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扎克貿(mào)易邱小秀 

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 壓力傳感器作為工業(yè)活動(dòng)中常見的傳感器之一，其廣泛運(yùn)用于交通運(yùn)輸、石油化工、軍事工業(yè)等各種工業(yè)自動(dòng)控制的領(lǐng)域中。壓力變送器的工作原理是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成某種可測(cè)量的電信號(hào)，如日常生活中常見的應(yīng)變式壓力傳感器，其工作原理是通過施加壓力使彈性元件變形從而產(chǎn)生電阻的變化，通過測(cè)量電阻的變化量，利用一定的標(biāo)度變換，從而得出壓力的大小。

在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，人們可利用監(jiān)測(cè)壓力的變化和實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的控制進(jìn)行多種生產(chǎn)活動(dòng)。例如，在地理環(huán)境中海拔高度可以通過測(cè)量大氣壓力的變化來獲得；在化工廠中，利用壓力參數(shù)來判斷化學(xué)反應(yīng)的過程；在氣象預(yù)測(cè)中，測(cè)量大氣壓力可以判斷陰雨天氣狀況。因此，壓力變送器的設(shè)計(jì)擁有廣闊的市場(chǎng)前景。自上世紀(jì)80年代，基于微處理器的智能壓力傳感器能比較精確和快速的測(cè)量，特別是對(duì)動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)距變送、與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)信息交換處理等，因而在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防、科技等領(lǐng)域獲得了迅速發(fā)展和廣泛運(yùn)用。世界上多個(gè)國(guó)家一直把傳感器技術(shù)的發(fā)展視為現(xiàn)代科技提升的關(guān)鍵。因?yàn)橹挥泻玫膫鞲衅骷夹g(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程更完美和智能的控制，從而得以大幅度提升科技水平乃至綜合國(guó)力。美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)的傳感器技術(shù)一直在著世界潮流，我國(guó)對(duì)智能傳感器的研究近幾十年來雖然取得了很大成就，但由于起步較晚，缺乏對(duì)該方面的高精尖人才，因此與世界水平還有不小的差距，因此，要想實(shí)現(xiàn)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，傳感器技術(shù)必須要有質(zhì)的突破。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

   該系統(tǒng)要求能夠滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：

（1）可測(cè)范圍：0～1MPa—2.5MPa（表壓），且量程可選；

（2）顯    示：3位數(shù)碼顯示（2.50MPa），4～20mADC輸出；

（3）附加要求：上、下限報(bào)警；

（4）測(cè)量精度：±1%。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量，獲得更加智能的人機(jī)交互，本次設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的智能壓力測(cè)量系統(tǒng)。該智能壓力變送器基本原理是通過壓力傳感器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)放大后，送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)處理，后由LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并以工業(yè)生產(chǎn)中標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的電流信號(hào)輸出。在測(cè)量的過程中可以人為地通過獨(dú)立鍵盤進(jìn)行設(shè)置測(cè)量的上下限，當(dāng)輸入的壓力超出上下*，蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警。

該智能壓力變送器，選用的的單片機(jī)為常見的AT89C51單片機(jī)，將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)，在三運(yùn)放差分放大電路下，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字量。在該系統(tǒng)中，用于電壓信號(hào)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809。ADC0809是8位分辨率的CMOS型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它可實(shí)現(xiàn)8路多路模擬開關(guān)以及與單片機(jī)直接相連。轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬量轉(zhuǎn)換要求，同時(shí)也滿足本設(shè)計(jì)的精度測(cè)量需要：±1%。為了提高單片機(jī)系統(tǒng)I/O口線的利用效率，設(shè)計(jì)采用了74LS164進(jìn)行數(shù)據(jù)移位至數(shù)碼管顯示。74LS164是CMOS型8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出的功能，它通過限流電阻直接與8位數(shù)碼顯示管相連，然后通過數(shù)據(jù)移位功能將壓力值在數(shù)碼管上顯示出。為了獲得4～20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出電流，設(shè)計(jì)采用了DAC0832標(biāo)準(zhǔn)8位D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電流信號(hào)，由于經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出量十分微弱，因此可先將電流信號(hào)通過運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再利用ISO EM直流（電壓/電流）信號(hào)隔離器，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出

