基于單片機(jī)的數(shù)顯式智能壓力開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

1、摘摘 要要 隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，傳感器集信號(hào)采集、信號(hào)處理輸出功能于一 身，精度高穩(wěn)定性好的壓力檢測(cè)系統(tǒng)已成為生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)展的迫切需要。其中壓 阻式壓力傳感器以其靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、易于微型化等特點(diǎn)，而獲得廣泛 應(yīng)用。單片機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展而誕生的，由于它體積小、功 耗低，控制能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，以形式多樣的控制 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)和控制中。 本設(shè)計(jì)從當(dāng)前工業(yè)壓力采集顯示開(kāi)關(guān)現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于 at89c51 單片機(jī)的編程控制儀器，該系統(tǒng)集壓力采集顯示，過(guò)載報(bào)警并處理于一體。本 設(shè)計(jì)對(duì)壓力傳感器的選型，信號(hào)放大和濾波，lcd 液

2、晶顯示電路以及單片機(jī) 的接口電路等技術(shù)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并用仿真軟件 proteus 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整 體調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：傳感器 單片機(jī) 信號(hào)處理 仿真 abstract with the development of sensor detection technology, it makes the signal acquisition and signal processing output in-one. the pressure monitoring system about high precision and stability has become the u

3、rgent need for the production practices. the pressure sensor with its high sensitivity, dynamic response, miniaturization and other features, is widely available. with the development of ultra-large-scale integrated circuit technology, the microcontroller was born. due to its small size, low power c

4、onsumption, control ability, flexible expansion, miniaturization and ease of use, it is used in industrial inspection and control widely in the various forms of control systems and data acquisition system. according to the status about the pressure display switch in the current collection industrial

5、, the design makes a programming control instruments based on at89c51.the system gathers pressure of display and overload alarm in one. the design that analyses the selection pressure sensor, the signal amplified and filter, the lcd display circuit and microcontroller interface circuit. the design a

6、dopts proteus as the simulation platform and achieves the intended function. keywords: transducer scm signal processing simulation 目 錄 摘摘 要要.i abstract.ii 第第 1 章章 緒論緒論 .1 1.1 概述 .1 1.2 分類(lèi) .2 1.3 電子式壓力開(kāi)關(guān)原理 .3 1.4 國(guó)外壓力檢測(cè)的現(xiàn)狀 .4 第第 2 章章 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) .6 2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 .6 2.2 控制器方案確定 .6 2.3 壓力傳感器選擇 .7 2.3.1 壓力檢測(cè)的

7、類(lèi)型 .7 2.3.2 壓阻式傳感器的工作原理 .9 2.3.3 電阻應(yīng)變片測(cè)量電路的電橋原理 .11 2.3.4 傳感器最終方案 .14 第第 3 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) .15 3.1 總體設(shè)計(jì)框圖 .15 3.2 壓力傳感器 .15 3.2.1 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn) .16 3.2.2 壓阻式傳感器測(cè)量電路 .16 3.2.3 參數(shù)計(jì)算 .17 3.3 信號(hào)放大及調(diào)理電路 .19 3.3.1 電路基本結(jié)構(gòu) .19 3.3.2 有源濾波器參數(shù)計(jì)算 .22 3.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路.23 3.4.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊 tlc1543.23 3.4.2 tlc1543 的特點(diǎn).2

8、4 3.4.3 a/d 采集時(shí)間計(jì)算.24 3.4.4 tlc1543 與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì).24 3.5 顯示電路.25 3.5.1 lm032l 模塊.25 3.5.2 液晶顯示模塊與單片機(jī)連接 .26 3.6 鍵盤(pán)電路 .27 3.6.1 單片機(jī)與鍵盤(pán)電路接口設(shè)計(jì) .27 3.7 繼電器與報(bào)警裝置 .28 3.7.1 固態(tài)繼電器的工作原理 .28 3.7.2 繼電器與單片機(jī)接口設(shè)計(jì) .29 3.7.3 報(bào)警裝置 .30 3.8 電源設(shè)計(jì) .30 3.8.1 vv125與電源設(shè)計(jì) .31 3.9 單片機(jī)與最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) .32 3.9.1 最小系統(tǒng)構(gòu)成 .32 第第 4 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)

9、計(jì) .35 4.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路 .35 4.2 初始化子程序 .36 4.3 鍵盤(pán)子程序 .36 4.4 a/d 子程序.37 4.5 液晶顯示子程序 .38 第第 5 章章 仿真測(cè)試仿真測(cè)試 .40 5.1 proteus軟件.40 5.2 proteus電路設(shè)計(jì).41 5.2.1 proteus 源文件設(shè)計(jì)和目標(biāo)代碼生成 .42 5.2.2 proteus 仿真 .43 5.3 仿真調(diào)試小結(jié) .46 結(jié)結(jié) 論論 .48 致致 謝謝 .49 參考參考文文獻(xiàn)獻(xiàn) .50 附錄附錄 1 電源模塊參數(shù)表電源模塊參數(shù)表 .53 附錄附錄 2 c 語(yǔ)言程序語(yǔ)言程序.55 contents abs

10、tract(chinese).i abstract.ii chapter 1 introduction .1 1.1 summari.1 1.2 classify .2 1.3 the principle of the electronic pressure switch.3 1.4 the overseas development.4 chapter 2 the project design.6 2.1 design structure diagram.6 2.2 scheme in the controller.6 2.3 pressure sensor selection .7 2.3.

