壓力傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)的智能化設(shè)計(jì)

賀長偉，劉增良，王寶林，劉桂媛

（山東建筑大學(xué) 理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

壓力傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)的智能化設(shè)計(jì)

賀長偉，劉增良，王寶林，劉桂媛

（山東建筑大學(xué) 理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

針對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的壓力傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)存在測量精確度低、計(jì)算復(fù)雜、特性描述差等問題，文章基于單片機(jī)控制與計(jì)算機(jī)分析相結(jié)合的方案，設(shè)計(jì)了壓力傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過利用精密儀表放大器 AD620、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809、MCS-51單片機(jī)和電平轉(zhuǎn)換電路 MAX232等構(gòu)成的主體電路采集壓力非平衡電橋的電壓值，采用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從VB編譯的人機(jī)交互界面中得到傳感器靈敏度，非線性度及滯后誤差等特性結(jié)果。此系統(tǒng)測量壓力傳感器特性的準(zhǔn)確率更高，特性曲線更直觀。

壓力傳感器；智能化測量；單片機(jī)

0 引言

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及智能識別、電力、石化等眾多行業(yè)［1-4］。壓力傳感器特性測量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一項(xiàng)綜合性實(shí)驗(yàn)，通過測量不同負(fù)載的電壓值計(jì)算傳感器的基本特性。現(xiàn)有的儀器設(shè)計(jì)人工計(jì)算過程復(fù)雜且誤差較大，有待改進(jìn)和完善。單片機(jī)作為一種控制芯片已被廣泛應(yīng)用于測量及檢測領(lǐng)域［5-11］。文章中壓力傳感器特性智能化測量系統(tǒng)采用了單片機(jī)采集數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)分析計(jì)算的設(shè)計(jì)思路，壓力傳感器特性參量可隨不平衡電橋輸出電壓測量完成而同步計(jì)算出來，結(jié)果更加清晰直觀，實(shí)驗(yàn)者可以更有效地了解測量值。文章重點(diǎn)介 紹 由 儀表 放 大 器AD620、數(shù) 模轉(zhuǎn) 換 器ADC0809、MCS-51單片機(jī)、電平轉(zhuǎn)換電路 MAX232以及由它們構(gòu)成壓力傳感器智能化測量電路及軟件設(shè)計(jì)。

1 智能化測量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用以康銅電阻絲作為應(yīng)變電阻構(gòu)成非平衡電橋壓力傳感器［12］，非平衡電橋電路如圖1所示，其中 R1、R2、R3、R4為應(yīng)變電阻，R0為傳感器平衡器，E為直流穩(wěn)壓電源，U0為電橋輸出的不平衡電壓。利用電阻絲受外力作用拉長時(shí)電阻增加和壓縮時(shí)電阻減小的“應(yīng)變效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)將“力”的測量轉(zhuǎn)變?yōu)椤半妷骸钡臏y量。

圖1 壓力傳感器非平衡電橋圖

假設(shè)電橋中 R1=R2=R3=R4=R，受力時(shí)應(yīng)變電阻的變化都為ΔR，由式（1）可知，電橋輸出的不平衡電壓U0是和應(yīng)變電阻的變化 ΔR成正比的，這就是不平衡電橋的工作原理。式中：U0為電橋輸出的不平衡電壓，V；E為直流穩(wěn)壓電源，ΔR為受力時(shí)應(yīng)變電阻的變化量，R1、R2、R3和 R4分別為四個(gè)電阻的原電阻值，Ω。

測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含硬件和軟件兩部分。其過程如圖2所示，壓力傳感器非平衡電橋輸出的電壓首先經(jīng)儀表放大器放大后送到A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由單片機(jī)采集轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，通過通信模塊傳送給計(jì)算機(jī)，利用 VB編程進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)界面顯示所需的壓力傳感器特性的測量結(jié)果。

圖2 測量系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件部分主要由（1）壓力傳感器非平衡電橋；（2）信號放大器；（3）A／D轉(zhuǎn)換電路；（4）89C51單片機(jī)；（5）串行口電平轉(zhuǎn)換電路；（6）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。其中，把（2）～（5）部分集成在一塊線路板上，構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體。下面主要介紹該部分硬件電路。

2.1 信號放大電路

實(shí)驗(yàn)中由于電阻的變化是很微小的，導(dǎo)致測量電路中產(chǎn)生的電壓差U0很小，僅為幾 mV，受A／D轉(zhuǎn)換器精度的影響及考慮到噪聲干擾，要得到精確的電壓值必須對其進(jìn)行放大。因此，本設(shè)計(jì)采用精密儀表放大器 AD620。此儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)。它所采用運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)部件，在性能上與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器是單端器件，其傳輸函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定；而儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（CMR），它通常不需要外部反饋網(wǎng)絡(luò)。

通過AD620要把測量電路的13 mV電壓，放大到數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓 4 V，計(jì)算得到放大增益G為307.7，由式（2）可計(jì)算出電路設(shè)計(jì)中所需的增益電阻值為161 Ω。

式中：G為放大增益。

2.2 A／D轉(zhuǎn)換電路及與 MCS-51單片機(jī)接口電路

本測量電路采用逐次逼近型8路8位 A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809，它的性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換速度快，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機(jī)直接相連。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度較低，但是與AD620儀表放大器相配合，根據(jù)式（3）可知，在 13 mV量程范圍內(nèi)其精度已達(dá) 0.05 mV［13-14］。