本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的壓力測(cè)量變送器，首先，外部施加給應(yīng)變片一個(gè)壓力信號(hào)，然后應(yīng)變片將信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)量的電信號(hào)作為輸出，通過測(cè)量橋路，多級(jí)放大電路將該電信號(hào)進(jìn)行放大，將通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)輸入至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，后數(shù)據(jù)送給LED數(shù)碼管顯示，并實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入控制、4～20mADC輸出、上下限報(bào)警等功能。

其原理圖如圖2-1所示。

圖2-1 原理組成圖

3 智能壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器

3.1.1 壓力傳感器的選擇

壓阻式壓力傳感器是電阻式壓力傳感器的一種，它的特點(diǎn)是易于微小型化；靈敏度高，它的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變的靈敏系數(shù)高50～100倍；它具有很寬的測(cè)量范圍，通?？蛇_(dá)到10Pa-60MPa，并且，測(cè)量精度可達(dá)到1/1000，具有高度的可靠性，使用壽命很長(zhǎng)。因此，壓阻式壓力傳感器已被廣泛的應(yīng)用于石油、化工、核電、交通運(yùn)輸、航空制造等重點(diǎn)領(lǐng)域。

3.1.2壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)組成

壓阻式壓力傳感器主要是由壓阻芯片和保護(hù)外殼組成，其內(nèi)部主要是由一塊N型的硅膜片組成。在該N型膜片上對(duì)稱的集成上了四個(gè)*一樣的P型電阻，稱之為擴(kuò)散電阻。如圖3-1所示的為壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)組成圖。

圖3-1  壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

3.2 電阻信號(hào)的測(cè)量橋路

對(duì)于壓阻式壓力傳感器，產(chǎn)生的電阻信號(hào)需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電壓或者電路信號(hào)，以便進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的遠(yuǎn)傳和處理。的的方法是采用電橋的方法，電橋的準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定信高、使用方便，可以準(zhǔn)確的將擴(kuò)散電阻變化量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的變化量，減少了環(huán)境因素帶來的測(cè)量誤差。由于交流電橋在信號(hào)傳輸過程中易受電路本身的影響，調(diào)節(jié)平衡困難，穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用直流電橋作為電壓信號(hào)的測(cè)量電路

3.2.1 測(cè)量電路的工作原理

橋路電源電壓,4個(gè)橋臂阻值分別時(shí)，稱之為等臂電橋。由于擴(kuò)散電阻的電橋電路輸出信號(hào)比較微弱，故目前大部分電阻式壓力變送器橋路輸出端都會(huì)與直流放大器相連接。測(cè)量橋路如圖3-2所示。

圖3-2 壓力變送器測(cè)量電路

由于差動(dòng)電橋的補(bǔ)償作用，使引起非線性誤差的因素互相抵消并且具有溫度補(bǔ)償功能，而且半橋的輸出信號(hào)靈敏度是單臂電橋的2倍，同時(shí)全橋電路的靈敏度是半橋的2倍，全橋電路靈敏度很高，因此該設(shè)計(jì)采用全橋電路。電路如圖3-3所示。

圖3-3 全橋電路

3.3 信號(hào)放大電路

3.3.1 放大器的選擇

由于被測(cè)壓力經(jīng)過應(yīng)變片和全橋電路轉(zhuǎn)變后得到的電信號(hào)十分微弱，所以在對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)采用OP07雙極性運(yùn)算放大器組成的三運(yùn)放差分放大電路，OP07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。能夠保證在具有較大共模電壓的條件下，獲得對(duì)微弱的差分電壓信號(hào)進(jìn)行放大的顯著效果，并且具有很高的輸入阻抗。因此，這些特性使得三運(yùn)放差分放大電路得到廣泛應(yīng)用

3.3.2 三運(yùn)放差分放大電路

該設(shè)計(jì)采用了由OP07運(yùn)算放大器組成的同向并聯(lián)三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，由OP07-1和OP07-2組成級(jí)運(yùn)放電路提高輸入阻抗，OP07-3組成第二級(jí)運(yùn)放電路提高共模抑制比。這種結(jié)構(gòu)可以很好地滿足高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益、低漂移等電路要求。

