遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)士學(xué)位論文

xx學(xué)院

HUIZHOU UNIVERSITY

畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）

中文題目：

遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

英文題目：

The Design And Implementation of The Remote

Pressure Detection System

姓 名

學(xué) 號

專業(yè)班級10電氣工程及其自動(dòng)化1班

指導(dǎo)教師 講師

提交日期 2014年5 月11 日

遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者: 專業(yè)班級: 10電氣(1)班

指導(dǎo)老師: 職稱: 講師

(惠州學(xué)院電子科學(xué)系, 廣東, 惠州, 516007)

摘要

遠(yuǎn)程通信技術(shù)是現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)智能化的重要技術(shù)之一，在未來具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展的

空間。而壓力測量技術(shù)在軍事，工業(yè)，生活中隨處可見，占據(jù)著不可忽視的地位。因此，

將壓力測量技術(shù)與遠(yuǎn)程通信技術(shù)相結(jié)合成的遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的研究價(jià)值。

本文介紹了基于STC89C51單片機(jī)的一種遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)。采用壓力傳感器以及遠(yuǎn)程

通信模塊，利用Labview這一個(gè)基于圖形化的編程語言的虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境，將在

下位機(jī)測量的壓力值遠(yuǎn)程的在上位機(jī)實(shí)時(shí)的顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力的監(jiān)測。其具

有系統(tǒng)簡單，靈活性高，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

壓力監(jiān)測 遠(yuǎn)程 Labview 單片機(jī)

The design and imjplementation of the remote pressure detection

system

Author: Chen Pingyang Professional class: 10 Electrical Engineering and Automation class (1)

Instructor: Xie Heng Title: Lecture

(Huizhou University, Department of Electronic Science, Guangdong, Huizhou, 516007)

Abstract

Remote communication technology is an important technology of the modern intelligent,

has broad application and development space in the future. The pressure measurement

technology in military, industrial, life everywhere, occupy the position can not be ignored.

Therefore, the pressure measurement technology and telecommunications technology

combined into a remote pressure monitoring system has important rearch value.

This paper describes a remote pressure monitoring system bad on SCM STC90C51.

Using pressure nsors and remote communications module, this one bad on the u of

Labview graphical programming language integrated development environment of virtual

instrument, will be displayed in real time on a remote host computer the next bit machine

pressure values measured, enabling remote monitoring of pressure. It has a system of simple,

high flexibility, good real-time characteristics.

Keywords

: Pressure Monitoring Remote Labview SCM

目錄

第一章 緒論 .............................................................................................................................. 1

1.1 本課題的提出及意義 .................................................................................................. 1

1.2 研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................................... 1

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) .................................................................................................... 1

1.2.2 虛擬儀器 ............................................................................................................ 2

1.2.3 無線通信 ............................................................................................................ 3

1.3 本課題的研究內(nèi)容 ...................................................................................................... 3

第二章 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .................................................................................................. 5

2.1 硬件設(shè)計(jì)的整體方案 .................................................................................................. 5

2.2 器件的選擇 .................................................................................................................. 5

2.2.1 處理器 ................................................................................................................ 5

2.2.2 傳感器 ................................................................................................................ 6

2.2.3 AD轉(zhuǎn)換芯片 ................................................................................................... 7

2.2.4 無線模塊 ............................................................................................................ 9

第三章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................ 11

3.1 軟件的整體設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................ 11

3.2下位機(jī)編程 ................................................................................................................. 11

3.2.1下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境——Keil C51簡介 ....................................................... 11

3.2.2 編程思路和整體流程 ...................................................................................... 12

3.3 上位機(jī)編程 ................................................................................................................ 14

3.3.1 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境——LabVIEW簡介 .................................................... 14

3.3.2編程思路和流程 ............................................................................................... 14

第四章 遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試 ............................................................................................ 18

4.1 調(diào)試過程 .................................................................................................................... 18

4.2 調(diào)試結(jié)果 .................................................................................................................... 20

結(jié)論 .......................................................................................................................................... 21

致謝 .......................................................................................................................................... 22

參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 23

附錄1： 單片機(jī)程序 ............................................................................................................. 24

附錄2：Labview程序 ............................................................................................................ 27

第一章 緒論

1.1 本課題的提出及意義

遠(yuǎn)程通信技術(shù)是現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)智能化的重要技術(shù)之一，在未來具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空

