基于AT89C52的壓力測量及顯示裝置的設計

陳龍彪 張加齊 張樂x

摘要：為通過應變片設計一個可以自行調節量程并使用的壓力傳感器，使其達到能精確測量壓力，并通過模數轉換，使其可直接在LCD屏上顯示輸出數值，本文設計了一個基于AT89C52的壓力測試系統。該壓力傳感器能夠對小量程范圍內的壓力進行準確測量，并可通過調節增益大小，來控制傳感器的量程。

關鍵詞：壓力傳感器;數模轉換;LCD屏

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0243-02

一般的壓力傳感器中都存在應變片，而所謂的應變片，指的是受到應力作用時電阻會發生明顯變化的器件[1～3]。通過電學的方法可以測得電阻的變化值，進而可以測得壓力的大小。因此，如何精確高效地將壓力轉換為形變成為決定器件測量靈敏度的關鍵因素。而應變片可簡單地分為金屬應變片和半導體應變片，綜合考慮靈敏度、價格等多方面的優勢，選擇采用半導體應變片作為本系統傳感器的核心構成部件。

1 傳感器分析

1.1 半導體靈敏度分析

在大多數情況下，應變片的形變而產生的電阻值的變化可以用下式（1）所示：

其中，[R]為應變片電阻值;[ΔR]為應變所引起的電阻值的變化大小;[K]為應變率，[λ]為應變量;[μ]為泊松比，即應變片因受到應力作用而產生的橫向尺寸的變化和縱向尺寸的變化之比;[δ]為應變片的電阻率;[Δδ]為應力引起的應變片電阻率的變化。[（1+2μ）]部分由應變片的尺寸大小決定，而[Δδδ]由應變片電阻率的變化決定。

在金屬應變片情況下，電阻只有尺寸發生改變，應變率[K]不超過2.而在半導體應變片的情況下，除電阻尺寸改變外，還會有由于壓阻效應而產生的電阻率更大的變化，會使得應變率[K]高達100以上。

1.2 壓力傳感器的構建

將半導體應變片制成膜片結構，該結構會在受到應力時發生形變，進而轉化為膜片的電阻值的改變[4]。通過構建一個如圖1所示的惠斯通電橋，將應變片放置在橋臂上，當應變片受到壓力時，膜片上的壓力使得電橋不平衡，從而產生一個差動的輸出信號，再將該差動信號放大，就能測得壓力大小，系統采用恒電壓的工作模式。

1.3 恒電壓傳感器的基本電路

恒電壓工作模式下的傳感器基本電路圖如圖3所示。圖中使用的為測量絕對壓力的壓力傳感器KP100A，恒定電壓為7.5V，由運算放大器電源提供。

2 A/D轉換模塊設計

將模擬信號為數字信號是模擬量的輸入通道的目的，而能夠達成這一目的的器件為模數轉換器，也就是A/D轉換器。本系統中使用的數模轉換器是AD公司生產的16位AD 7705，它的任務是將放大器的輸出模擬信號轉化為數字信號進行輸出。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。其與單片機的連接如圖4所示：

AD7705 使用SP I Q SP I兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器以及DSP 連接， 相比于并行接口方式，能大大節省了CPU的 I O口。這種器件還具有分辨率高、動態范圍寬、優良的抗噪聲性能以及低功耗低電壓等諸多特點， 非常適合儀表測量、工業控制等領域的應用。

3 顯示模塊設計

電路中采用AT89C52單片機[5]，是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，單片機內含8kBISP的Flash只讀程序存儲器，256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，1個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩器;同時由于單片機本身所提供的PO、Pl、P2、和P3口不能夠滿足本單片機系統的需要，因此必須擴展I/O口，這里選用了基本的I/O口擴展芯片8155，擴展芯片直接與MCS.51系列單片機連接，無須增加硬件電路，將其與LGM12641BS1R進行連接，如圖5所示。

x顯示子程序是以字符形式顯示，開始調用提前編碼好的LCD顯示子程序。初始化命令，然后輸出顯示的命令。在顯示過程中務必記得調用延時子程序。當輸入通道中采集了一個新的過程參數，有壓力信號輸入，最后調用顯示子程序在數碼管上顯示。

4 總結

通過設計一個基于AT89C52的壓力測試裝置，能夠簡單地進行一些壓力測量工作，并在LCD屏上進行顯示，使用方便，且該系統的高性能與低功耗進一步提高了它的可行性和應用價值，具有較大的市場優勢。

參考文獻：

[1] 王維果，朱世國，饒大慶，鄒旭敏，胡再國.應變式電阻壓力傳感元件靈敏度的測定[J].物理實驗，2018，38（11）：24-27.

[2]袁明.電阻應變式傳感器誤差原因以及補償方法[J].電子技術與軟件工程，2019（09）：227.

[3]李焰，張敏，史國凱.應變片粘貼因素對壓桿測壓的影響[J].中國測試，2018，44（10）：130-133+144.

[4]張玉葉.基于應變全橋的鐵質懸臂梁傳感器的設計與實現[J].電子設計工程，2018，26（14）：125-129.

[5]梅孝安，周旭陽，朱玉軍，楊中華，范春波，趙艷杰.基于AT89C52單片機的智能沖擊電流計的設計與開發[J].電子技術，2014，43（01）：52-54.

【通聯編輯：梁書】