結(jié)構(gòu)組成如圖3-4所示。

圖3-4 三運(yùn)放差分放大電路

3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

3.4.1 ADC0809與單片機(jī)連接

經(jīng)過差分放大電路后放大的電壓模擬量信號(hào)從IN口輸入，由于A、B、C三位地址選通端子接地，根據(jù)通道選擇表，信號(hào)從IN0輸入，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后由數(shù)據(jù)輸出端口D0-D7輸入至51單片機(jī)的P0口，時(shí)鐘脈沖輸入端CLK與P2.0相連，同時(shí)，由于轉(zhuǎn)換器的START和ALE端口工作時(shí)序一樣，因此把兩個(gè)端口連接在一起，再與P2.1連接，由一個(gè)單片機(jī)I/O口控制，節(jié)省了I/O資源。OE端口和EOC端口分別由單片機(jī)P2.2和P2.3控制。連接圖如圖3-5所示。

圖3-5  ADC0809與AT89C51單片機(jī)連接圖

3.5 單片機(jī)

3.5.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介

圖3-6  AT89C51單片機(jī)引腳符號(hào)圖

AT89C51的引腳圖如圖3-6所示。該設(shè)計(jì)選用的數(shù)據(jù)處理核心器件是AT89C51型高性能8位單片機(jī)，它內(nèi)部集成了4K字節(jié)的閃存，128字節(jié)的內(nèi)部RAM，以及32 個(gè)雙向I/O 端口，一個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路等。片內(nèi)置通用8位*處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

3.5.2 單片機(jī)復(fù)位電路與自激振蕩電路

在該設(shè)計(jì)中采取了電平開關(guān)與上電復(fù)位電路。在上電啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，由上電復(fù)位電路提供一個(gè)正脈沖觸發(fā)系統(tǒng)并啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)需要人工干預(yù)時(shí)則按下電平式按鍵，由VCC直接向RST提供一個(gè)+5V電平觸發(fā)復(fù)位電路，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位電路與自激振蕩電路如圖3-7所示；

圖3-7  單片機(jī)復(fù)位電路與自激振蕩電路

3.6 鍵盤接口輸入

3.6.1鍵盤分類簡(jiǎn)介及選擇

在本設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，所需按鍵較少，因此采用獨(dú)立式鍵盤接口電路。當(dāng)鍵盤按下時(shí)，連接該按鍵的單片機(jī)會(huì)立即檢測(cè)到一個(gè)低電平。其中，S1按鍵用于設(shè)置上限值，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)加一的功能；S2按鍵設(shè)置下限值，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)減一的功能；S3為確認(rèn)鍵，將設(shè)置好的上下限進(jìn)行鎖存，以便于被測(cè)壓力相比較。

圖3-8獨(dú)立式鍵盤接口

3.6.2鍵盤抖動(dòng)及消除

當(dāng)前日常生活中常用的鍵盤都是利用機(jī)械觸點(diǎn)的開、合作用來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)鍵盤按下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低電平的變化會(huì)輸入到微處理器。但是由于機(jī)械觸點(diǎn)本身的彈性作用，在按鍵按下或釋放時(shí)，在接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這些抖動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生高低電平的變化輸入至微處理器，這時(shí)，CPU就會(huì)產(chǎn)生誤讀，將這些電平變化進(jìn)行處理，從而對(duì)輸入結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此必須設(shè)法對(duì)這些鍵盤抖動(dòng)進(jìn)行消除。圖3-9所示的為按鍵信號(hào)產(chǎn)生的實(shí)際波形實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤抖動(dòng)效應(yīng)的消除軟件消抖的原理是，當(dāng)按鍵按下或釋放時(shí)，CPU并不立即判斷按鍵電平的變化，而是首先執(zhí)行10ms左右的延時(shí)程序，跳過按鍵抖動(dòng)的過程，待按鍵穩(wěn)定后，再重新判斷該按鍵的電平信號(hào)是否發(fā)生變化，從而消除了抖動(dòng)影響。當(dāng)按鍵松開時(shí)，也是一樣，利用延時(shí)程序進(jìn)行消抖。本設(shè)計(jì)在在節(jié)省硬件資源的條件下，采取了軟件鍵盤防抖。