A=量程／（級數(shù)-1）=13／（28-1）≈0.05（mV）（3）

為了保證 ADC0809在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的精確性，應(yīng)當(dāng)用高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電源，我們選用有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源 TL431。它的內(nèi)部有一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)源，與外部電阻配合可產(chǎn)生2.5 ～6 V精密基準(zhǔn)電壓。圖3為ADC0809的參考電壓電路，其中 R1為分壓電阻，基準(zhǔn)電壓可由式（4）計(jì)算出來。在選擇電阻時(shí)必須保證 TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA。

VO=（1+R2／R3）×VREF，VREF=2.5 V （4）

ADC0809與 MCS-51單片機(jī)的連接如圖4所示。本接口電路主要涉及兩個(gè)問題：（1）兩路模擬信號通道的選擇；（2）A／D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。對于第一個(gè)問題我們是采用單片機(jī)的 P2.3接口與ADC0809的ADDA口直接相連的方法，當(dāng)P2.3口輸出低電平時(shí)選擇 ADC0809的 IN-0口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)P2.3口輸出高電平時(shí)選擇ADC0809的 IN-1口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。對于第二個(gè)問題我們是采用單片機(jī)的P1口直接與 ADC0809 D0-D7口相連的方法，ADC0809 D0口對應(yīng)單片機(jī) P1.0口，D7對應(yīng)P1.7口。ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由單片機(jī)通過 P1口采集并傳給計(jì)算機(jī)。

圖3 ADC0809基準(zhǔn)電壓電路圖

圖4 ADC0809與 MCS-51單片機(jī)的引腳接口圖

2.3 串行口電平轉(zhuǎn)換電路

MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。把實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)通過串行口輸入到計(jì)算機(jī)，便可進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理及特性分析。在本系統(tǒng)中我們采用了三線制連接串口，具體連接方式如圖5所示。

圖5 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路圖

2.4 總體電路原理圖

本系統(tǒng)硬件電路總的設(shè)計(jì)原理圖主要包含5部分：（1）電源電路；（2）51單片機(jī)最小系統(tǒng)；（3）ADC0809電路；（4）AD620電路；（5）MAX232電路。這5部分構(gòu)成了本裝置的硬件系統(tǒng)。本電路系統(tǒng)安裝在特制的電路箱中，抗干擾能力強(qiáng)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中單片機(jī)的作用是采集 ADC0809數(shù)字化的電壓值，然后通過串行通信的方式將這些數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，單片機(jī)在采集 ADC0809轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和與計(jì)算機(jī)串行通信時(shí)放棄中斷方式而采用查詢的方式來判斷ADC0809是否完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換和是否發(fā)送或接收完數(shù)據(jù)，程序流程如圖6所示。

3.2 計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示

由于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和友好的人機(jī)界面，在對壓力傳感器特性的測量中它承擔(dān)了全部的計(jì)算內(nèi)容和結(jié)果的顯示。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)分析和計(jì)算由單片機(jī)采集來的數(shù)據(jù)并以圖文的形式顯示出來，這樣的選擇不但簡化了單片機(jī)的編程而且提高了計(jì)算精度和速度。對于計(jì)算機(jī)編程，用面向?qū)ο蟮腣B6.0編寫數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的應(yīng)用程序［15］，如圖7所示：第一部分計(jì)算壓力傳感器的特性：靈敏度、非線性誤差、滯后性誤差，第二部分計(jì)算壓力傳感器的重復(fù)性誤差，第三部分用來測量任意物體的重量，第四部分計(jì)算電橋電源電壓 E與電橋電壓 U0的關(guān)系，然后以圖形的形式顯示出來，使測量結(jié)果一目了然。

圖6 單片機(jī)主程序流程圖

4 結(jié)語

壓力傳感器特性智能化測量系統(tǒng)在傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且可通過計(jì)算機(jī)界面觀察每一個(gè)測量中間數(shù)據(jù)，計(jì)算精確。通過實(shí)時(shí)了解特性曲線、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更好地掌握了壓力傳感器的特性，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹４穗娐吠ㄟ^不同的接口電路也可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度等的測量，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)智能系統(tǒng)的良好結(jié)合。

圖7 計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示程序人機(jī)界面圖

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（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Intelligent design of experiment to measure the pressure transducer's characteristics

He Changwei，Liu Zengliang，Wang Baolin，et al.
（School of Science，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The original experimental instrument for measuring the pressure transducer's characteristics have some problems，such as low accuracy，complexity and poor description.Based on single-chip microcomputer and computer analysis，a system for measuring the characteristics of pressure transducer is designed.The main circuit consists of precision instrument amplifier AD620，ADC0809，MCS-51 SCM and MAX232 etc.By collecting the voltage of non-balanced electric bridge and analyzing the data by computer，characteristic results such as sensitivity，linearity and hysteresis error will show up in the computer interface which is compiled by VB.Results show that the system can give higher accuracy and more intuitive characteristic curve.

pressure transducer；intelligent measurement；micro-control unit

O4-33

A

1673-7644（2015）03-0288-05

2014-06-04

賀長偉（1981-），女，講師，碩士，主要從事信號與信息處理等方面的研究.E-mail：changweihe＠sdjzu.edu.cn