11、1 type of pressure test.7 2.3.2 piezoresistive sensor principle of work.9 2.3.3 bridge principle .11 2.3.4 sensor is final plan.14 chapter 3 the hardware circuit design.15 3.1 the overall design diagram.15 3.2 pressure sensor.15 3.2.1 the characteristic of the sensor .16 3.2.2 piezoresistive sensor

12、measure circuit .16 3.2.3 parameters are calculated.17 3.3 signal conditioning circuit and amplification.19 3.3.1 circuit structure .19 3.3.2 active filter parameters are calculated .22 3.4 a/d conversion circuit.23 3.4.1 tlc1543 a/d conversion module .23 3.4.2 the characteristics of the.23 3.4.3 a/

13、d acquisition time is calculated.24 3.4.4 tlc1543 and scm interface circuit design.24 3.5 display circuit.25 3.5.1 lm032l module.25 3.5.2 connection module and mcu .26 3.6 the keyboard circuit.27 3.6.1 mcu and keyboard interface circuit design.27 3.7 relay and alarm device.28 3.7.1 the working princ

14、iple of solid state relay.28 3.7.2 the relay is connected circuit.29 3.7.3 alarm device .29 3.8 power supply design .30 3.8.1 power supply design .31vv125 3.9 single-chip microcomputer and minimum system design.31 3.9.1 the minimum system.31 chapter 4 the software design .35 4.1 system software desi

15、gn thinking.35 4.2 the initial, anti-fuzzy process .36 4.3 keyboard subroutines.36 4.4 a/d subroutine.37 4.5 liquid crystal display subroutine.38 chapter 5 the simulation test.40 5.1 proteus software.40 5.2 proteus circuit design.41 5.2.1 proteus design source file and target code generation.42 5.2.

16、2 proteus simulation.43 5.3 the simulation debugging summary.46 conclusion.48 acknowledgements.49 references.50 appendix 1 power supply module parameter table.53 appendix 2 c language program .55 第 1 章 緒論 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中為了檢查，監(jiān)督和控制某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或運(yùn)動(dòng)對(duì)象，并且使 它們處于所選工況最佳狀態(tài)，就必須對(duì)一些參數(shù)的大小，方向和變化速度等進(jìn) 行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)設(shè)備或者生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。

17、 1.1 概述 在現(xiàn)代的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，各個(gè)組成部分一般分為信息的獲得，信息的轉(zhuǎn) 換，信息的處理和信息的輸出等幾個(gè)部分。 一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，首先應(yīng)該先獲得被測(cè)量的信息，并通過(guò)信息的 轉(zhuǎn)換把獲得的信息轉(zhuǎn)換為電量，然而進(jìn)行一系列的處理，再用指示儀或顯示儀 信息輸出，或由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 1-1。 傳傳感感器器 顯顯示示裝裝置置 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)處處理理裝裝置置 執(zhí)執(zhí)行行機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu) 信信號(hào)號(hào)處處理理 被被測(cè)測(cè)量量 圖 1-1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖 傳感器是獲取信息的重要手段。它所獲取信息的正確與否，關(guān)系到整個(gè)測(cè) 量系統(tǒng)的精度，在非電量檢測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位。 壓力

18、測(cè)量和溫度測(cè)量，即壓力計(jì)量學(xué)和溫度計(jì)量學(xué)是計(jì)量學(xué)的一個(gè)重要分 支，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中占有一定的地位。人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和 科學(xué)實(shí)驗(yàn)等許多方面都與力和溫度有著十分密切的關(guān)系。力、溫度作為重要的 物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著時(shí)代的進(jìn)步、 社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷更新，力的測(cè)量范圍、溫度的測(cè)量范圍要求不斷 擴(kuò)大，同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確性要求不斷提高。因此，檢測(cè)技術(shù)的研究是一個(gè)重要的研 究課題。 近年來(lái)，隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，傳感器在人們的工作和日常生活中應(yīng)用 越來(lái)越普遍。工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、流量、轉(zhuǎn)速和開(kāi)關(guān)量是常用的 主要被控參數(shù)。壓力是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要

19、參數(shù)之一。壓力的檢測(cè)或控制是 保證生產(chǎn)和設(shè)備安全運(yùn)行必不可少的條件。傳統(tǒng)工業(yè)中對(duì)壓力控制一般采用實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)并控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且占用勞動(dòng)資源多， 生產(chǎn)效益大大降低。實(shí)現(xiàn)智能化壓力檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)過(guò)程的控制具有非常重要 的意義。隨著工業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越智能化，各種大型智能控制設(shè)備的普及，工廠對(duì) 各種參數(shù)的采集監(jiān)視系統(tǒng)要去更加看重。采用電子式數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制， 不僅具有控制方便，電子顯示屏直觀，精度高，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且可以 大幅度提高被控壓力的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，極大 的減少了員工勞動(dòng)的繁瑣，增加了生產(chǎn)效益。 1.2 分類(lèi) 目前國(guó)內(nèi)外此類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用

20、大體上分為兩大類(lèi)， “一種是機(jī)械式的壓力開(kāi) 關(guān)，見(jiàn)圖 1-2（a） ，結(jié)構(gòu)上主要友彈簧，波紋管，杠桿等機(jī)械零件組成，壽命 短，可靠性差，設(shè)定極為不便，一般在零點(diǎn)到滿度之間設(shè)定點(diǎn)都有 15%30% 的死區(qū)；一種是全電子式的1。 ”見(jiàn)圖 1-2（b） ，其特點(diǎn)是有： 0 2 46 8 10 bar 電電源源上上限限下下限限運(yùn)運(yùn)行行 智智能能壓壓力力控控制制器器 設(shè)置 開(kāi)關(guān) 圖 1-2(a) 機(jī)械式壓力開(kāi)關(guān) 圖 1-2(b) 電子式壓力開(kāi)關(guān) 1.采用高精度 ad 和高速微處理器，全數(shù)字化設(shè)計(jì); 2.4 位數(shù)碼管顯示當(dāng)前壓力或液位值; 3.壓力或液位可以根據(jù)自己的需要設(shè)置; 4.三個(gè)單位可以根據(jù)客戶需

