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。(6) P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流,这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表2.1所示：表2.1 特殊功能口引 脚第二功能信 号 名 称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD

34、外部RAM读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。(7) RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。(8) ALE/ ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高

35、。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。(9) ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现。(10) /VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， 将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。(11) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 (12) XTAL2：来自反向振荡器的输出。复位电路：单片机在开机时或在工作中因

36、干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。AT89C51单片机的复位靠外部电路实现，信号由RESET(RST)引脚输入，高电平有效，在振荡器工作时，只要保持RST引脚高电平两个机器周期，单片机即复位。3、振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平

37、要求的宽度。4、芯片擦除：整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行3。2.2.2 数据采集模块1 光纤传感器信号采集传感系统由宽带光源、光纤耦合器、F-P探头、密集波分复用器(DWDM)、光电探测器、信号调理与采集及信号处理部分构成，如图2.4所示。宽带光源输出光经单模光纤耦合器(50:50)分光，其中一束进入F-P腔，由F-P腔返回的干涉光经DWDM产生两路相位处于正交的输出信号，然后经光电探测器与信号调理电路作相应转换处理后，用采集板

38、采集后进入处理单元进行信号解调14。图2.4、压力式光纤MEMS F-P液位传感系统总体设计框图Fabry-Perot液位传感器液体内的压强与深度的关系5为：P=R+pgh 式中：R标准大气压强p(rou)液体密度g重力加速度,约为9.8米每二次方秒h液体的深度P液体内深度为h处的压强。当液体的密度p一定时，将传感器置于容器底部，通过检测该位置的压强，就可以得知该容器内液位的高度。将弹性薄片材料作为F-P腔的一个端面，当压强作用在F-P腔的这个端面上，该端面会产生弹性形变，形变大小与此端面受到的压强差有关。弹性薄片的变形将使F-P腔上下两个反射面间距改变，即F-P腔的腔长发生改变。当相干光入射

39、到F-P腔后，反射回的输出光由于腔长的改变使得输出的干涉光强度发生相应变化，测量输出光能量就可得到相关压强大小，即可计算得到液位的高度。传感器头结构如图2.5所示。图2.5、光纤F-P液位传感器结构2 串口通信串行通信是指通讯的发送方和接受方之间的数据信息的传输是指单根数据线上，以每次一个二进制为移动的，它的优点是只需要一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信；它的缺点是传送速度低。串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间是比较常用的传送方式在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行

40、帧的数据格式由一位起始位，5-8位的数据位，一位奇偶校验位(可省略)和一位停止位四部分组成在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率(通信协议)由于89S52单片机与传感器是通过异步通讯口进行接口的，单片机的异步通讯口采用的是标准TTL正逻辑电平：即逻辑“l”为高电平3.8 V左右，逻辑“0”为低电平0.3V左右；传感器异步通讯口采用的是RS-232C串口总线标准，RS-232C是美国电子工业协会(EIA)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线该标准适用于DCE和DTE间的串行二进制通信最高数据传送速率可达19.2kbps，最长传送电缆可达15米RS-232C标准定义了2

41、5根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GNDRS-232C标准的电平采用负逻辑规定+3V+15v之间的任意电平为逻辑“0” 电平， -3V-15V之间的任意电平为逻辑1电平，与TTL不同,所以在通信时 必须进行TTLRS232电平转换 以便与RS-232C标准的电平匹配电平转换用到的芯片为MC14488和MC 14489(配对使用)，ICL232，MAX232,本例采用MAX232芯片，该芯片采用单一的+5V供电，外围电路简单，运行可靠。如表2.2所示，RS-232C 的逻辑电平与TTL 的逻辑电平比较。表2.2 RS-232C的逻辑电平与TTL 的逻辑电平

42、比较逻辑电平逻辑电平“0”逻辑电平“1”RS-232C+5V+15V -5V-15VTTL+0.4V+2.4VMAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源RS232发送接收器。它内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5v电源变换成RS一232C输出电平所需10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V 电源就可以。MAX232外围需要4个电解电容C1、C2、C3 、C4，是内部电源转换所需电容，其取值均为0.1uf，宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片。RS-232串口有9针和25针，现选用9针串口(DB9)，引脚功能如图表2.3所示： 表2.3 串口(BD9)引脚说明针号1

