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基于单片机控制的数字压力传感器的doc.doc
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基于单片机控制的数字压力传感器的doc.doc
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数字压力传感器
摘要: 本课题主要介绍数字压力传感器,包括应变计/压电传感器为敏感元件的硬件电路设计、运
算元件(80C51 单片机)数据处理、4 位数码显示系统以及相应的通信接口与协议; 实现在一路测
量范围在 0~250PSI,测量精度在 1PSI,分辨率在 1PSI。
关键词:PIC 单片机 数字 通讯 智能
1 引言
数字压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自
控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石
化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业,下面就简单介绍一些常用传感
器原理及其应用。
本课程设计的数字压力传感器以单片机为主要部件,利用全桥测量原理,通过对电路输
出电压和标准压强的线性关系,建立具体的数学模型,将电压量纲(V)改为压强纲
(pa)即成为一台原始电子称。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。
电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种,本设计采用全桥测量电路,使系统产生
的误差更小,输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模
拟信号进行一定倍数的放大,以满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求。ADC0809 的 A/D
转换作用是把模拟信号转变成数字信号,进行模数转换,然后把数字信号输送到显示电
路中去,最后由显示电路显示出测量结果。并且能实现数字传感器之间的通讯,达到数
据共享的目的。从而更好的满足当今社会发展的需求。
2 方案论证
2.1 方案一:
本方案采用电阻应变片作为敏感元件采集信息,经三运放大器放大处理,再送入 ADC0809
进行数模转换,运用 80C51 单片机作为运算处理元件处理数据,并进行通讯和 LED 显示。
基本工作原理框图如下:
图 1.2-1 基本工作原理框图
2.2 方案二:
电阻应
变片
传感器
三运
放大器
ADC0809
A/D 转
换器
8051
8155
LED
显示器
RS-485
通讯
MAX
7219
本方案采用压电传感器作为敏感元件采集信息,经三运放大器放大处理,再送入 ADC0809
进行数模转换,运用 DSP 单片机作为运算处理元件处理数据,并进行通讯和 LED 显示。
基本工作原理框图如下:
2.3 方案选择:
本次设计要求精度不高,考虑其成本、自身的学习经历。本次设计采取方案一。
3 各电路设计和论证
3.1 电源电路设计和论证
直流稳压电源是电子设备中必不可少的组成部分,它通常由电源变压器、整流、滤波和
稳压电路等四部分组成。
3.1.1 方案一
图 3-1 所示为 CW7800 系列三端固定输出采集集成稳压器的基本应用电路。图中表明了
从交流电网电压经电源变压器降压,又经桥式整流和电容滤波后加在稳压器的输入端的
连接方法,并提供各种有关元器件的参考参数。正常工作时,稳压器的输入输出电压差
一般为 2-3V。图中 V5 是保护二极管,当输入端短路时,给输出电容器 C4 存储的电荷提
供一个放大电路,防止 C4 两端电压作用于集成稳压器内部调整管的发射结,造成发射
结击穿而损坏三端集成稳压器。
Vin
1
GND
2
Vout
3
U1 7805
T1
220V/9V
D1
IN4001
D2
IN4001
D3
IN4001
D4
IN4001
C1
1000UF
C4
100UF
C2
0.33UF
C3
0.1UF
1
2
J1
IN 220V
1
2
J2
OUT 5V
压电
传感器
三运
放大器
PIC
8155
RS-485
通讯
LED
显示器
MAX
7219
电 源 变
压器
整 流 电
路
滤 波 电
路
稳 压 电
路
u1
U1
u2
Ur
Uf
Uo
220V
直流稳压电源的组成与构成图
3.1.2 方案二
串联型晶体管稳压管稳压电路组成框图如图所示,它由调整管、取样电路、基准电压和
比较放大电路等部分组成。图是典型的串联型双极型晶体管稳压电路。图中 R1、Rp2 和
R2 所组成的分压器称为取样电路,它能将输出电压的变化取回一部分送到双极型晶体管
V2 的基极。由限流电阻 R3 和稳压管 V3 组成的电路提供一个基准电压 Uz,使双极型晶
体管 V2 的发射极电位保持恒定。双极型晶体管 V2 将取样电压和基准电压进行比较,所
的误差电压通过 V2 进行放大,因此将 V2 所组成的放大电路电路或误差放大电路。双极
型晶体管 V1 在电路中起电压调节作用,称为调整管。R4 既是 V2 的集电极负载电阻,又
是 V1 管的基极偏置电阻。
3.1.3 方案论证