21、要選擇：bar，psi，kpa; 5.可以設(shè)置高低壓力或液位報(bào)警點(diǎn)，并通過(guò)繼電器或光耦輸出給控制設(shè)備; 6.輸出雙路繼電器(單刀雙擲)開(kāi)關(guān)量; 7.兩路繼電器/兩路光耦/帶 4-20ma/0-10v 輸出可以選擇; 8.采用高精度壓力傳感器，比機(jī)械壓力開(kāi)關(guān)精度高，遲滯小，響應(yīng)快，穩(wěn) 定可靠;調(diào)節(jié)無(wú)死區(qū)，可以在整個(gè)量程范圍內(nèi)任意設(shè)定繼電器動(dòng)作壓力點(diǎn); 9.使用按鍵調(diào)節(jié)動(dòng)作壓力，使用簡(jiǎn)便，更加靈活; 防護(hù)等級(jí)：ip65，可以 用在環(huán)境惡劣的場(chǎng)合; 1.3 電子式壓力開(kāi)關(guān)原理 數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)通常稱為電子式壓力開(kāi)關(guān)；數(shù)顯壓力控制器等；主要原理是 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力高于或低于設(shè)定壓力值時(shí)，通過(guò)傳感器感應(yīng)內(nèi)部壓力

22、，觸動(dòng)微動(dòng) 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和接通；主要形式是通過(guò)連接導(dǎo)桿推動(dòng)。當(dāng)壓力降至或升至設(shè)定的值 時(shí)，其內(nèi)部微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷，達(dá)到控制被測(cè)壓力的目的。數(shù)顯壓力開(kāi)關(guān)全為 全電子結(jié)構(gòu)，前端采用帶隔離膜充油壓阻式壓力傳感器，由高精度的 a/d 轉(zhuǎn) 換，經(jīng)微處理器運(yùn)算處理，現(xiàn)場(chǎng)顯示，并輸出一路模擬量和兩路開(kāi)關(guān)量壓力開(kāi) 關(guān)，采用的彈性元件有單圈彈簧管、膜片、膜盒及波紋管等。開(kāi)關(guān)元件有磁性 開(kāi)關(guān)、水銀開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等2。 1.4 國(guó)外壓力檢測(cè)的現(xiàn)狀 在國(guó)外壓力檢測(cè)和控制已經(jīng)較為成熟，精度相對(duì)較高，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?產(chǎn)，目前我國(guó)，隨著我國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展，智能化不斷提高，員工密度不斷減少， 各種先進(jìn)傳感器和儀器設(shè)備將逐漸取代原

23、有的老舊設(shè)備。每個(gè)工廠幾乎對(duì)壓力 的監(jiān)測(cè)和控制已經(jīng)非常普遍，應(yīng)用非常廣泛。但是我國(guó)的傳感器控制系統(tǒng)的研 究和發(fā)展還落后于西方國(guó)家，致使我國(guó)先進(jìn)儀表設(shè)備還需大量進(jìn)口，造成了大 量資金損失。 目前使用的壓力開(kāi)關(guān)存在如下問(wèn)題： 1.工作不可靠，在對(duì)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)多次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給定壓力低于設(shè)定 值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)認(rèn)不動(dòng)作，當(dāng)用物體敲擊時(shí)又恢復(fù)正常。 2.誤動(dòng)作，用戶反映：曾多次發(fā)生當(dāng)管線內(nèi)壓力產(chǎn)生輕微波動(dòng)時(shí)造成誤動(dòng) 作。 3.精度低、校準(zhǔn)難，在校驗(yàn)時(shí)反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)才能確定設(shè)定值。 隨著節(jié)能降耗、低碳經(jīng)濟(jì)、民生產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，調(diào)整結(jié)構(gòu)和 轉(zhuǎn)型已成為國(guó)家的長(zhǎng)期國(guó)策，并帶動(dòng)了風(fēng)電、核電、物聯(lián)網(wǎng)、智能電

24、網(wǎng)、高鐵 和軌道交通等一批新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，這些行業(yè)的發(fā)展為儀器儀表行業(yè)帶來(lái) 了新的機(jī)遇和市場(chǎng)。我國(guó)儀器儀表行業(yè)也已經(jīng)真正跨入數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò) 化時(shí)代。 此次方案設(shè)計(jì)研制的數(shù)碼壓力開(kāi)關(guān)就是在電子式壓力開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上用按鈕 來(lái)設(shè)定零點(diǎn)到滿度之間的報(bào)警點(diǎn)任意調(diào)整，設(shè)計(jì)方便且不存在死區(qū)，同時(shí)采用 高集成度儀用放大器和高集成度控制芯片設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)電子式壓力開(kāi)關(guān)有許多有 點(diǎn)，但也不乏數(shù)碼顯示內(nèi)容太少，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用成本較為低廉 的微型片構(gòu)建出一個(gè)集壓力采集，信號(hào)放大，ad 轉(zhuǎn)換，液晶顯示，繼電器動(dòng) 作的一款性價(jià)比較高的壓力開(kāi)關(guān)。 第 2 章 方案設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)數(shù)顯開(kāi)關(guān)的了解以及結(jié)合設(shè)計(jì)的要求

25、，構(gòu)建一個(gè)理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 框圖來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)其中的核心部分進(jìn)行篩選和理論性分析。 2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)壓力開(kāi)關(guān)的工作原理，我得出以下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2-1 傳感器 測(cè)量的實(shí)際值與鍵盤(pán)設(shè)定的給定值經(jīng)過(guò)控制器的處理后，將結(jié)果經(jīng)控制器輸 出到繼電器及報(bào)警裝置3。 液晶顯示壓力值給定壓力值 控制器鍵盤(pán)輸入 繼電器輸出及報(bào)警 傳感器壓力測(cè)定 圖 2-1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 2.2 控制器方案確定 控制器是整個(gè)方案設(shè)計(jì)的核心，這里我選擇了 51 單片機(jī)，arm 以及 dsp 進(jìn)行了比較： 一般 51 單片機(jī)是 8 位的；arm 是 32 位的；dsp 有 16 位的，也有更高 的。所有說(shuō)從