43、23456789功能数据载波检测接收发送数据终端准备信号地数据设备准备请求清除振铃说明数据数据发送发送指示缩写DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTSDELLMAX232接口的硬件电路图如图2.6所示。现选用一路发送/接收。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路,两个串口公用一个转换芯片，注意：应用时两端口不能同时连接。DB9(2)用于从烧写程序到单片机内部，它的TXD接到单片机的RXD端，通过MAX232的第二路通道转换为TTL电平，它的RXD接到单片机的TXD端，通过MAX232的第二路通道转换为串口电平。DB(1)用于接收指令，并发送数据，它的TXD接到单片机的TX

44、D端，RXD接到单片机的RXD端。图2.6 MAX232接口的硬件电路图2.2.3 显示辅助模块在液晶显示压力值时，同时需要显示它的日期数据，方便人们观看，所以要选择一种时钟芯片。现在流行的串行时钟芯片很多，如DSl302、DSl307、PcF8485等。这些芯片接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟芯片为DSl302，它不仅完成计时功能，而且能对时钟芯片备份电池进行涓流充电和临时存储数据该芯片具有体积小、功耗低、电路简单、接口容易、占用CPU的I0口线少等特点DS1302芯片是美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片，它采用串行通信方式，只需3条线便可以和单片机通

45、信，并且其片内均含RAM，可增加系统的RAM，DS1302的时钟校准比较容易，若采用专用的晶体振荡器，几乎无须调整即可以达到国家要求的时钟误差标准。DS1302有两个电源输入端，其中的一个用来做备用电源，这样避免了由于突然停电而造成时钟停止，因此它非常适合于长时间无人职守的监测控制系统或需经常记录某些具有特殊意义的数据及对应时间的场合。DS1302提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，并可通过AMPM指示决定采用24或12小时格式7。表2.7 DS1302引脚排列1 DSl302芯片为8引脚小型DIP封装，引脚如图2.7所示，各引脚说明：X1、X2：为外接3

46、2768KHz晶振引脚芯片内部集成6pF电容DS1302也可接受外部32768KHz振荡信号，此时Xl脚为外部振荡信号输入脚，X2脚悬空，为芯片提供计时脉冲。GND：电源地。RST：复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：(1)，RST接通控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器：(2)，RST提供了终止单字节或多字节数据的传送手段。该引脚芯片内部集成一个40K下拉电阻。I/O：数据输入、输出引脚。SCLK：串行时钟输入，该引脚芯片内部集成一个40K下拉电阻VCC1、VCC2：主电源与后备电源引脚。VCCl为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭

47、的情况下，也能保持时钟的连续运行。DSl302由VCCl或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCCl+02V时，VCC2给DSl302供电。当VCC2小于VCC1时，DSl302由VCC1供电。2 DS1302功能：命令字节每次数据传输由命令字节开始，MSB(位7)必须是逻辑l，若该位是0，则禁止操作DS1302，位6为0时选择实时时钟日历数据，位6为l时选择RAM数据，位5位1选择操作的寄存器，LSB(位0)选择写操作(逻辑0)或读操作(逻辑1)，命令字节总是从最低位开始输出，DS1302控制字节如图2.8。 图2.8 DS1302控制字节的含义复位和时钟控制数据传输的启动是由RST

48、置为高电平开始的，RST启动控制逻辑，允许地址命令序列送入移位寄存器，一个时钟周期是一个下降沿紧跟一个上升沿，数据输入的时候，在时钟上升沿数据必须有效：如果RST变低，所有数据传送即被终止，IO引脚到一个高阻状态。在电源上电过程中，RST必须保持逻辑0，直到VCC大于20V，在RST由0变1的过程中，SCLK必须是逻辑0。写保护位控制寄存器的第7位是写保护位。前7位(第06位)强制为0，读时总为0。在对时钟或RAM读操作之前，第7位必须是0。当为l时，写保护位阻止对任何其他寄存器的写操作。初始的上电状态未被设置。因此，写保护位应该在试图写入器件之前清零。时钟中断标志秒寄存器的第7位定义为时钟中

49、断标志位。当这一位设为1时，时钟振荡器停止，DS1302被设置为低功耗待机模式，具有一个小于100 nA的漏电流。当这一位写成0时，时钟启动。初始的上电状态未被设置。表2.4 日历、时钟寄存器及其控制字DS1302的寄存器DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表2.4。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态

