數字顯示壓力測量系統設計

鄭重

摘要：由傳感器，傳感器供電電路，傳感器信號調理電路等單元電路組成的以直流電壓信號為輸出量的參量（壓力）測量電路；同時，配套設計以ADC0804為核心的數字式直流電壓表。在上述參量（壓力）測量電路，DVM的基礎上對外圍電路再進一步進行相應的擴展構成數字顯示式壓力測量系統。

關鍵詞：壓力；傳感器；A/D轉換；數字電壓表

一、數字顯示儀表的設計原理

工業生產過程中常用的數字式儀表有數字式溫度計、數字式壓力計、數字流量計、數字電子秤等。數字式儀表的出現適應了科學技術及自動化生產過程中高速、高準確度測量的需要，它具有模擬儀表無法比擬的優點。數字儀表的主要特點有：準確度高、分辨率高、無主觀讀數誤差、測量速度快、能以數碼形式輸出結果。同時數字量傳輸信息，可使得傳輸距離不受限制。

數字儀表按工作原理可分為：帶微處理器的和不帶微處理器的。不帶微處理器的儀表，通常用運算放大器和中、大規模集成電路來實現；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來實現有關功能。

1.傳感器輸出信號的特點：

（1）傳感器的輸出會受溫度的影響，有溫度系數變化。

（2）傳感器的輸出順著輸入的變化而變化，但之間的關系不一定是線性比例關系。

（31傳感器的動態范圍很寬。

（4）傳感器的種類多，輸出的形式也多種多樣。

（5）傳感器的輸出阻抗較高，到測量電路時會產生較大的信號衰減。

2.傳感器信號的二次變換

根據上述的傳感器輸出信號的特點來看，傳感器輸出的信號一般是能直接用于儀器、儀表顯示作控制信號用，往往需要通過專門的電子電路對傳感器輸出信號進行“加工處理”。如將微弱的信號給予放大，經過濾波器將有害的雜波信號濾掉，將非線性的特性曲線線性化，如有必要再加溫度補償電路。這種信號變換一般稱為二次變換。完成二次變換的電路稱為傳感器電子電路，一般也稱為測量電路，儀表電子電路或調理電路。

3.傳感器二次變換的組成

傳感器電子電路主要是模擬電路，它與數字電路一樣，是由一些單元電路組成。這些單元電路有：各種信號放大電路、有源及無源濾波電路、絕對值檢測電路、峰值保持電路、采樣.保持電路、A/D及D/A變換電路、V/F及F/V變換電路、調制解調電路溫度補償電路及非線性特性化補償電路等。

4.傳感器信號的調理電路

信號調理是指測量系統的組成部分，它的輸入時傳感器的輸出信號，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好的滿足后續標準設備或裝置要求的信號。信號調理電路通常具有放大、電平移動、阻抗匹配、濾波、解調功能。

傳感器輸出信號通常可以分為模擬量和數字量兩類。對模擬量信號進行調整匹配時，傳感器的信號調理環節相對復雜些，通常需要放大電路、調制與解調電路、濾波電路、采樣保持電路、A/D及AD/A轉換電路等。而對于數字量信號進行調理匹配時，通常只需使信號通過比較器電路及整形電路，控制計數器技術即可。

5.DVM的概述

模擬式電壓表具有電路簡單、成本低、測量方便等特點，但測量精度較差。數字電壓表（DVM），以其功能齊全、精度高、靈敏度高、顯示直觀等突出優點深受用戶歡迎。DVM應用單片機控制，組成智能儀表；與計算機接口，組成自動測試系統。目前，DVM多組成多功能式的，因此又稱數字多用表。

DVM是將模擬電壓變換為數字顯示的測量儀器，這就要求將模擬量變換成數字量。這實質上是個量化過程，即將連續的無窮多個模擬量用有限個數字表示的過程，完成這種變換的核心部件是A/D轉換器，最后用電子計數器計數顯示，因此，DVM的基本組成是A/D轉換器和電子計數器。

二、壓力測量數顯系統設計

測量系統的整機電路包括：P3000S-102A壓力傳感器、恒流源、儀用放大器、調零電路、數字電壓表（DVM）、+15V和+5V穩壓電源、-15V和-5V高效DC/DV負電源變換器等七大部分組成。

1.壓力傳感器供電電源設計

傳感器采用絕對壓力傳感器P3000S-102A，恒流驅動，電流為1.5mA，靈敏度是60×10-5～180×10-5mV/Pa，額定壓力范圍是0～98.0665KPa。（約0～100KPa）

壓阻式傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。

2.P3000S-102A型壓力傳感器供電電源設計

橋式電路的壓力傳感器的供電方式有恒壓源供電、恒流源供電兩種形式。電橋的輸出與溫度無關。所以一般都采用恒流源給傳輸器供電。但是，由于工藝上的原因，電橋的每一個橋臂電阻實際上也不是完全相等的，因此在零壓時，有零位電壓輸出，所以用恒流源供電仍會有一定的溫度誤差。

3.二次變換電子電路設計

選用壓力傳感器P3000S-102A的應變電阻為橋式連接，輸出電壓很小，僅為60～180mV，因此如果要求測量精確度很高時，必須選用輸入阻抗高，放大差動電壓的放大電路。本設計選用通用運算放大器LM324構成的差動輸入、差動輸出的儀用放大電路。

力敏傳感器的應變電路為橋式連接，從傳感器輸出端取出的電流要變換為差動電壓輸出。因此，要采用阻抗高、僅放大差動電壓的放大電路。這里選用通用運放LM324（A2和A3）構成差動輸入與差動輸出的放大電路。但傳感器輸出電壓很小，為60～180mV，因此，如果要求測量精度很高時，必須選用失調電壓極小的運放。

三、基于單片機數字電壓表的設計

在工業控制和智能化儀表中，常由單片機進行實時控制及實時數據處理。單片機所加工的信息都是數字量，而被控制或測量對象的有關參量往往是連續變化的模擬量，如溫度、速度、壓力等，與此對應的電信號是模擬電信號。單片機要處理這種信號，首先必須將模擬量轉換成數字量，這一轉換過程就是模/數轉換，實現模/數轉換的設備稱為A/D轉換器或ADC。

1.ADC0804

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數轉換芯片，分辨率8位，轉換時間100μ s，輸入電壓范圍為0～5V增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內有輸出數據鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接在CPU數據總線上，無需附加邏輯接口電路。

2.硬件電路圖

硬件電路上，簡單的數字電壓表主要包括兩個部分，一個是模/數轉換的輸入部分，模/數轉換電路實現了模擬電壓信號的采集功能。其中，參考電壓可通過滑動變阻器進行調整。一個是LED顯示部分，由三個LED管構成的。

3.軟件模擬設計

軟件設計的主要任務就是通過ADC0804進行電壓值的讀取，然后通過LED顯示器顯示出來。程序開始執行后，首先對系統進行自檢，確認系統狀態正常后選擇電壓表量程。然后分別調用電壓數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊。完成一個通道的電壓測量后，切換到其他通道進行電壓測量和顯示。AD具體操作：

（1）AD啟動。AD啟動子程序，就是對ADC0804的控制引腳進行時能控制，從而讓ADC0804進入工作狀態。

（2）AD讀操作。AD讀操作首先要將輸入引腳拉高，等待輸入的到來，然后片選和外部讀取信號來允許輸入，即可讀入A/D轉換的數據。

（3）AD控制子程序。AD控制子程序調用了AD啟動子程序和AD讀操作子程序，并通過這兩個子程序實現了電壓數據的讀入，然后通過LED顯示器顯示出來。這兩個子程序是軟件設計的關鍵部分。