26、運(yùn)算能力上看，c51 最弱，dsp 最強(qiáng)，arm 居中。結(jié)構(gòu)差別較 大，單片機(jī)最簡(jiǎn)單。 單片機(jī)一般芯片面積非常小，工作頻率很低（一般是 10 多 mhz，有的 是 24mhz） ，所以功耗低。dsp 則頻率很高(高的達(dá)到 300mhz 以上)，所以功 耗大。arm 芯片面積也很小，arm 是集成程度高，面積小，功耗也比較小。 頻率大約在（幾十到 200mhz 之間）4。 單片機(jī)主要應(yīng)用于不需要太多計(jì)算量的控制類(lèi)系統(tǒng)。一般配有豐富的外 圍模塊。dsp 則主要應(yīng)用于需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理， 加密解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍模塊一般較少。arm 是 c51 和 dsp 之間的一 個(gè)折衷。

27、c51 的性能遠(yuǎn)不如 arm 和 dsp，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原 因就是性能價(jià)格比。因?yàn)樗墒炝耍×?，太便宜了。而在一些需要?fù) 雜計(jì)算的領(lǐng)域，dsp 也不可或缺。arm 的成功就是他找到了一個(gè)折衷點(diǎn)，并 且建立了一個(gè)非常靈活的商業(yè)模型。 本次課題要求對(duì)壓力的實(shí)時(shí)采集傳輸數(shù)據(jù)，控制器必須要有實(shí)時(shí)接收和 處理數(shù)據(jù)的能力，選擇性價(jià)比較高的單片機(jī)，在運(yùn)行處理數(shù)據(jù)能力，一般可 以達(dá)到每秒執(zhí)行 1 百萬(wàn)條 8 位數(shù)的指令。配合高精度的 ad 采集模塊，完全 可以做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算。 所以結(jié)合實(shí)際課題指標(biāo)和成本的問(wèn)題，選擇更為經(jīng)濟(jì)適用的 51 單片機(jī)來(lái) 實(shí)現(xiàn)壓力開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。 2.3 壓力傳感

28、器選擇 2.3.1 壓力檢測(cè)的類(lèi)型壓力檢測(cè)的類(lèi)型 力傳感器是一種能將力、壓力等物理量變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)（電壓、電 流）的器件或者裝置5。其轉(zhuǎn)換的基本原理如圖 2-2 試試件件的的機(jī)機(jī)械械形形變變轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電路路 傳傳感感器器敏敏感感元元件件的的 相相應(yīng)應(yīng)參參數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生變變化化 下下一一級(jí)級(jí)處處理理力力，壓壓力力 圖 2-2 力學(xué)量傳感器原理框圖 力學(xué)量的獲得，一般不通過(guò)直接測(cè)量敏感元件，而是將敏感元件與剛性 試件通過(guò)特定的工藝結(jié)合在一起，力學(xué)量變化先引起試件在彈性范圍內(nèi)的幾 何形變，進(jìn)而引起敏感元件相應(yīng)的參數(shù)變化（如應(yīng)變片的電阻值、壓電元件 表面產(chǎn)生的電荷的多少等） ，并且這種變化與待測(cè)的力

29、、壓力應(yīng)呈線性關(guān)系， 此時(shí)敏感元件的參數(shù)變化就可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)。這種信號(hào)是 一種隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)入單片機(jī)電 路或者其他電路進(jìn)行處理或顯示。 力傳感器根據(jù)按轉(zhuǎn)換的原理分為，有應(yīng)變式、電容式、壓電式、電感式、 壓磁式等。在力的測(cè)量中，比較常用的是應(yīng)變式、電容式和壓電式。 電容式測(cè)力傳感器在惡劣環(huán)境下對(duì)測(cè)量靜態(tài)或低頻變化的力有較好的優(yōu) 勢(shì)，它不適合測(cè)量一定頻率下（12hz） ，有較大變化下的沖壓力的大小6。 應(yīng)變式傳感器所測(cè)的力從，不僅測(cè)力的范圍寬，動(dòng)態(tài)、nn 77 105105 靜態(tài)的力都能測(cè)量，而且價(jià)格相對(duì)便宜，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 應(yīng)變式傳感器核

30、心元件是電阻應(yīng)變計(jì)。電阻應(yīng)變計(jì)，也稱應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變 片，是一種將機(jī)械構(gòu)建上的彈性形變轉(zhuǎn)化為電阻變化的敏感元件。根據(jù)應(yīng)變 片的質(zhì)地，電阻應(yīng)變有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類(lèi)7。 與金屬電阻應(yīng)變片比較，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高，耗電省、機(jī)械滯 后小，可測(cè)量的靜態(tài)應(yīng)變和低頻應(yīng)變等優(yōu)點(diǎn)，但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線 性嚴(yán)重。 隨著新材料、新工藝的發(fā)展，人們選用晶體（硅、鍺、藍(lán)寶石、石英等） 材料，采用微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)研制出新型的半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器。這種傳感器測(cè)量精度高、工作可靠、工作溫度范圍寬、容 易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，比普通應(yīng)變式傳感器體積小而輸出信號(hào)大，并且克服了半導(dǎo) 體應(yīng)變片存

31、在的問(wèn)題。 2.3.2 壓阻式傳感器的工作原理壓阻式傳感器的工作原理 壓阻式傳感器工作原理與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器的工作原理一樣， 是基于半導(dǎo)體的的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一軸向施加一定的載荷而 產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。電阻率變化將引起電阻的變化，通過(guò)測(cè) 量阻值，就可以確定外界作用力的大小8。 下面通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片壓阻效應(yīng)的分析來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原 理。設(shè)有一根長(zhǎng)度為 、橫截面積為、電阻率為的半導(dǎo)體應(yīng)變片，其電阻la 值為 （2-1） a l r 當(dāng)受到軸向均勻應(yīng)力作用時(shí)，沿軸向?qū)⑸扉L(zhǎng)，橫截面積將相應(yīng)減少fl ，電阻率變化，那么電阻微笑變化為a （2-2） d r da