50、为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM 的31个字节，命令控制字为FEH (写)、FFH(读)。DS1302与89S52单片机的接口电路如图2.9所示，在电路中，89S52单片机的P3.5 作为时钟芯片SLCK控制端，P3.6与数据输入/输出口相连接，P3.7控制DS1302复位输入端。单片机控制端口先向DS1302时钟芯片的日期寄存器中写入初始值，然后，读取寄存器中的日期数据，如果日期错误，可以用K1、K2按键配合使用，调节时间。图2.9 DS1302与单片机的接口电路图2.2.4 人机

51、交互模块此模块的液晶显示屏采用ST7920，它是台湾矽创电子公司生产的一款优秀的中文图形控制芯片，可以显示字母、数字符号、中文字型及自定义图块显示，此外，为了适应多种微处理器与单片机连接需求，该模块还可提供4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口，利用上述特性方便实现文字与图形混合显示、画面清除、光标归位、显示开关、光标显示隐藏、显示字体闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、休眠模式等功能8。图2.10 ST7920封装图 ST7920封装图(如图2.10所示)及引脚说明如表2.5所示。表2.5 引脚说明管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V

52、电源正3V0对比度(亮度)调整4RS(CS)H/LRS=“H”,表示DB7-DB0为显示数据5R/W(SID)H/LRS=“L”,表示DB7-DB0为显示指令数据R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7-DB06E(SCLK)H/L R/W=“L”,E=“HL”,DB7-DB0的数据被写到IR或DR 使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH:8位或4位并口方式，L：串口方式16NC空脚17/RESETH/

53、L复位端，低电平有效18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端(+5V)20KVSS背光源负端ST7920模块内部有一个指令寄存器，其指令可分为基本指令集和扩充指令集基本指令集是用来初始化液晶屏和实现基本功能的控制，而扩充指令集主要用来绘图的。每一个指令的长度都为8位。16x8点阵的ASCII字符代码也是8位。但是1616点阵中文字符的代码为16位。必须分为两次传送，先传送高8位，再传送低8位。当ST7920在接收指令前，MCU必须先确认ST7920处于空闲状态。即读取BF=O，才能接收新的指令；如果在送出一条指令前不检查BF状态，则需要延时一段时间，确保上一条指令执行完毕。ST7

54、920与单片机连接的方式非常灵活，分为串行和并行两种方式。并行接口复杂，但编程简单，访问速度快；串行接口简单，但编程复杂。并行连接方法又分为并口直接访问、并口间接访问和4位并口访问。本文采用并口之间访问方式。接线图如图2.11所示，89S52单片机P0端口接ST7920数据引脚DB0DB7，P2.0、 P2.1、P2.2分别接ST7920的RS、R/W、E.将ST7920视为单片机的外部数据存储器进行传输数据。单片机先给ST7920初始化，屏幕进行参数设置，然后写入命令字，确定显示的位置，通过并口传输显示需要显示的数据。图2.11 ST7920与单片机接口电路图2.3 本章小结首先，本章对系统

55、设计整体框架进行阐述，展示系统的电路接线图，解释了硬件设计的基本原理，使大家对整体设计方案有了初步了解；然后，针对系统的各个模块功能进行详细介绍、分析，每个模块的芯片选择依据和它们的使用方法、引脚功能向大家具体讲解；最后，把每个模块之间的电路接线图正确描述，使我们对每个模块的功能有一个从整体到局部的认识。 3 系统软件设计3.1 软件设计思路 图3.1 系统软件设计模块框图以单片机为核心，通过程序设计流程，先设计主程序，然后调用各个子程序功能，实现显示的目的，系统框图如图3.1所示,系统程序见附录A所示。 整体设计步骤：1 单片机和传感器的串口通讯协议进行设定，保证数据正确发送/接收，再对液晶

56、显示屏参数设置；2 传感器指令发送和接收，对接收到的数据进行处理；3 读取日期数据；4 将压力和日期数据在液晶屏上显示出。主程序功能设计：首先，定义端口变量、自变量，并部分变量赋值；然后，调用串口初始化和LCD初始化子程序，设置时钟初始时间。再向传感器发送通信协议指令，调用显示子程序，确定显示位置及固定数据。然后读取日期数据，并显示，查看串口中断标志位是否置1，如果是，则向下进行；如果是0，则等待中断。有中断信号后，查看是否有14次中断，因为信号以14个字符为周期循环接收。接收结束后，历遍接收数据，以-为标志，找到它后，将其后面连续6个字符提取出来，通过调用字符转浮点型子函数，这些字符转换为数