圖3-9鍵閉合與斷開時(shí)電壓抖動(dòng)波形

3.7  LED顯示接口電路

3.7.1  LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口電路

在本設(shè)計(jì)中，采用共陰極接法，輸入高電平，二極管被點(diǎn)亮。要求三位數(shù)碼顯示，顯示位數(shù)較少，硬件電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，編程也較為容易，故決定采用靜態(tài)顯示。靜態(tài)顯示接口電路如圖3-10所示。

圖3-10 靜態(tài)顯示電路

3.8  D/A轉(zhuǎn)換模擬輸出及信號(hào)放大

3.8.1  DAC0832簡(jiǎn)介

DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換芯片，和微處理器*兼容，而且價(jià)格低廉，接口簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。DAC0832引腳圖如圖3-11所示

圖3-11  DAC0832引腳圖

3.8.2  D/A轉(zhuǎn)換輸出與放大電路

在該電路中，51單片機(jī)的P1口與DAC0832的數(shù)字量輸入端相連，用來接收單片機(jī)輸出的數(shù)字量信號(hào)。DAC0832的CS、WR1兩個(gè)引腳端口同時(shí)控制數(shù)字量的輸入選通數(shù)據(jù)寄存器且均為低電平有效，因此可直接將WR1與CS兩個(gè)端口相連，然后再與單片機(jī)的P3.6口連接，由一個(gè)單片機(jī)IO口來控制DAC0832工作，XFER為轉(zhuǎn)換寄存器控制信號(hào)端口，WR2為寫信號(hào)輸入端口，當(dāng)XFER和WR2兩信號(hào)同時(shí)低電平有效時(shí)將選通DAC轉(zhuǎn)換寄存器，進(jìn)行數(shù)模準(zhǔn)換，因此可直接將兩引腳接地，VCC與ILE同時(shí)接+5V電源。因?yàn)镈AC0832的輸出轉(zhuǎn)換電流十分微弱，僅有幾微安，因此須先利用一個(gè)運(yùn)算放大器把電流變換成電壓Vout輸出,當(dāng)DAC0832的VREF引腳接+10V時(shí)，轉(zhuǎn)換電壓Vout輸出為0-10V。后再將電壓信號(hào)送至ISO EM-U2-P3-O1直流信號(hào)隔離器將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換輸出與放大電路如圖3-12所示。

圖3-12D/A轉(zhuǎn)換輸出與放大電路

3.9  報(bào)警電路

在工業(yè)生產(chǎn)中，檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，當(dāng)某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置來提醒操作人員。同樣，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為了實(shí)時(shí)反映整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，報(bào)警電路的設(shè)計(jì)*。通常報(bào)警電路的設(shè)計(jì)存在閃光報(bào)警、蜂鳴報(bào)警和語音報(bào)警。因?yàn)榉澍Q報(bào)警設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序量小，比閃光報(bào)警更能引起人們注意，又比語音報(bào)警成本低，更易操作，因而在本設(shè)計(jì)中，采用了蜂鳴報(bào)警。其電路設(shè)計(jì)如圖3-13所示。

圖3-13 報(bào)警電路

在本設(shè)計(jì)中，該電路完成的工作是上下限報(bào)警，即通過鍵盤電路設(shè)置該壓力變送器的上限值與下限值，當(dāng)被測(cè)壓力超出上下*，將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路以提醒操作員，其中電阻起限流作用，防止VCC過大損壞芯片。該電路與單片機(jī)只有一個(gè)接口，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極其簡(jiǎn)單，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到壓力超出上下*，P3.7口將會(huì)輸出一個(gè)低電平，從而蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警。

4 智能壓力變送器軟件設(shè)計(jì)

4.1 A/D轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)電路圖設(shè)計(jì)中，單片機(jī)P0口與ADC0809的數(shù)據(jù)輸出端D0-D7相連接，接受其輸出的數(shù)字信號(hào)；ADC0809的啟動(dòng)端START與地址鎖存端ALE相連，然后與單片機(jī)的P2.1連接；EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)、OE數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)、CLK時(shí)鐘脈沖端分別與單片機(jī)的P2.3、P2.2、P2.0相連接。將ADC0809的三個(gè)數(shù)據(jù)輸入地址選擇端Ａ、Ｂ、Ｃ均接地，故其地址為000Ｈ，因此，模擬量從IN0輸入。

如圖4-1所示的ADC0809運(yùn)行程序流程圖。

圖4-1  ADC0809程序流程圖