32、a r dl l r dr 受力后前后尺寸的變化如圖 2-3 a a a a- -d da a 1 1 1 1+ +d d1 1 圖 2-3 半導(dǎo)體應(yīng)變片的受力前后尺寸變化 可以證明，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變?yōu)?（2-3） d u r dr x )21 ( 式中為表征橫向限度相對(duì)縮小和縱向線度相對(duì)伸長(zhǎng)固定比例的泊松系u 數(shù)；為半導(dǎo)體應(yīng)變片的軸向應(yīng)變；為應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量， x /d 其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)力關(guān)系為 （2-4） x e d 式中： 為應(yīng)變片所受的應(yīng)力； 為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)； 為材料的彈性模量；e 將前兩個(gè)式子整理得 （2-5） x eu r

33、 dr )21 ( 實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于半導(dǎo)體材料，即因機(jī)械變形引起的電阻變ue21 化可以忽略，半導(dǎo)體電阻相對(duì)變化率取決于電阻率的相對(duì)變化率。 （2-6） e rdr k x b / 根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：。e 由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，應(yīng)變正比于電阻值的相對(duì)變化， x 所以應(yīng)力正比于電阻值的，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理9。 2.3.3 電阻應(yīng)變片測(cè)量電路的電橋原理電阻應(yīng)變片測(cè)量電路的電橋原理 要把應(yīng)變片的微小引起的微小電阻值的變化測(cè)出來(lái)，同時(shí)要把電阻相對(duì) 變化轉(zhuǎn)換為電壓和電流的變化，需要有專門(mén)的測(cè)量電路。直流電橋電路是常 用的測(cè)量電路。 如圖 2-4 為恒壓源供電電橋10。 1 r 2

34、 r 3 r 4 r e l r 0 u 圖 2-4 恒壓源電橋 1.平衡條件 當(dāng)時(shí)，電橋輸出電壓為 l r （2-7）)( 43 3 21 1 0 rr r rr r eu 當(dāng)電橋平衡時(shí)，,所以0 0 u 或 （2-8） 3241 rrrr 4 3 2 1 r r r r 2.電橋靈敏度 若由應(yīng)變片代替，當(dāng)電路開(kāi)路時(shí)，不平衡電橋輸出的電壓 1 r (2-9) )( )( 43211 413241 43 3 211 11 0 rrrrr rrrrrr e rr r rrr rr eu （2-10） )1)(1 ( )( 3 4 1 2 1 1 3 4 1 1 43211 41 r r r r

35、r r r r r r e rrrrr rr e 設(shè)橋臂比,由于,可忽略，若將上式合并可以近似得到 1 2 r r n 11 rr 1 1 r r （2-11） 0 1 1 2 0 )1 ( u r r n n eu 故電橋靈敏度為 （2-12） 2 1 1 0 )1 (n n e r r u sv 從上式中可以得出：電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越 高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓提高收到應(yīng)變片允許功耗的限制；電 橋電壓靈敏度是橋臂比值的函數(shù)，當(dāng)電橋電壓一定時(shí)，取 1 時(shí)，最大。en v s 也就是說(shuō)，在電橋電壓一定時(shí)，當(dāng)、時(shí)，電橋的電壓靈敏度最 21 rr 43 rr 高11

36、。 此時(shí)分別將（3-10） （3-11）和（3-12）簡(jiǎn)化，可得： (2-13) 1 1 1 1 0 2 1 1 1 4 1 r r r r eu (2-14) 1 1 0 4 1 r r eu （2-15）esv 4 1 3.恒流源電橋 要減少半導(dǎo)體應(yīng)變電橋的非線性誤差，可以通過(guò)提高橋臂比，采用差動(dòng) 電橋等措施。同時(shí)還要求各橋臂的電流穩(wěn)定12。因此，半導(dǎo)體應(yīng)變片電橋的 電源一般采用恒流源，如圖所示 2-5。 1r 2 r 3 r 4 r 0 u i 1i 2i 圖 2-5 恒流源電橋 當(dāng)供橋電流為 i，測(cè)量電路輸出阻抗高時(shí),可得到輸出電壓為 (2-16)i rrrr rrrr ririu 4

37、321 3241 32110 若電橋初始平衡，且,當(dāng)?shù)谝粯虮垭娮枳優(yōu)閞rrrr 43211 r 時(shí)，電橋輸出電壓為 11 rr (2-17) r r rii rr rr u 4 1 1 4 1 4 0 忽略,可近似得到 1 1 r r (2-18) 00 4 1 uriu 從（2-18）式可以得到：電橋的輸出電壓與電阻的變化量成正比。 4.非線性誤差 使用恒壓源時(shí)，將（2-13） 、 （2-14）帶入，可得到非線性誤差為： (2-19) r r r r r r r r u u re 2 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 0 0 而使用恒流源時(shí)，非線性誤差為 (2-20) r r r

38、r r r rr r u u re 4 4 1 1 4 1 4 1 0 0 可見(jiàn)，采用恒流源供電時(shí)的非線性誤差比采用恒壓源供電時(shí)的非線性誤 差減少一半。 2.3.4 傳感器最終方案?jìng)鞲衅髯罱K方案 綜合以上，由于本設(shè)計(jì)壓力精度并不要求太高，選擇的壓阻式傳感器， 設(shè)計(jì)為恒流源供電的電橋結(jié)構(gòu)，提高其靈敏度，這樣檢測(cè)已經(jīng)能滿足系統(tǒng)的 要求。而且大大減少了成本。 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)是真?zhèn)€宏觀的設(shè)計(jì)，而硬件電路設(shè)計(jì)就是從宏觀到微觀，從籠統(tǒng) 到具體的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 3.1 總體設(shè)計(jì)框圖 經(jīng)過(guò)對(duì)控制器和傳感器的選擇，本設(shè)計(jì)基本思路明了，壓阻式全橋傳感器 將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)壓力值轉(zhuǎn)換為幾十毫伏的電壓力