間。而壓力測量技術(shù)在軍事，工業(yè)，生活中隨處可見，占據(jù)著不可忽視的地位。因此，

將壓力測量技術(shù)與遠(yuǎn)程通信技術(shù)相結(jié)合成的遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的研究價(jià)值。

在前端的壓力采集方面，參考電子秤的原理，采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器。

具有精度高，易加工，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，偏載能力強(qiáng)，固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)。采集信號與pc

的通訊主要利用各種不同類型的數(shù)據(jù)采集卡，這樣的好處是直接利用采集卡的完整功

能，缺點(diǎn)是采集卡價(jià)格較昂貴。本課題利用單片機(jī)，采用目前廣泛一個(gè)用的簡單的串口

通訊接口與無線模塊傳送采集到的數(shù)據(jù)，由于價(jià)格便宜，接口簡單方便，在一些小型系

統(tǒng)和低速系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。

因此，本課題運(yùn)用單片機(jī)，壓力傳感器以及遠(yuǎn)程模塊，利用Labview這一個(gè)基于圖

形化的編程語言的虛擬儀器集成開發(fā)環(huán)境，將在下位機(jī)測量的壓力值遠(yuǎn)程的在上位機(jī)實(shí)

時(shí)的顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測。其具有系統(tǒng)簡單，靈活性高，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

1.2 研究現(xiàn)狀

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本概念：

隨著計(jì)算機(jī)、微型機(jī)及信息技術(shù)的告訴發(fā)展，數(shù)據(jù)采集及過稱控制變得越來越重要。

為了把需要處理的信息輸入給計(jì)算機(jī)，把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果輸出到所需要的場所，就需

要一系列輸入、輸出設(shè)備(計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備)來完成信息的調(diào)理、采樣、A/D、D/A、轉(zhuǎn)換、

打印、顯示等工作。這些處理信息的輸入輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)一起就構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系

統(tǒng)DAS（Data Acquisition System）。

DAS的組成部分：

一般的，一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括六個(gè)組成部分：

1

(1) 傳感器 將非電量（如壓力、流量、溫度、位移等）變成電信號。

(2) 信號調(diào)理開關(guān) 信號調(diào)理電路的主要功能包括信號的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化。

(3) 多路模擬開關(guān) 使多路被測信號共享一路A/D。

(4) 采樣保持電路（S/H） 獲取輸入信號并在其后A/D轉(zhuǎn)換期間使信號保持不變。

(5) A/D轉(zhuǎn)換電路（ADC）DAS的核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器。

(6) 計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備 一半次啊用工控機(jī)及打印機(jī)、繪圖儀等，用于將采集處理

后的數(shù)據(jù)打印或顯示出來（報(bào)表、曲線等）

DAS的應(yīng)用：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)過稱控制、遙測控制、計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)等領(lǐng)域，以及各種

智能儀表、測試一起和各類家用電器、民用電子產(chǎn)品等。

1.2.2 虛擬儀器

1 虛擬儀器的概念

所謂虛擬儀器，就是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件和通用

計(jì)算機(jī)支持下，通過軟件來實(shí)現(xiàn)儀器的部分或全部功能。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、

儀器技術(shù)及其它新技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。

2 虛擬儀器的組成

虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。其硬件系統(tǒng)又可以分成計(jì)算機(jī)硬件平臺和接口

硬件兩部分；而軟件系統(tǒng)有驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件兩部分組成。計(jì)算機(jī)管理著虛擬儀器的

軟、硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。接口硬件根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)接口總線轉(zhuǎn)換輸入或

輸出信號，供其它系統(tǒng)使用。按照接口標(biāo)準(zhǔn)不同，常用接口硬件可分為DAQ、VXI、PXI、

和GPIB四種，其中DAQ應(yīng)用最為廣泛。

虛擬儀器最核心的思想，就是利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，使本來需要硬件或電路實(shí)現(xiàn)的

技術(shù)軟件化和虛擬化，最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。虛擬儀器

的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

2

圖1.1 虛擬儀器的組成

3 虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用

虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，

且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它已廣泛應(yīng)用于測控系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面，廣泛

應(yīng)用于航天航空、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等各種行業(yè)。

1.2.3 無線通信

1 定義：

透過無線傳輸?shù)姆绞剑屔暇W(wǎng)，看電視，或收取各項(xiàng)影音、數(shù)據(jù)資料等活動(dòng)，不再

受到空間的限制。

事實(shí)上，這種技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，如一般常見的無線電話耳機(jī)、無線資訊家

電等，甚至在安全產(chǎn)業(yè)里，也不乏無線應(yīng)用產(chǎn)品；而發(fā)展趨勢多元的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)

