壓力傳感器工作原理學習資料

1、壓力傳感器工作原理電阻應變式壓力傳感器工作原理細解2011-10-14 15:37 元器件交易網(wǎng)字號:中心議題: 電阻應變式壓力傳感器工作原理微壓力傳感器接口電路設計微壓力傳感器接口系統(tǒng)的軟件設計 微壓力傳感器接口電路測試與結果分析解決方案：電橋放大電路設計AD7715接 口電路設計 單片機接口電路設計本文采用惠斯通電橋濾出微壓力傳感器輸出的 模擬變量，然后用 INA118放大器將此信號放大，用7715A/D進行模數(shù)轉換，將轉換完成的數(shù)字量 經(jīng)單片機處理，最后由LCD將其顯示，采用LM334做的精密5 V恒流源為電橋 電路供電，完成了微壓力傳感器接口電路設計，既能保證檢測的實時性，也能 提高測

2、量精度。微壓力傳感器信號是控制器的前端，它在測試或控制系統(tǒng)中處于首 位，對微壓力傳感器獲取的信號能否進行準確地提取、處理是衡量一個系統(tǒng)可 靠性的關鍵因素。后續(xù)接口電路主要指信號調節(jié)和轉換電路，即能把傳感元件 輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。由于 用集成電路工藝制造出的壓力傳感器往往存在：零點輸出和零點溫漂，靈敏度 溫漂，輸出信號非線性，輸出信號幅值低或不標準化等問題。本文的研究工 作，主要集中在以下幾個方面：(1) 介紹微壓力傳感器接口電路總體方案設計、系統(tǒng)的組成和工作原 理。(2) 系統(tǒng)的硬件設計，介紹主要硬件的選型及接口電路，包括A/D轉換電路、單片機接口電

3、路、1602顯示電路。(3) 對系統(tǒng)采用的軟件設計進行研究，并簡要闡述主要流程圖，包括主 程序、A/D轉換程序、1602顯示程序。1電阻應變式壓力傳感器工作原理電阻應變式壓力傳感器是由電阻應變片組成的測量電路和彈性敏感元 件組合起來的傳感器。當彈性敏感元件受到壓力作用時，將產生應變，粘貼在 表面的電阻應變片也會產生應變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉 化為電阻應變片阻值的變化。把4個電阻應變片按照橋路方式連接，兩輸入端 施加一定的電壓值，兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加 或者減小。一般這種變化的對應關系具有近似線性的關系。找到壓力變化和輸 出共模電壓變化的對應關系，就

4、可以通過測量共模電壓得到壓力值。當有壓力時各橋臂的電阻狀態(tài)都將改變，電橋的電壓輸出會有變化。式中：Uo為輸出電壓，Ui為輸入電壓 當輸入電壓一定且 Ri <對于全等臂電橋，R仁R2= R3= R，各橋臂電阻應變片靈敏系數(shù) K相 同，式(2)可簡化為由于 Ri<式(4)為電橋轉換原理的一般形式U為電橋輸出電壓。作為全等臂 電橋， R1 = R2 = R 3= R4，式(4)變?yōu)?U =UK&。2微壓力傳感器接口電路應用微壓力傳感器對壓力的感應特性，將壓力轉換為模擬的電壓輸 出，此輸出信號不能直接由單片機處理。因此，需要經(jīng)A/D轉換為數(shù)字量。單片機通過對此數(shù)字量的處理，獲得實際

5、的壓力值，并通過液晶屏顯示。圖1微壓力傳感器接口電路框圖由圖1可以看出，整個電路的設計分4大部分：電橋電路、放大電 路、A/D轉換電路、LCD顯示電路。2.1電橋放大電路由于所測出的微壓力傳感器兩端的電壓信號較弱，所以電壓在進行A/D轉換之前必須經(jīng)過放大電路的放大（見圖2）。INA118由3個運算放大器組成差 分放大結構，內置輸入過壓保護，且可通過外置不同大小的電阻實現(xiàn)不同的增 益（從1到1 000），因而應用范圍很廣。圖2電橋放大電路通過在腳1和腳8之間外接一電阻Rg來實現(xiàn)不同的增益，該增益可從 1到1 000不等。電阻Rg為式中G為增益。由于Rg的穩(wěn)定性和溫度漂移對 增益有影響，因此，在需

6、要獲得高精度增益的應用中對Rg的要求也比較高，應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設計中的Rg值較小，如G=100寸的Rg值為1.02 k Q ;G=1 000時的Rg值為50.5 Q。2.2 AD7715 接口電路為了實現(xiàn)對微壓力的實時測量，使用 16位的AD7715對輸出電壓進行 采樣測量，其中AD780提供2.5V高精度基準電壓。P3.1腳提供了 AD工作所 需的時鐘，P1.4和P1.5腳接收和發(fā)送通訊 數(shù)據(jù)，P1.6是片選信號，P1.7接DRDY, AT89S52可以通過查詢P1.7的狀態(tài)來判斷是否可以讀取 AD轉換結 果。A/D接口電路如圖3所示。I.OOOMoaiu