39、值。由于信號(hào)太微弱不能與 ad 模塊匹配，要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和抗干擾的電路。處理后的電壓信號(hào)要經(jīng)過(guò)模/數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 8 位二進(jìn)制碼，這些數(shù)據(jù)最后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù) 據(jù)的處理，分別在液晶屏顯示壓力值和繼電器輸出13。 設(shè)計(jì)框圖如下圖 3-1。 單片機(jī) 最小系統(tǒng) a/d轉(zhuǎn) 換電路 信號(hào)放 大濾波 電路 壓力傳 感器 液晶顯示 按鍵電路 繼電器輸出及 報(bào)警 圖 3-1 總設(shè)計(jì)框圖 3.2 壓力傳感器 70 年代，采用集成電路技術(shù)研制的擴(kuò)散型壓阻式傳感器（或稱固態(tài)壓阻 式傳感器） ，克服了粘貼帶來(lái)較大的機(jī)械滯后和蠕變以及固有頻率較低的集成 化困難的缺點(diǎn)。 3.2.1 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器

40、特點(diǎn)擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的 微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。 缺點(diǎn)：測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響14。 3.2.2 壓阻式傳感器測(cè)量電路壓阻式傳感器測(cè)量電路 傳感器輸出的非電量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量，如圖 3-2 所示的壓阻 式傳感器測(cè)量電路15。 +12v r1 r2 d1 d zener r3 -12v lm324d r4 r5 1k r6 1k r7 10k r 120k r 120k r 120k r 120k out1 out2 t npn 壓阻式傳感器等效電路 io + -

41、 圖 3-2 壓阻式傳感器的測(cè)量電路 該電路由兩部分組成，其中右邊部分為四個(gè)應(yīng)變片組成的電橋測(cè)量電路， （零點(diǎn)溫度漂移是因?yàn)閿U(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化引起的。擴(kuò)散電阻的溫度系 數(shù)因擴(kuò)散表面雜質(zhì)濃度不同導(dǎo)致薄層電阻大小各異而不一樣。但工藝上難于做 到四個(gè) p 型橋臂，電阻的溫度系數(shù)不完全相同，則不可避免產(chǎn)生溫度變化時(shí)， 無(wú)外力作用仍有電阻值的變化。一般用串，并聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償）通過(guò)調(diào) 節(jié) r7 的觸點(diǎn)位置，保證在未受載時(shí)電橋保持平衡。 左邊部分為恒流源電路，恒流源電路由運(yùn)算放大器 lm324d、三極管（調(diào) 整管）vt、穩(wěn)壓管 vdz、限流電阻，和分壓電阻，采樣電阻。1r2r3r4r 由運(yùn)算放大

42、器和三極管組成 v/i 轉(zhuǎn)換電路，由于運(yùn)算放大器失調(diào)電流極小，ios 運(yùn)算放大器的正，反相輸入端近似等電位（虛短） 。因此，輸出電流可表示 ,由此可見(jiàn)輸出電流可有和進(jìn)行調(diào)節(jié)而不隨負(fù)載電阻的變化而 4 / rvi fo f v4r 變化，從而達(dá)到恒流輸出的目的。本電路將設(shè)定為定值，通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)4r f v 現(xiàn)輸出電流全量程調(diào)節(jié)的目的16。 3.2.3 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算 設(shè)計(jì)恒流源輸出電流，得maio6 kr14 (3-1)vriv of 6164 由分壓電路得krr132 限流電阻和穩(wěn)壓管的選擇。1r r1 dz vi vl + - + - izir io 圖 3-3 穩(wěn)壓管限流電阻等效電路圖

43、已知電源在 11.512.5v 之間變動(dòng)，, i vaio1aio5 . 1 (max) 選取限流電阻時(shí)，必須保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。vvv lz 61r 太大可能使 iz 太小，無(wú)法使穩(wěn)壓管反向擊穿；太小可能使 iz 太大，燒1r1r 毀穩(wěn)壓管。所以在保證穩(wěn)壓管可靠擊穿情況下，盡可能選擇較大的 r4 阻值。 根據(jù)圖 3-9，可得到限流電阻 r1 的關(guān)系式 (3-2) olz z i vzvi ii vvi r 1 考慮最壞情況，即當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大， (min)ii vv (max)l i 的最大值必須保證穩(wěn)壓管中的電流大于，即1r (max)z i (3-3) (min)(

44、max) (max) (max) 4 zl zi ii r vv 一般穩(wěn)壓管的為幾毫安到幾十毫安。這里取，則 r4 的 (min)z imaiz5 (min) 最大值為 (3-4)amaaiii zol 505 . 1 55 . 1 (min)(max)(max) (3-5) 64 . 3 505 . 1 5 6 5 . 11 1 (max)(min) (min) (max) ama vv ii vzv r lz i 的取值將直接影響穩(wěn)壓管的最大電流，取電阻標(biāo)稱值.1r (max)z i6 . 34r 考慮最壞情況，當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小,即負(fù)載開(kāi)路， (max)ii vv 0 l i

45、原本流過(guò)負(fù)載的電流將全部流經(jīng)穩(wěn)壓管，此時(shí)的最大值為 z i (3-6)a vv i r vzv i l i z 8 . 10 6 . 3 6 5 . 12 4 (min) (max) (max) 穩(wěn)壓值，最大耗散功率。綜合vvz6wavivp zzzm 8 . 108 . 16 (max) 所示，穩(wěn)壓管選取為：穩(wěn)壓值等于 6v，最小電流小于等于 5ma，最大電流大 于 1.8a，最大耗散功率大于 10.8w。選用 2cw22c 硅穩(wěn)壓二極管 （vz=6.27.5v,pzm=3000mw）可以滿足要求17。 最終傳感器電路圖如圖 3-4。 q1 1 2 3 4 r? 一一一一一一一一一一一d1