(CCTV)產(chǎn)業(yè)，隨著無線傳輸技術(shù)的不斷演進(jìn)，其無線產(chǎn)品的功能與特性也不斷翻新；可

見，無線傳輸技術(shù)對于無線電視監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其不可忽視的重要性。

2 分類：

目前的短距無線可簡單分類為紅外線、IEEE802.11、藍(lán)牙以及HomeRF等四項(xiàng)技術(shù)。

1.3 本課題的研究內(nèi)容

本課題研究的基本內(nèi)容：

(1) 硬件器件的選擇

3

(2) 單片機(jī)與傳感器，遠(yuǎn)程模塊以及PC通訊的編程

(3) Labview程序編程與界面設(shè)計(jì)

(4) 系統(tǒng)的功能調(diào)試

整體的思路：本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)和無線模塊相結(jié)合，配合Labview實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測功能，壓力傳感器采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器，通過單片機(jī)與

壓力傳感器采集并讀取數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后接收并且通過Labview編程

平臺在上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)壓力值，構(gòu)成一個(gè)完整的壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

本章簡述了本課題的研究原因，意義，以及整體的思想和方法，接著簡要的對本設(shè)

計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)的概念、組成、應(yīng)用做了介紹，這些內(nèi)容有助于我們對本課題的研究，從宏

觀的角度對本設(shè)計(jì)進(jìn)行把握。

第二章 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)的整體方案

本設(shè)計(jì)使用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器采集壓力值，得到壓力值所代表的模

擬量再通過HX711芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換得到壓力值所對應(yīng)的數(shù)字量，然后將STC89C51單片

機(jī)作為主控制芯片，在其內(nèi)部進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換得到實(shí)際的壓力值。通過串口與主藍(lán)牙模塊

的配合發(fā)送至上位機(jī)的藍(lán)牙模塊從機(jī)部分，接收后，上位機(jī)的顯示部分，采用顯示界面

開發(fā)平臺LabVIEW，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析，界面設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力監(jiān)

測的功能。硬件系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。

壓力監(jiān)測對象 雙孔懸臂平行梁應(yīng)

變式壓力傳感器

AD轉(zhuǎn)換

STC89C51

pc機(jī)顯示 無線通訊

ttl轉(zhuǎn)usb串口

圖2.1 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 器件的選擇

2.2.1 處理器

本設(shè)計(jì)采用了STC89C51單片機(jī)，以下介紹該款單片機(jī)的主要性能參數(shù)。

(1) 與MCS.51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容

(2) 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲器

(3) 1000次擦寫周期

(4) 4.0 - 5.5v的工作電壓范圍

(5) 全靜態(tài)工作模式：0Hz - 33MHz

5

(6) 三級程序加密鎖

(7) 128ｘ8字節(jié)內(nèi)部RAM

(8) 32個(gè)可編程I/O口線

(9) 2個(gè)16位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器

(10) 6個(gè)中斷源

(11) 全雙工串行UART通道

(12) 低功耗空閑和掉電模式

(13) 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)

(14) 看門狗(wDT)及雙數(shù)據(jù)指針

STC89C51芯片管腳如圖2.2。

圖2.2 STC89C51 最小系統(tǒng)

2.2.2 傳感器

本設(shè)計(jì)采用了雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器。

工作原理：

應(yīng)變式力傳感器的受力工作原理如圖2.3所示。將應(yīng)變片粘貼到受力的力敏型彈性

元件上，當(dāng)彈性元件受力產(chǎn)生形變時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，轉(zhuǎn)化成電阻變化。將應(yīng)

變片接成如圖2.4所示的電橋，力引起的電阻變化將轉(zhuǎn)化為測量電路的

6

電壓變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值，再通過轉(zhuǎn)換即可得到所受的壓力。

圖2.3 應(yīng)變式力傳感器的受力工作原理 圖2.4 壓力傳感器的接線圖

雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器參數(shù)如表2-1所示。

表2-1 雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器參數(shù)

量程(kg) 5

綜合誤差(%F.S) 0.05 額定輸出溫度漂移 ≤0.15

靈敏度(mv/v) 1.0±0.1 零點(diǎn)輸出(mV/V) ±0.1

非線性(%F.S) 0.05 輸入電阻(Ω) 1000±50

重復(fù)性(%F.S) 0.05 輸出電阻(Ω) 1000±50

滯后(%F.S/3min) 0.05 絕緣電阻(MΩ)

蠕變(%F.S/3min) 0.05 勵(lì)磁電壓(V) 3 ~ 12

零點(diǎn)漂移(%F.S/1min) 0.05 工作溫度范圍(℃) -10 ~ +50

零點(diǎn)溫度漂移(%F.S/10℃) 0.2 過載能力(%F.S) 150

2.2.3 AD轉(zhuǎn)換芯片

(%F.S/10℃)

≥2000(100VDC)

本設(shè)計(jì)采用了24位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片HX711.