7、FAnLSpFC4LOOKAV+15|-:CS 4.IuFTSCLKDGNDMCLK.INDVBDMCLLwitDINOSDOUTBESETATtDAGWDA兩矗F誠-)Raf 昭）AD7715U4NCNQG-HDNCTEMFToutU2TRIMAD780S7¥3If1514 PI13 PT12 n10Pl色 4P13567gP£.TLl血曲D圖3 A/D轉換電路2.3單片機接口電路AT89S52是一個低功耗，高性能 CM(S 8位單片機，兼容標準 MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構本設計使用的復位電路是由22卩F的電容，1 k Q的電阻及IN4148 極管組成。在滿

8、足單片機可靠復位的前提下，該復位電路的優(yōu)點在于降低復位 引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力。二極管可以實現(xiàn)快速釋放 電容電量的功能，滿足短時間復位的要求。 本設計的單片機連接電路如圖4所示，輸入信號為經(jīng)7715A/D轉換的模擬電 壓，單片機進行計算處理后輸入到 LCD1602液晶顯示，顯示出相應的壓力值。DM JIL-rf2021SC.W3PCzJfiFf 25TX】站AE.T2 3ji i Y?： 52 .一 A9V2 1KTALlAIWJS?H：AL2p；! M LPi 3樂AlikPJSpj.irri心“爐亦P3.1/T0A1SJP27P3.SJJ-T1FKNLJ.M

9、NTOALEpVRC<P31-TVD!a VrrpjtmxDfcT収啦EPl苗怎他駅）3P）倔也心PMPl EMCCiAP3TC3PhiADSIP03Pl.31Pl.2pi LmEjrPl j.T2:oT-e6PS 5P?4匪3EHTU更T30PL T ?T< pTjPT.4 珂3 ?T j圖4單片機連接電路 3系統(tǒng)的軟件設計3.1主程序流程圖在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括A/D、串行口、中斷等工作狀態(tài)的設定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設定值等。執(zhí)行相應的 功能子程序。當啟動鍵按下后，根據(jù)設定值、校正等參數(shù)計算對應輸出的數(shù)字 量，如圖5所示。圖5主程序流程圖 3.

10、2模數(shù)轉換程序首先對AD7715芯片進行初始化，對內部寄存器寫入相應代碼，然后才 能對其它寄存器進行讀寫。AD7715的大多數(shù)寄存器是8位寄存器，只有數(shù)據(jù)寄 存器、零點校準寄存器和滿量程校準寄存器是 16位寄存器。對它們分別寫入數(shù) 據(jù)，判斷DRDY是否為零，為零時讀寄存器數(shù)據(jù)，不為零時重新寫寄存器。3.3 1602 顯示程序本系統(tǒng)采用定時中斷0來實現(xiàn)逐位動態(tài)顯示，使LCD輸出非常穩(wěn)定， 不用考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。LCD1602勺數(shù)據(jù)引腳與控制引腳與單片機的I/O 口直接相連，DBA DB7分別連接單片機的 P1.0P1.7 口，數(shù)據(jù)并行傳輸速度快，Vo亮度調節(jié)引

11、腳直接接地，顯示最亮 狀態(tài)。4測試與結果分析4.1測試內容與測試結果在單片機控制的場合，將因單片機不能直接測量的信號傳感器大多為 電壓輸出型，要使用壓力傳感器將測量信號轉換為 05V電壓輸出，通過模擬 數(shù)字轉換電路轉換為數(shù)字信號供單片機讀取、控制。4.2測試結果分析對于微壓力傳感器，在電路設計時只需選擇合適的降壓電阻，通過A/D轉換器直接將電阻上的電壓轉換為數(shù)字信號即可，電路調試及數(shù)據(jù)處理都比較 簡單。電路在實際測量中存在一定的誤差，主要是由于溫漂和一些外部干擾造 成的，見表1。蘭址陋力値広0 叱11.52實臉故撫O.tXK I 05! 2 4L023 42J7fi5表1測量數(shù)據(jù)由壓力傳感器產

12、生電壓與放大器形成電壓回路，從而在取樣電阻上產 生一定壓降，并將此電壓值輸入到放大器 INA118的3腳。INA118與其相連接 的電阻構成可調整電壓放大電路，將壓力傳感器電流在取樣電阻上的電壓值進 行放大并通過INA118的1腳輸出至模擬數(shù)字轉換電路，供單片機 AT89S5讀 入，通過數(shù)據(jù)處理將壓力傳感器的電壓在屏幕上以壓力值的形式顯示出來。4.3電路的優(yōu)缺點電壓輸出型壓力傳感器抗干擾能力差，有時輸出的直流電壓上還疊加 有交流成分，使單片機產生誤判斷，控制出現(xiàn)錯誤，嚴重時還會損壞設備。因為本電路的結構非常簡單，使用的芯片在精度方面的欠缺以及其它一些相應條 件的限制，所以在準確度上有一些不足。(1)本電路的主要優(yōu)點：電路結構簡單；元器件價格低廉；操作方 便；電源單獨、統(tǒng)一、穩(wěn)定。(2)本電路的主要缺點：存在溫漂；受