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压力传感器的高精度数据采集

作者:时间:2011-12-14来源:网络收藏

一、引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/161328.htm

在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中,都必须进行相关的检测与分析。通常值的变化速度较缓慢,但在测量值并把它由非电量转变成电量这一过程中,要求精度非常高,本文介绍了一种通用的压力系统。系统的压力选用Motorola公司的X型硅压力MPX2100,转换精度高、灵敏度高,具有极好的线性度,在高性能单片机AT89S52的控制下,放大调理后的模拟电量通过、高性能芯片ICL7135进行A/D转换,可以保证系统具有很高的精度和很强的抗干扰能力,使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口,实现了良好的人机交换。PLD技术的应用,节省了硬件电路的开销。

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二、系统的硬件组成及工作原理

高精度压力系统框图如图1所示。压力输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换模块转换为数字量,传送给单片机,经过标定、运算及零点补偿等处理,在液晶显示模块上显示出来,同时可经串行接口传送到上位机,实现良好的人机交换,键盘提供人机交互的手段。

1、压力数据采集及信号调理电路

压力是一种将压力转换成电流/电压的器件,可用于测量压力、位移等物理量。压力的种类很多,其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种,它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条,并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时,电桥处于平衡状态,电桥输出为零。当有外加压力时,电桥失去平衡而产生输出电压,该电压大小与压力有关,通过检测电压,即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差,零点偏移较大,不易调整。

Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图2所示,与惠斯登电桥不同,Motorola专利技术采用单个X型电阻元件,而不是电桥结构,其压敏电阻元件呈X型,因而称为X型压力传感器。该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上,并采用计算机控制的激光修正技术,温度补偿技术,使Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高,其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压,具有极好的线性度,且灵敏度高,长期重复性好。此系列中的MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器,本系统采用MPX2100DP作为压力传感器,可以很好地满足系统的要求,它具有如下特点:

①由于采用激光微调技术,使电桥零漂输出很小,一般小于±1mV;
②传感器灵敏度较高,为40mV±1.5mV;
③传感器由热敏电阻组成温度补偿网络,在-40℃~ +125℃范围内有较好的温度补偿效果,从而提高了传感器的精度;
④具有极好的线性度(±0.25%F.S);
⑤有较宽的工作温度范围(-40℃~ +125℃);
⑥允许过载大(400%)。

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(2)信号调理电路

电路图如图3所示(图中只以一路传感器输出信号为例,未画出多路开关CD4051)。

信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号,通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后,再送入放大电路,进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V,它的满量程输出x由下式确定: x =40mV×8V/10V =32mV (1)

对于电压输出逻辑电平定为5V,显然32mV的电压要进行适当的放大。

放大器采用MC33274四运算放大器,它组成一个仪表放大电路,具有高差模增益和高共模抑制比,输入阻抗高,可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成,U1B为电压跟随器,用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时,传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V(传感器电源电压的一半),则U1A的端电压也是4V,该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW,放大器的增益为:

选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032 = 4V(为电源电压的一半)。

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2、单片机及其外围电路部分

单片机外围电路如图4所示。

(1)AT89S52介绍

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52,该芯片具有低功耗、高性能的特点,是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点:
①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术;
②其片内具有256字节RAM,8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器;
③有2种低功耗节电工作方式:空闲模式和掉电模式;
④片内含有一个看门狗定时器(WDT),WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST),只要对WDTRST按顺序先写入01EH,后写入0E1H,WDT便启动,当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时,WDT即可有效地使系统复位,提高了系统的抗干扰性能。

(2)外围电路部分

接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0(A8)、P2.1(A9)、P2.2(A10)译码后生成,主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155(Y0)、键盘接口片选信号CS_KEY(Y1)及液晶模块片选信号CS_LCD(Y2)等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S,该模块能显示20×2的5×7点阵字符,功能强,与8位MCU接口方便;键盘接口设计为通用PC机接口(PS/2),是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点,而且维护方便,限于篇幅本文未介绍。A13、A14、A15组成多路模拟开关4051的编码地址线,Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号,它将被送往信号调理模块进行放大调理。在恶劣的工业工作环境中,串行通信接口芯片很有可能受到静电的冲击而损坏,特别是在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。本文选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击,最大传输距离约1219m,最大传输速率为10Mb/s;可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。

3、双积分模/数转换接口电路

(1)芯片ICL7135介绍

ICL7135是美国MAXIN公司生产的一个双积分式A/D转换集成电路,该芯片抗干扰能力强、分辩率高、价格低廉。它的分辩率相当于14位二进制数,转换误差为±1LSB,转换输出为0~19999;当测量量程为0kN~2000kN时,这样的精度使得仪表的分辩率达到0.1kN;模拟输入可以保证0点在常温下的长期稳定性。由于7135输出的转换结果是动态扫描BCD码,因此常规设计一般通过并行接口与单片机连接,以节省单片机的硬件开销,同时8155中的定时器还可以满足7135对时钟的需要。

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