1 簡介：

HX711采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子稱而設(shè)計(jì)的24

位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振

蕩器等其他同類型所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性能強(qiáng)等特

點(diǎn)。降低了電子稱的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

7

特點(diǎn)：

(1) 兩路可選擇差分輸入

(2) 片內(nèi)低噪聲編程放大器，可選增益為32，64，128

(3) 片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器提供電源

(4) 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無需任何外接器件，必要時(shí)也可以用外接晶振或時(shí)鐘

(5) 上電自動(dòng)復(fù)位電路

(6) 簡單的數(shù)字控制和串口通訊，所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無需編程

(7) 可選擇10Hz或80Hz的輸出數(shù)據(jù)速率

(8) 同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾

1 HX711芯片的串口通信

串口通訊線由管腳PD_SCK和DOUT組成，用來輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。當(dāng)

數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時(shí)，表明A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘

輸入信號PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應(yīng)輸入25至27

個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖（圖二）。其中第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的最高

位（MSB），直至第24個(gè)時(shí)鐘脈沖完成，24位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。

第25至27個(gè)時(shí)鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益，如表2-2所示。

表2-2 輸入通道和增益選擇

PD_SCK脈沖數(shù) 輸入通道 增益

25 A 128

26 B 32

27 A 64

PD_SCK的輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)不應(yīng)少于25或多于27，否則會(huì)造成串口通訊錯(cuò)誤。當(dāng)A/D

轉(zhuǎn)換器的輸入通道或增益改變時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器需要4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期才能穩(wěn)定。DOUT在

4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期后才會(huì)從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)。

8

其接線方式如圖2.5所示：

圖2.5 HX711的接線方式

2.2.4 無線模塊

目前無線傳輸可簡單分類為紅外線、IEEE802.11、藍(lán)牙以及HomeRF等四項(xiàng)技術(shù)：

1 紅外線(Infared)

這是利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)視距傳輸?shù)募夹g(shù)，它是在 1993年由紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)

會(huì)制訂的。目前紅外線的傳送速率最高為16Mbps，接收角度120度。紅外傳輸設(shè)備體積

小，功耗低，技術(shù)成熟，進(jìn)入市場早，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。但紅外線的最大缺點(diǎn)是只

能進(jìn)行視距傳輸，即通信設(shè)備中間不能存在阻擋物，從而把紅外線應(yīng)用限制在特定領(lǐng)域

之內(nèi)。

2 IEEE802.11

IEEE802.11系列這是 IEEE（Institute for Electrical and Electronic

Engineers電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）制定的無線局域 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，用于解決辦公室局域網(wǎng)和

校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入。目前最為常見的是802.11b無線局域網(wǎng)，

它使用開放的2.4GHZ微波頻 段，最高速率為11Mbps；在惡劣環(huán)境下，可動(dòng)態(tài)切換到較

低的速率上以保證通信。在辦公環(huán)境下作用范圍約100米，在室外可以達(dá)到300米。另

一種 802.11a無線局域網(wǎng)工作在5G的頻段上，速率可達(dá)到54Mbps，但設(shè)備昂貴，應(yīng)用

較少。

9

3 藍(lán)牙(Bluetooth)

藍(lán)牙是一種開放性的短距無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它主要應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備間的小范圍連

接，因而本質(zhì)上是一種代替線纜的技術(shù)。藍(lán)牙也使用2.4G頻段，采用快跳頻技術(shù)進(jìn)行

通信，因而具有較高的抗干擾能力和安全性能。藍(lán)牙技術(shù)可以支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音傳輸，最

高速率為1Mbps，其作用范圍視微波發(fā)射功率而定：0dbm的功率的作用距離為10米，

20dbm的功率作用距離為 100米。與802.11系列局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式不同，藍(lán)牙技術(shù)支

持一種靈活的組網(wǎng)方式。即通過無線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備組織成微微網(wǎng)（pico—net），