57、字，进行计算，目的是单位转换，然后，再将处理后的数据转换为字符型，则可以显示出需要的压力数据。最后，返回到读取日期子程序前，为了实时改变日期数值和压力数据并稳定显示数据，主程序流程图如图3.2所示。 3.2 主程序流程图3.2 子程序设计3.2.1 数据采集设计软件需要解决的是设定单片机串行口初始化及发送/接收数据，串行口初始化设置单片机和传感器的通信协议相一致，包括单片机串口工作模式、串口中断、波特率设定、奇偶校验位、停止位等。本次设计，以单片机为主机，向传感器串口发送/接收数据，具体的通信协议13如下：信息帧格式：1位起始位，8位数据位，1位停止位； 校验方式：采用无校验方式；传送方式：单

58、片机机采用串口发送传感器需要的指令，设定传感器参数，然后，采用中断方式接收传感器返回的压力数据。单片机的数据通信由串行口完成，定时器T1作为波特率发生器，设置为工作模式2，其波特率要与传感器的一致，9600bps。数据的传送格式为1位起始位、8位数据位和1位停止位。串口设置为工作模式1，采用串口中断方式接收数据，由第9位判断停止。1 串行口的控制与状态寄存器9串行口控制寄存器SCON ：它用于定义串行口的工作方式及实施接收和发送控制。字节地址为98H，其各位定义如表3.1：表3.1SCON寄存器结构SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH9

59、9H98HSM2：多机通讯控制位。REN：接收允许控制位。由软件置位以允许接收，又由软件清0来禁止接收。TB8: 是要发送数据的第9位。RB8：接收到的数据的第9位。TI：发送中断标志。RI：接收中断标志位。串行口发送中断标志TI 和接收中断标志RI，共为一个中断源，因此，CPU 接收到中断请求后，无法判断是发送中断TI 还是接收中断RI，必须由软件来判断。单片机复位后，控制寄存器SCON的各位均清零。这里重点叙述编程时用到的EA和ES两位，EA是CPU的中断开放标志位，EA=1，CPU开放中断，EA=0，CPU屏蔽所有的中断申请；ES为串行中断允许控制位，ES=1，允许串行中断，ES=0，禁

60、止串行中断。其结构格式如表3.2：表3.2 IE中断允许控制寄存器结构位符号EA-ESET1EX1ET0EX0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H2 波特率(1) 波特率的设置要实现串行通信，双方的波特率必须一致。传感器串行通信的波特率参数通常为一些标准的参数，可直接使用。因此实现单片机和传感器的串行通信时，选择单片机串行通信的波特率至关重要。传感器波特率默认值为9600kbps。波特率根据串行口的工作方式不同而不同：1) 方式0的波特率方式0的波特率是固定不变的，为振荡频率的1/12，不受PCON寄存器中SMOD的影响，用公式表示为：工作方式0的波特率 (3.1) 2) 方

61、式2的波特率方式2的波特率取决于PCON寄存器中的SMOD 位的值。SMOD1，波特率为 的1/64，用公式表示为：工作方式2的波特率 (3.2)3) 方式1和方式3的波特率方式1和方式工3的波特率由定时器T1 的溢出速率与寄存器PCON 中的SMOD 位的值同时决定。用公式表示为：工作方式1、方式3的波特率 (3.3)其中：T1的溢出速度取决于T1 的计数速率(在定时方式时，计数速率)和T1 的预置初值。定时器T1 作波特率发生器时，通常选用T1工作在方式2定时方式，此时，T1的计数速率为(应禁止T1中断)。设定时器T1的初值为X，则每个“256X”个机器周期，T1 产生一次溢出，用公式表示为：T1的溢出速率 (3.4)当给出波特率后，可用下试计算出T1 工作方式2 的初始值为： (3.5)3 传感器通信协议根据 FTI-OEM用户手册，详见附录B，传感器串口连接参数设定值为：1、波特率：9600 ；2、奇偶校验位：0；3、数据位：8；停止位：1。串口通信采用9引脚，RS-232形式，它的远程控制指令必须