46、2cw2 2c r7 10k r6 1k r5 1k +12v r4 1k npn -12v r1 3.6 r3 1k r2 1k 1 2 3 114 lm32 4a uout1 uout2 圖 3-4 傳感器原理圖 3.3 信號(hào)放大及調(diào)理電路 3.3.1 電路基本結(jié)構(gòu)電路基本結(jié)構(gòu) 被測(cè)壓力經(jīng)應(yīng)變片電橋得到的電信號(hào)的幅度往往很小，很難進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn) 換，且有噪聲干擾（共模干擾） ，零點(diǎn)漂移等，因此需要對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行 放大和處理。為了使電路簡(jiǎn)單并且便于調(diào)試，一般都采用集成運(yùn)算放大器搭建。 通過(guò)放大電路，最后利用低通濾波器，濾除混雜在信號(hào)中的高頻噪聲。信號(hào)放 大及調(diào)理電路的整體結(jié)構(gòu)如圖 3-

47、5。 電壓放大電路低通濾波器 微弱電壓較大電壓 模數(shù)轉(zhuǎn)換 圖 3-5 信號(hào)放大及調(diào)理電路的整體結(jié)構(gòu) 考慮到傳感器產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，一般只有幾十毫伏到幾百毫伏，很容 易受到噪聲的干擾，所以放大電路用運(yùn)算放大器構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪聲有 很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微 弱信號(hào)的放大。另外為了使輸出電壓在高頻段以更快的速度下降，調(diào)高低通濾 波器濾除噪聲的能力，這里選擇了二階低通濾波器。微弱信號(hào)檢測(cè)放大電路原 來(lái)圖如圖。壓力傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)通常具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，原理圖中可以 改變 rg 為可變電阻，通過(guò)改變 rg 的阻值，可以改變放大器的放大倍數(shù)，從 而適應(yīng)

48、放大不同大小的微弱信號(hào)18。 -12v +12v r10 4.7k c2 1000p f c1 1000p f r9 4.7k 2 3 4 6 7 op07 r8 4.7k r7 4.7k a2 a3 a1 r5 10k r610k r4 10k r3 10k r210k r110k rg 200 2 3 4 6 7 op07 -12v 2 3 4 6 7 op07 +12v 2 3 4 6 7 op07 -12v +12v -12v +12v 一一一一一一一一一一一一 圖 3-6 信號(hào)放大及濾波電路原理圖 圖 3-11 為測(cè)量和調(diào)理放大電路。該電路前半部分為三運(yùn)放儀器放大器， 由兩個(gè)運(yùn)算放大

49、器 a1 和 a2 構(gòu)成第一級(jí)，運(yùn)放 a3 構(gòu)成第二級(jí)。 把被放大信號(hào)的分別接到輸入端。假設(shè) r1=r3，ad 是 a1 和 a2 對(duì)差模 輸入信號(hào)的增益，ac 是 a1 和 a2 對(duì)共模輸入信號(hào)的增益。如果忽略輸入偏置 電流，則可列方程式。 （3-7）2/)()( 111cbindbina auuauuu （3-8）2/)()( 222cbindbina auuauuu （3-9） 2 21 21 211 2 )( aaab u rr rr uuu （3-10） 2 21 1 212 2 )( aaab u rr r uuu 解上面的方程式可得到 a1 和 a2 組成的第一級(jí)放大器的差模增益

50、為 1 g (3-11） )2/()2/(1 2/ 212 21 1 rraar aa uu uu u u g cd cd inin aa ind ad 第一級(jí)放大器的共模增益為 1cm a （3-12） 2/1 2/ 2/ )( 2/ )( 21 1 cd cd inin aa inc ac cm aa aa uu uu u u a 設(shè),a1 和 a2 的共模抑制比,由式（3-11）和1 d a1/ 1 cdcmr aak （3-12）得 (3-13) 2 1 1 21 r r u u g ind ad （3-14）1 1 inc ac cm u u a 由式（3.13）和（3.14）可知，

51、第一級(jí)放大器對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì) 共模信號(hào)有抑制作用。 假設(shè),運(yùn)放 a3 的差模增益和共模抑制比分別為和,于 54 rr 76 rr 3d a 3cmr k 是 （3-15） inccind cmr ac adout ukgu k u r r u r r u 34 6 4 6 式中 g 是整個(gè)三運(yùn)放儀器放大器對(duì)差模信號(hào)的增益 ind u （3-16） 4 6 2 1 )21 ( r r r r g 是整個(gè)儀器放大器對(duì)共模信號(hào)的增益 c k inc u （3-17） 34 6 1 cmr c kr r k 整個(gè)儀器放大器的共模抑制比為 (3-18)21 ( 2 1 r r k g k c c

52、mr 在進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，為了減少集成運(yùn)算放大器對(duì)電路的干擾，應(yīng) 選擇接近理想運(yùn)算放大器。主要參數(shù)的要求是具有較小的偏置電流、輸入偏置 電壓和零點(diǎn)漂移。具有較大的共模抑制比和輸入電阻。特別是電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí) 別對(duì)集成運(yùn)放的要求較高，一般需要運(yùn)放的輸入偏置電流在 pa 級(jí)，目前市面 上有很多滿足條件的集成運(yùn)算放大器。設(shè)計(jì)中選用運(yùn)放算放大器 op07，具有 低漂移，高精度，輸入阻抗高，易于與各種信號(hào)源匹配，穩(wěn)定性好，共模抑制 高等特性，適用于高共模電壓背景下對(duì)微小信號(hào)進(jìn)行放大。 圖 3-11 的后半部分為調(diào)理濾波電路?？紤]到 ad 采集頻率為 33khz（a/d 采集頻率計(jì)算見(jiàn) 3.4.3）