多個(gè)微微網(wǎng)之間又可以互連成為分散網(wǎng)（Scatter－net）。同時(shí)，藍(lán)牙也是唯一能夠嵌

入在手機(jī)中的短距離全向射頻通信技術(shù)。

4 HomeRF

這是由HomeRF工作組開發(fā)的，目標(biāo)是在家庭范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與其他設(shè)備間的

無線通信，HomeRF是IEEE802.11與DECT的結(jié)合，作用距離為100米，傳輸速率為1～

2Mbps，支持流媒體傳輸，在抗干擾能力上略有不足。然而HomeRF技術(shù)沒有公開，目前

僅有為數(shù)很少的企業(yè)支持，因此應(yīng)用前景并不廣泛。

綜合上面四種無線通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，基于本設(shè)計(jì)需要一種短距離、低功率、低成

本的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)不存在穿透性問題，因此本設(shè)計(jì)的無線通信方式選擇了HC-05

藍(lán)牙模塊。

10

第三章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)利用Keil C51和LabVIEW編程軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)測壓顯示功能。系統(tǒng)主要

分兩部分程序，Keil C51編寫單片機(jī)讀取壓力值并通過串口傳送壓力值程序；LabVIEW

編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和直觀界面顯示程序。系統(tǒng)的流程圖如圖3.1所示。

開始

串口初始化

單片機(jī)讀取傳感器

并轉(zhuǎn)化成壓力值

串口發(fā)送數(shù)據(jù)

接收數(shù)據(jù)并通過

LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)

處理和顯示

圖3.1 系統(tǒng)流程圖

3.2下位機(jī)編程

3.2.1下位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境——Keil C51簡介

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)需要在特定的編譯器中進(jìn)行。編譯器完成對程序的編譯、連接等

11

工作，并最終生成可執(zhí)行文件。對于單片機(jī)程序的開發(fā)，一般采用Keil公司的uVison

系列的集成開發(fā)環(huán)境。

Keil uVison3是集成的可視化Windows操作界面，其提供了豐富的庫函數(shù)和各種編

譯工具，能夠?qū)?/span>51系列單片機(jī)以及和51系列兼容的絕大部分類型的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Keil uVison系列可以支持單片機(jī)C51程序設(shè)計(jì)語言，也可以直接進(jìn)行匯編語言的設(shè)計(jì)

與編譯。Keil uVison系列是一個(gè)非常優(yōu)秀的編譯器，受到廣大單片機(jī)設(shè)計(jì)者的廣泛使

用。其主要特點(diǎn)如下：

(1) 支持匯編語言、C51語言等多種單片機(jī)設(shè)計(jì)語言

(2) 可視化的文件管理，界面友好

(3) 支持豐富的產(chǎn)品線，除了51及其兼容內(nèi)核的單片機(jī)外，還新增加了對ARM

內(nèi)核產(chǎn)品的支持；且內(nèi)嵌RTX-51實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)

(4) 具有完善的編譯連接工具；具有豐富的仿真調(diào)試功能，可以仿真串口、并口、

A/D、D/A、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及中斷等資源，同時(shí)也可以和外部仿真器聯(lián)合進(jìn)行在線調(diào)

試；支持多級代碼優(yōu)化

3.2.2 編程思路和整體流程

1 單片機(jī)壓力傳感器的信號采集

壓力的采集是通過雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器對不同壓力的應(yīng)變產(chǎn)生不同

的電阻值，從而輸出對應(yīng)的模擬量電壓值，對于本設(shè)計(jì)所用的傳感器，滿兩成輸出電壓

= 激勵(lì)電壓×靈敏度1.0mV/V，例如：供電電壓是5V乘以靈敏度1.0mV/V等于滿量程

5mV。相當(dāng)于有50N的重力的時(shí)候產(chǎn)生5mV的電壓。通過24位AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬量電

壓值處理成數(shù)字量，模塊A通道帶有128倍信號增益，可以將5mV的電壓放大128倍,

然后采樣輸出24bitAD轉(zhuǎn)換的值，單片機(jī)通過指定時(shí)序?qū)?/span>24bit數(shù)據(jù)讀出再經(jīng)過處理還

原成實(shí)際的壓力值。

測壓的原理：

(1) 計(jì)算傳感器的供電電壓

HX711可以產(chǎn)生V和A電壓，即模塊上的E+和E-電壓。該電壓通過

AVDDGND

V=V(R1+R2)/R2計(jì)算。

AVDDBG

12

V為模塊基準(zhǔn)電壓1.25V ，R1=20k，R2=8.2k ， 因此得出V = 4.3V

BGAVDD

(2) AD輸出的最大值

在4.3v的供電電壓下50N的傳感器最大輸出電壓是：4.3V× 1mV/V = 4.3mV

經(jīng)過128倍放大后，最大電壓：4.3mV × 128 = 550.4mV，

經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后輸出的24bit數(shù)字值最大：550.4mV×2/4.3V ≈ 2147483