由于三端稳压管只有三个引出端子,具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价
格廉价等优点,因而得到广泛应用。所以本课题用第一方案。
3.2 数据采集电路设计和论证
3.2.1 方案一
3.2.1.1 电阻应变式传感器的组成以及原理
V1
V2
R1
R2
R3R4
RL
T1
220V/9V
D1
IN4001
D2
IN4001
D3
IN4001
D4
IN4001
1
2
J1
IN 220V
RP
V3
1
2
J2
OUT 5V
调整管
比较放大
电路
基准电压
取
样
电
路
IO
+OUT-
RL
电阻应变式传感器是将被测量的力,通过它产生的导体或半导体材料弹性变形转换
成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种:
金属电阻应变片和半导体应变片,金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。
本设计中采用的是金属电阻应变片丝式结构,为获得高电阻值,电阻丝排成网状,并贴
在绝缘的基片上,电阻丝两端引出导线,线栅上面粘有覆盖层,起保护作用。
电阻应变片也会有误差,产生的因素很多,所以测量时我们一定要注意,其中温度
的影响最重要,环境温度影响电阻值变化的原因主要是:
A. 电阻丝温度系数引起的。
B. 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。
对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片,也会
因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感器,必须进行
温度补偿,解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片,并从外部
对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原
因很多,一般来说主要是由结构设计决定,通过线性补偿,也可得到改善。 滞后和蠕
变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料,其特性随温度变化较大,
所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:R
1
=
R+ΔR,R
2
=R-ΔR,R
3
=R+ΔR,R
4=
R-ΔR,其电路输出电压 U
out
=UKε。由于充分利用了双
差动作用,它的输出电压为单臂工作时的 4 倍,所以大大提高了测量的灵敏度。
3.2.1.2 电阻应变式传感器的测量电路
常规的电阻应变片 K 值很小,约为 2,机械应变度约为 0.000001—0.001,所以,电
阻应变片的电阻变化范围为 0.0005—0.1 欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的
电阻变化,在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。
桥式测量电路有四个电阻,其中任何一个都可以是电阻应变片电阻,电桥的一个对
角线接入工作电压 U,另一个对角线为输出电压 Uo。其特点是:当四个桥臂电阻达到相
应的关系时,电桥输出为零,或则就有电压输出,可利用灵敏检流计来测量,所以电桥
能够精确地测量微小的电阻变化。
测量电路是电子称设计电路中是一个重要的环节,我们在制作的过程中应尽量选择
好元件,调整好测量的范围的精确度,以避免减小测量数据的误差。
图 1.2-4 全桥测量电桥图
它由电阻应变片电阻 R1、R2、R3、R4 组成测量电桥,R
1
=R
2
=R
3
=R
4
=350Ω,加
热丝阻值为 50Ω左右,测量电桥的电源由稳压电源 U
in
供给。将差动放大器调零,合上
电源开关,调节电桥平衡电位 RW1,使数显表显示 0.00V。将 10 只标准砝码全部置于传
感器的托盘上,调节电位器 RW3(增益即满量程调节)使数显表显示为 0.200V(2V 档测
量)或-0.200V。拿去托盘上的所有砝码,调节电位器 R W4(零位调节)使数显表显示
为 0.0000V。重复 2、3 步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲 V 改为压强纲
p,就可以称重。
3.2.2.1 三运放大电路
本次课程设计中,需要一个放大电路,我们将采用三运放大电路,主要的元件就是
三运放大器。在许多需要用 A/D 转换和数字采集的单片机系统中,多数情况下,传感器
输出的模拟信号都很微弱,必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大,才能满
足 A/D 转换器对输入信号电平的要求,在此情况下,就必须选择一种符合要求的放大器。
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
POT2
UIN
UOUT
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omyligaga
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