53、，設(shè)計(jì)一個(gè)二階有源濾波電路來(lái)進(jìn)行濾波。 截止頻率=35khz，先選擇電容 c（c1=c2）等于 0.33pf，計(jì)算電阻阻值。 c f 3.3.2 有源濾波器參數(shù)計(jì)算有源濾波器參數(shù)計(jì)算 由，得： rc wc 1 cc fw2 (3-19) k cf rrr c 5 . 4 10100010352 1 2 1 87 123 選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻，這與計(jì)算值有一點(diǎn)誤差，可能導(dǎo)致截止頻率比kr7 . 4 額定值稍有升高。 由 ，q 稱為品質(zhì)因數(shù) vf a q 3 1 (3-20) 9 10 1 r r aa ovf 設(shè)計(jì)電路中,已知,才能穩(wěn)定工作。當(dāng)9) 1(10rar vf 3 0 vf aa 時(shí)，電路將自

54、激振蕩19。3 0 vf aa 結(jié)合以上結(jié)論設(shè)計(jì)選擇krr7 . 4109 3.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路 傳感器采集的電信號(hào)分為兩種：一種是模擬信號(hào)，他不能直接輸送到單片 機(jī)，首先進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，然后才能送到單片機(jī)處理；一種是數(shù)字信號(hào)，它可 以直接輸送給單片機(jī)。無(wú)論是模擬傳感器，還是數(shù)字傳感器存在與單片機(jī)的硬 件或軟件的銜接問(wèn)題。 3.4.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 tlc1543 壓力傳感器采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)前面差動(dòng)運(yùn)放放大和濾波后的電信號(hào)是模 擬信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)處理。 tlc1543 是美國(guó) ti 公司生產(chǎn)的 10 通道、低價(jià)格的模/數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換器。 它采用串

55、行通信接口，能夠大大節(jié)省單片機(jī) i/o 口使用，具有輸入通道多，性 價(jià)比高、易于和單片機(jī)接口的特點(diǎn)，克廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 tlc1543 為采用 cmos 工藝制作的 20 腳 dip 封裝 10 位開(kāi)關(guān)電容逐次 a/d 逼 近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，引腳排列如圖 3-720 3.4.2 tlc1543 的特點(diǎn)的特點(diǎn) 1.10 位 a/d 分辨率轉(zhuǎn)換器 ； 由 得到 vvfs510n （3.21） 3 10 1044 . 2 2) 12( 5 2) 12( n fs v q 2.11 個(gè)模擬輸入通道； 3.3 路內(nèi)置自光測(cè)試方式； 4.總不可調(diào)整誤差；lsbmax1 5.固有的采樣保持功能； 6

56、.片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘； 7.轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出； 8.采用 cmos 技術(shù)；低功耗； 3.4.3 a/d 采集時(shí)間計(jì)算采集時(shí)間計(jì)算 ad 采集時(shí)間=ad 采集時(shí)間+ad 轉(zhuǎn)換時(shí)間。完成一次采樣時(shí)間為為 12 個(gè) i/o clock 所用時(shí)間，ad 轉(zhuǎn)換時(shí)間根據(jù) c 語(yǔ)言程序 18 個(gè)指令周期，由于每個(gè) i/o clock 由 c 語(yǔ)言完成，單片機(jī)晶振采用 12mhz，指令周期= ，所以 ad 采集時(shí)間=，故:us mhzsoc 1 12 12 12 ususus30118112 ad 采集頻率= (3.22)z 3 . 33 s103 11 5- kh ad 采集時(shí)間 采樣濾波短路截止頻率應(yīng)略高于此頻率。

57、 3.4.4 tlc1543 與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) tlc1543 與 at89c51 采用串行數(shù)據(jù)通信，這里將 tlc1543 作為外部擴(kuò) 展串行 i/o 口，由 p1.3 接 data out 引腳（a/d 轉(zhuǎn)換輸出端）用來(lái)接收 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果，p1.4 接 adderss 引腳（數(shù)據(jù)輸入端）用來(lái)控制轉(zhuǎn)換地址選擇， p1.5 接引腳（片選端）控制片選信號(hào)，p1.6 接 i/o clock 引腳（脈沖端）cs 來(lái)發(fā)送脈沖信號(hào)給 tlc154321。 接口電路原路圖 3-7。 a8 9 gnd 10 a0 1 a1 2 a2 3 a3 4 a4 5 a5 6 a6 7 a

58、7 8 vcc 20 eoc 19 i/o cl ock 18 addr ess 17 data out 16 cs 15 ref+ 14 ref- 13 a10 12 a9 11 tlc15 43 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/r xd 10 p3.1/t xd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.5/t 1 15 p3.6/w r 16 p3.7/r d 17 xtal 1 18 xtal 2 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 2

59、4 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 p1.5 6 p3.4/t 0 14 at89c 51 +5 圖 3-7 tlc1543 接口電路原理圖 3.5 顯示電路 3.5.1 lm032l 模塊模塊 顯示電路采用液晶 lcd 芯片 lm032l，是lcd 單色液晶顯示器，202 以其低功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和 低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

60、 設(shè)計(jì)中要求實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前壓力值，以及設(shè)定的上下限值，例如：滿量程 1000kpa，設(shè)定上下限初值 500kpa 與 200kpa，兩邊和中間留出間隔，一共 是 20 個(gè)字符，結(jié)合實(shí)際選擇 lm032l 顯示 40 個(gè)字符完全可以滿足要求。 如圖 3-8 為 lm032l 芯片引腳圖 vss 1 vdd 2 vee 3 rs 4 rw 5 e 6 d0 7 d1 8 d2 9 d3 10 d4 11 d5 12 d6 13 d7 14 圖 3-8 lm032l 引腳圖 3.5.2 液晶顯示模塊與單片機(jī)連接液晶顯示模塊與單片機(jī)連接 lm032l 與單片機(jī)連接如圖 3-9 p1.0 1 p1.1 2