24

(3) 程序中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

程序中通過 HX711_Buffer = HX711_Read（）; 獲取當(dāng)前采樣的AD值，最大2147483，

存放在long型變量HX711_Buffer中，因long型變量計(jì)算速率和存放空間占用資源太

多，固除以100，縮放為int型，便于后面的計(jì)算。

Weight_Shiwu = HX711_Buffer/100; Weight_Shiwu 最大為21474

(4) 將AD值反向轉(zhuǎn)化為重力值

假設(shè)重力為Akg，( x＜5kg )，測量出來的AD值為y，傳感器輸出發(fā)送給AD模塊

的電壓為 A kg×4.3mV/ 5kg = 0.86A mV，

經(jīng)過128倍增以后 128×0.86A=110.08AmV，

轉(zhuǎn)換為24bit數(shù)字信號為 110.08A×2/4.3V = 429496.7296A，

24

所以得出 A = y / 4294.967296 kg ≈ y/4.30g。

所以在程序中的計(jì)算公式為：

Weight_Shiwu = (unsigned int)((float)Weight_Shiwu/4.30+0.05)

后面的0.05是為了四舍五入百分位。

2 串口通訊的編程

串口初始化

發(fā)送處理后壓力值高字節(jié)

發(fā)送處理后壓力值低字節(jié)

圖3.2 串口通訊流程圖

13

3.3 上位機(jī)編程

3.3.1 上位機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境——LabVIEW簡介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言

（G語言）它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采

集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)

據(jù)采集卡通信的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP／IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函

數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)且靈活的軟件，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。

LabVIEW應(yīng)用程序包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block D1agram) 。在LabVIEW

應(yīng)用界面上用的最多的是它的操作模板，其中包括工具模板(Tools)、控制模板

(Controls)和函數(shù)模板(Functionless)。LabVIEW中有許多控件，不同的控件有各自不

同的作用，正是這些控件造就了LabVIEW強(qiáng)大功能，從而使LabVIEW在科學(xué)的各領(lǐng)域發(fā)

揮著不可估量的作用。

3.3.2編程思路和流程

1 本設(shè)計(jì)的主要的編程主要由壓力的讀取、壓力值的顯示和壓力的監(jiān)測組成的。

(1) 壓力值的讀取與顯示

由于labview的串口只能傳送字符串類型的數(shù)據(jù)，所以要收發(fā)數(shù)值型數(shù)據(jù)首先要進(jìn)

行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)向Labview串口發(fā)送數(shù)據(jù)，在程序中經(jīng)過字符串至字節(jié)數(shù)組

的轉(zhuǎn)換，在索引數(shù)組即可得到發(fā)送的數(shù)值。

(2)壓力的監(jiān)測

將壓力值通過表達(dá)式節(jié)點(diǎn)計(jì)算，輸出不同的值，再將值進(jìn)行條件結(jié)構(gòu)判斷，不同值

條件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同布爾開關(guān)開啟，結(jié)果不同指示燈亮，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。

14

VISA配置串口

確定按鈕

Y

讀取字符串?dāng)?shù)據(jù)將

其轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組

索引數(shù)組獲得數(shù)值

值不刷新

N

顯示壓力值及其狀態(tài)

圖3.3 Labview壓力取與顯示框圖

2 程序主要功能塊的編程

本設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序有三個(gè)功能模塊，分別為串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、壓力值計(jì)算顯示

模塊、壓力監(jiān)測模塊，分別為圖3.4 – 3.6所示。

圖3.4 串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊程序圖3.5 壓力值計(jì)算顯示模塊程序

15

圖3.6 壓力監(jiān)測模塊

3 顯示界面的設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)即前面板的設(shè)計(jì)，主要包括了串口參數(shù)選擇控件、開始和結(jié)束控件、壓力

值顯示控件以及壓力狀態(tài)指示燈，整體的設(shè)計(jì)如圖3.5所示。

圖3.5 Labview顯示界面

3.3 無線傳輸協(xié)議

1 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的目的是使符合該規(guī)范的各種應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)互操作。互操作的遠(yuǎn)

