壓力傳感器工作原理

..電阻應(yīng)變式壓力傳感器工作原理細(xì)解2011-10-1415:37元器件交易網(wǎng)字號：中心議題：電阻應(yīng)變式壓力傳感器工作原理微壓力傳感器接口電路設(shè)計(jì)微壓力傳感器接口系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)微壓力傳感器接口電路測試與結(jié)果分析解決方案：電橋放大電路設(shè)計(jì)AD7715接口電路設(shè)計(jì)單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)本文采用惠斯通電橋?yàn)V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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量經(jīng)單片機(jī)處理,最后由LCD將其顯示,采用LM334做的精密5V恒流源為電橋電路供電,完成了微壓力傳感器接口電路設(shè)計(jì),既能保證檢測的實(shí)時(shí)性,也能提高測量精度。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(jìn)行準(zhǔn)確地提取、處理是衡量一個(gè)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。后續(xù)接口電路主要指信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路,即能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)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(diǎn)輸出和零點(diǎn)溫漂,靈敏度溫漂,輸出信號非線性,輸出信號幅值低或不標(biāo)準(zhǔn)化等問題。本文的研究工作,主要集中在以下幾個(gè)方面：<1>介紹微壓力傳感器接口電路總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的組成和工作原理。<2>系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),介紹主要硬件的選型及接口電路,包括A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)接口電路、1602顯示電路。<3>對系統(tǒng)采用的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,并簡要闡述主要流程圖,包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、1602顯示程序。1電阻應(yīng)變式壓力傳感器工作原理電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)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(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí),將產(chǎn)生應(yīng)變,粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會產(chǎn)生應(yīng)變,表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化。把4個(gè)電阻應(yīng)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(yīng)關(guān)系具有近似線性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對應(yīng)關(guān)系,就可以通過測量共模電壓得到壓力值。當(dāng)有壓力時(shí)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(dāng)輸入電壓一定且ΔRi<對于全等臂電橋,R1=R2=R3=R,各橋臂電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)K相同,式<2>可簡化為由于ΔRi<式<4>為電橋轉(zhuǎn)換原理的一般形式。ΔU為電橋輸出電壓。作為全等臂電橋,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,式<4>變?yōu)棣=UKε。2微壓力傳感器接口電路應(yīng)用微壓力傳感器對壓力的感應(yīng)特性,將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出,此輸出信號不能直接由單片機(jī)處理。因此,需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)通過對此數(shù)字量的處理,獲得實(shí)際的壓力值,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(gè)電路的設(shè)計(jì)分4大部分：電橋電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須經(jīng)過放大電路的放大<見圖2>。INA118由3個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu),內(nèi)置輸入過壓保護(hù),且可通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益<從1到1000>,因而應(yīng)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(shí)現(xiàn)不同的增益,該增益可從1到1000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,在需要獲得高精度增益的應(yīng)用中對Rg的要求也比較高,應(yīng)采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外,高增益的電路設(shè)計(jì)中的Rg值較小,如G=100時(shí)的Rg值為1.02kΩ;G=1000時(shí)的Rg值為50.5Ω。2.2AD7715接口電路為了實(shí)現(xiàn)對微壓力的實(shí)時(shí)測量,使用16位的AD7715對輸出電壓進(jìn)行采樣測量,其中AD780提供2.5V高精度基準(zhǔn)電壓。P3.1腳提供了AD工作所需的時(shí)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(zhuǎn)換結(jié)果。A/D接口電路如圖3所示。圖3A/D轉(zhuǎn)換電路2.3單片機(jī)接口電路AT89S52是一個(gè)低功耗,高性能CMOS8位單片機(jī),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)使用的復(fù)位電路是由22μF的電容,1kΩ的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下,該復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)在于降低復(fù)位引腳的對地阻抗,可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。二極管可以實(shí)現(xiàn)快速釋放電容電量的功能,滿足短時(shí)間復(fù)位的要求。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)連接電路如圖4所示,輸入信號為經(jīng)7715A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓,單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理后輸入到LCD1602液晶顯示,顯示出相應(yīng)的壓力值。圖4單片機(jī)連接電路3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)定,給系統(tǒng)變量賦初值,顯示上次設(shè)定值等。執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后,根據(jù)設(shè)定值、校正等參數(shù)計(jì)算對應(yīng)輸出的數(shù)字量,如圖5所示。圖5主程序流程圖3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換程序首先對AD7715芯片進(jìn)行初始化,對內(nèi)部寄存器寫入相應(yīng)代碼,然后才能對其它寄存器進(jìn)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(diǎn)校準(zhǔn)寄存器和滿量程校準(zhǔn)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(shí)讀寄存器數(shù)據(jù),不為零時(shí)重新寫寄存器。3.31602顯示程序本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷0來實(shí)現(xiàn)逐位動(dòng)態(tài)顯示,使LCD輸出非常穩(wěn)定,不用考慮定時(shí)刷新顯示,使得該顯示子程序簡單靈活,適用性廣。LCD1602的數(shù)據(jù)引腳與控制引腳與單片機(jī)的I/O口直接相連,DB0～DB7分別連接單片機(jī)的P1.0～P1.7口,數(shù)據(jù)并行傳輸速度快,Vo亮度調(diào)節(jié)引腳直接接地,顯示最亮狀態(tài)。4測試與結(jié)果分析4.1測試內(nèi)容與測試結(jié)果在單片機(jī)控制的場合,將因單片機(jī)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(zhuǎn)換為0～5V電壓輸出,通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供單片機(jī)讀取、控制。4.2測試結(jié)果分析對于微壓力傳感器,在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需選擇合適的降壓電阻,通過A/D轉(zhuǎn)換器直接將電阻上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可,電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。電路在實(shí)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。表1測量數(shù)據(jù)由壓力傳感器產(chǎn)生電壓與放大器形成電壓回路,從而在取樣電阻上產(chǎn)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(gòu)成可調(diào)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(jìn)行放大并通過INA118的1腳輸出至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,供單片機(jī)AT89S52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(diǎn)電壓輸出型壓力傳感器抗干擾能力差,有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分,使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷,控制出現(xiàn)錯(cuò)誤,嚴(yán)重時(shí)還會損壞設(shè)備。因?yàn)楸倦娐返慕Y(jié)構(gòu)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(yīng)條件的限制,所以在準(zhǔn)確度上有一些不足。<1>本電路的主要優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡單;②元器件價(jià)格低廉;③操作方便;④電源單獨(dú)、統(tǒng)一、穩(wěn)定。<2>本電路的主要缺點(diǎn)：①存在溫漂;②受人為因素影響比較大;③攜帶不方便。5結(jié)束語