端設(shè)備需要使用相同的協(xié)議棧，不同的應(yīng)用需要不同的協(xié)議棧。但是，所有的應(yīng)用都要

使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。完整的協(xié)議棧包括藍(lán)牙專用協(xié)議（如連接

16

管理協(xié)議LMP和邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議L2CAP）以及非專用協(xié)議（如對象交換協(xié)議OBEX

和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP）。設(shè)計(jì)協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則是盡可能利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)

議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互操作，充分利用兼容藍(lán)牙技

術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的開放性保證了設(shè)備制造商可以自由地選用其專用

協(xié)議或習(xí)慣使用的公共協(xié)議，在藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上開發(fā)新的應(yīng)用。

2 藍(lán)牙協(xié)議中的協(xié)議

藍(lán)牙協(xié)議體系中的協(xié)議按SIG的關(guān)注程度分為四層：核心協(xié)議：BaBand、LMP、

L2CAP、SDP； 電纜替代協(xié)議：RFCOMM；電話傳送控制協(xié)議：TCS-Binary、AT命令集；

選用協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。 除上述協(xié)議層

外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和

控制寄存器提供命令接口。

3 藍(lán)牙核心協(xié)議

藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙專用協(xié)議組成。絕大部分藍(lán)牙設(shè)備都需要核心協(xié)議

（加上無線部分），而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定。總之，電纜替代協(xié)議、電話控

制協(xié)議和被采用的協(xié)議在核心協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)成了面向應(yīng)用的協(xié)議。

17

第四章 遠(yuǎn)程壓力監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

4.1 調(diào)試過程

1 下位機(jī)調(diào)試

下位機(jī)的調(diào)試主要測試傳感器能否測出準(zhǔn)確的壓力值。連接好硬件電路，燒錄單片

機(jī)程序，使壓力值能在lcd1602顯示屏上顯示出來，運(yùn)行程序。用重量為133g的手作

為測試重物，得出結(jié)果如下圖4.1。

圖4.1 傳感器測試

上圖表示能準(zhǔn)測出壓力值。

2 上位機(jī)調(diào)試

上位機(jī)的調(diào)試主要是測試輸出的壓力值能否在labview顯示出來并且實(shí)現(xiàn)壓力的狀

態(tài)監(jiān)控，方法是不接藍(lán)牙無線模塊，直接用ttl轉(zhuǎn)usb接口連接下位機(jī)，測試能否在上

位機(jī)正確顯示壓力值及其壓力狀態(tài)，得出結(jié)果如下圖4.2 - 4.4。

18

圖4.2 超壓結(jié)果圖4.3 正常壓力結(jié)果

圖4.4 欠壓結(jié)果

測試結(jié)果表明上位機(jī)可以顯示壓力值及其壓力狀態(tài)。

3 無線通信調(diào)試

無線通信調(diào)試主要測試藍(lán)牙通信能否實(shí)現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)，方法是用ttl轉(zhuǎn)usb接口

連接一藍(lán)牙模塊，在10米左右將藍(lán)牙模塊的從機(jī)的rx引腳與rd引腳短接，上電后用

串口調(diào)試助手測試能否自行收發(fā)，測試結(jié)果如圖4.5所示。

19

圖4.5 藍(lán)牙無線通訊調(diào)試

測試結(jié)果表明藍(lán)牙無線模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自行收發(fā)，則無線通信模塊正常。

4.2 調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程的監(jiān)測到小數(shù)點(diǎn)后兩位的壓力值，并且能夠監(jiān)測不同壓力狀態(tài)的情

況，測量系統(tǒng)響應(yīng)正常，壓力監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)正常。

結(jié)論

本文首先介紹了遠(yuǎn)程壓力技術(shù)和虛擬機(jī)技術(shù)的相關(guān)概念、組成，分析了遠(yuǎn)程壓力監(jiān)

測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和重要性，最后運(yùn)用單片機(jī)對壓力信號采集處理，并且通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程通訊在上位機(jī)的labview開發(fā)環(huán)境顯示出實(shí)時(shí)的壓力值以及壓力狀態(tài)，用通俗易懂

的C語言寫下位機(jī)程序。整個(gè)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1 采用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器和24位高精度AD轉(zhuǎn)換芯片，使得測量的壓力

值精確，系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 針對壓力采集測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了一個(gè)虛擬儀器平臺，該平臺通過裝載VISA庫函數(shù)可

以簡單實(shí)現(xiàn)采集到串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且通LabVIEW內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析處理功能，對采

集到的壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測的功能。

3 采用藍(lán)牙作為無線通信模塊，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等特點(diǎn)，

只需少許的外圍原件就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。

致謝

經(jīng)過幾個(gè)月的努力，我終于在謝老師的精心指導(dǎo)和努力下完成了這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。在

做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境LabVIEW是我之前沒有接觸過的，雖然以前接

觸過單片機(jī)，可是實(shí)際運(yùn)用到實(shí)際情況中也會(huì)出現(xiàn)很多問題，這也讓我體會(huì)到實(shí)踐出真

知這個(gè)道理，認(rèn)識到自身的不足，也意識到了學(xué)習(xí)能力的重要性。感謝謝老師的指導(dǎo)，

在做設(shè)計(jì)和寫論文的時(shí)候給了我許多的有價(jià)值的建議和指導(dǎo)幫助。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)束

只是表示學(xué)生生涯的結(jié)束，并不是學(xué)習(xí)生涯的結(jié)束，在以后的人生道路上我將銘記在大

學(xué)生涯老師們對我的指導(dǎo)和教育，做到活到老學(xué)到老，在新的生活中學(xué)習(xí)做人做事。在

此，我再一次感謝所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友！衷心的感謝在百忙

參考文獻(xiàn)

[1]梅 燁.tc35在遠(yuǎn)程壓力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用.自動(dòng)化儀表,2006(27):59-62

[2]林延暢等.基于at89c2051單片機(jī)壓力傳感與檢測系統(tǒng).電子測量技術(shù), 2003(3):44-45

[3]易馳等.基于LabVIEW的溫度壓力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).軟件天地,2013(32):5-8

[4]張凱華等.LabVIEW的鞋墊式足底壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).技術(shù)與應(yīng)用,2009(3):31-33

[5]張小兵等.基于LabVIEW的壓力采集虛擬儀器系統(tǒng).火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2005(1):61-46

[6]陳超等.基于LabVIEW壓力試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).包裝工程2008(29):91-93

[7]陳敏銳等.一種單片機(jī)的壓力檢測系統(tǒng).應(yīng)用科技

[8]郭天翔.51單片機(jī)c語言教程,電子工業(yè)出版社,2011

[9]王 磊等.精通LabVIEW8.X.電子工業(yè)出版社，2008

[10]張毅剛等. 單片機(jī)原理及應(yīng)用.高等教育出版社，2010

[11]彭慶華.虛擬儀器軟件labview的串行口通信編程[J].自動(dòng)化儀表，2002(3):31-33

[12]呂景輝等.基于LabVIEW的集成電路測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].船電技術(shù)，2010(12)

[13]胡 蓉等. LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].人民郵電出版社,2010

[14]高 亞等. Labview與stc89c54串口通信實(shí)現(xiàn).電子技術(shù),2010(3):29

[15]陳 誠.基于labview的單片機(jī)串口通信設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2009:31-33

23

附錄1 單片機(jī)程序

(1)頭文件:

#ifndef __weight_H_

#define __weight_H_

#include

#include //IO設(shè)置

sbit HX711_DOUT=P2^0;

sbit HX711_SCK=P2^1;

void Delay__hx711_us(void);

unsigned long HX711_Read(void);

#endif

(2) AD轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)程序:

#include"weight.h"

void Delay__hx711_us(void)

{

_nop_();

_nop_();

}

//****************************************************

//讀取HX711

//****************************************************

unsigned long HX711_Read(void) //增益128

{

unsigned long count;

count++;

}

HX711_SCK=1;

Delay__hx711_us();

HX711_SCK=0;

return(count);

}

(3)主程序：

#include"weight.h"

unsigned long HX711_Buffer = 0;

unsigned int Weight_Shiwu = 0;

//****************************************************

//稱重

//****************************************************

void Get_Weight()

{

HX711_Buffer = HX711_Read();

HX711_Buffer = HX711_Buffer/100;

Weight_Shiwu = HX711_Buffer; //獲取實(shí)物的AD采樣數(shù)值。

void Uart_Init(void) //串口初始化

{

//設(shè)置定時(shí)器1的工作方式為方式2

TMOD=0x20;

//設(shè)定定時(shí)器1的初值，使串口通訊的波特率為9600bps

TH1=0xfd; TL1=0xfd;

SCON=0x50;

PCON=0x00;

ES=1;EA=1;

TR1=1;

}

void main()

{

uint shiwu;

uchar shiwu_highbyte,shiwu_lowbyte;

Uart_Init();

附錄2 Labview程序

27