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压力传感器工作原理

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电阻应变式压力传感器工作原理细解
2011-10-14 15:37元器件交易网
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　　中心议题：
　　电阻应变式压力传感器工作原理
　　微压力传感器接口电路设计
　　微压力传感器接口系统的软件设计
　　微压力传感器接口电路测试与结果分析
　　解决方案：
　　电桥放大电路设计
　　AD7715接口电路设计
　　单片机接口电路设计
　　本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。
　　微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面：
　　(1)介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。
　　(2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。
　　(3)对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D 转换程序、1602显示程序。
　　1 电阻应变式压力传感器工作原理
　　电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。
　　当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。

　　式中：Uo 为输出电压，Ui 为输入电压。
　　当输入电压一定且 ΔRi <

对于全等臂电桥， R1= R2= R3= R，各桥臂电阻应变片灵敏系数K相同，式(2)可简化为

　　由于ΔRi<

　　式(4)为电桥转换原理的一般形式。ΔU 为电桥输出电压。作为全等臂电桥， ΔR1 = ΔR2 = ΔR 3= ΔR4 ，式(4)变为ΔU =UKε 。
　　2 微压力传感器接口电路
　　应用微压力传感器对压力的感应特性，将压力转换为模拟的电压输出，此输出信号不能直接由单片机处理。因此，需要经A/D 转换为数字量。单片机通过对此数字量的处理，获得实际的压力值，并通过液晶屏显示。

　　图1 微压力传感器接口电路框图
　　由图1 可以看出，整个电路的设计分4 大部分：电桥电路、放大电路、A/D 转换电路、LCD 显示电路。
　　2.1 电桥放大电路
　　由于所测出的微压力传感器两端的电压信号较弱，所以电压在进行A/D 转换之前必须经过放大电路的放大(见图2)。INA118 由3 个运算放大器组成差分放大结构，内置输入过压保护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益(从1 到1 000)，因而应用范围很广。

　　图2 电桥放大电路
　　通过在脚1 和脚8 之间外接一电阻Rg 来实现不同的增益，该增益可从1 到1 000 不等。电阻Rg 为式中G 为增益。由于Rg 的稳定性和温度漂移对增益有影响，因此，在需要获得高精度增益的应用中对Rg 的要求也比较高，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路设计中的Rg 值较小，如G=100时的Rg 值为1.02 kΩ;G=1 000 时的Rg 值为50.5Ω。
　　2.2 AD7715 接口电路
　　为了实现对微压力的实时测量，使用 16 位的AD7715 对输出电压进行采样测量，其中AD780 提供2.5V 高精度基准电压。P3.1 脚提供了AD 工作所需的时钟，P1.4 和P1.5 脚接收和发送通讯数据，P1.6 是片选信号，P1.7 接DRDY ，AT89S52 可以通过查询P1.7 的状态来判断是否可以读取AD 转换结果。A/D 接口电路如图3所示。

　　图3 A/D 转换电路
　　2.3 单片机接口电路
　　AT89S52 是一个低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构。
　　本设计使用的复位电路是由22μF 的电容，1 kΩ的电阻及IN4148 二极管组成。在满足单片机可靠复位的前提下，该复位电路的优点在于降低复位引脚的对地阻抗，可以显着增强单片机复位电路的抗干扰能力。
　　二极管可以实现快速释放电容电量的功能，满足短时间复位的要求。本设计的单片机连接电路如图4 所示，输入信号为经7715A/D 转换的模拟电压，单片机进行计算处理后输入到LCD1602 液晶显示，显示出相应的压力值。

　　图4 单片机连接电路
　　3 系统的软件设计
　　3.1 主程序流程图
　　在系统加电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括A/D、串行口、中断等工作状态的设定，给系统变量赋初值，显示上次设定值等。执行相应的功能子程序。当启动键按下后，根据设定值、校正等参数计算对应输出的数字量，如图5 所示。

　　图5 主程序流程图
　　3.2 模数转换程序
　　首先对AD7715 芯片进行初始化，对内部寄存器写入相应代码，然后才能对其它寄存器进行读写。AD7715 的大多数寄存器是8 位寄存器，只有数据寄存器、零点校准寄存器和满量程校准寄存器是16 位寄存器。对它们分别写入数据，判断DRDY 是否为零，为零时读寄存器数据，不为零时重新写寄存器。
　　3.3 1602 显示程序
　　本系统采用定时中断0 来实现逐位动态显示，使LCD 输出非常稳定，不用考虑定时刷新显示，使得该显示子程序简单灵活，适用性广。LCD1602的数据引脚与控制引脚与单片机的I/O 口直接相连，DB0～DB7 分别连接单片机的P1.0～P1.7 口，数据并行传输速度快，Vo 亮度调节引脚直接接地，显示最亮状态。
　　4 测试与结果分析
　　4.1 测试内容与测试结果
　　在单片机控制的场合，将因单片机不能直接测量的信号传感器大多为电压输出型，要使用压力传感器将测量信号转换为0～5 V 电压输出，通过模拟数字转换电路转换为数字信号供单片机读取、控制。
　　4.2 测试结果分析
　　对于微压力传感器，在电路设计时只需选择合适的降压电阻，通过A/D 转换器直接将电阻上的电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。电路在实际测量中存在一定的误差，主要是由于温漂和一些外部干扰造成的，见表1。

　　表1 测量数据
　　由压力传感器产生电压与放大器形成电压回路，从而在取样电阻上产生一定压降，并将此电压值输入到放大器INA118 的3 脚。INA118 与其相连接的电阻构成可调整电压放大电路，将压力传感器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过INA118 的1 脚输出至模拟数字转换电路，供单片机AT89S52读入，通过数据处理将压力传感器的电压在屏幕上以压力值的形式显示出来。
　　4.3 电路的优缺点
　　电压输出型压力传感器抗干扰能力差，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备。因为本电路的结构非常简单，使用的芯片在精度方面的欠缺以及其它一些相应条件的限制，所以在准确度上有一些不足。
　　(1)本电路的主要优点：①电路结构简单;②元器件价格低廉;③操作方便;④电源单独、统一、稳定。
　　(2)本电路的主要缺点：①存在温漂;②受人为因素影响比较大;③携带不方便。
　　5 结束语
　　通过对微压力传感器的应用、特点及工作特性等方面的研究，并对微压力传感器接口电路进行了设计，在电路框图中充实了各个部分的内容。首先采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的变量，然后用INA118放大器将此信号放大，再用7715A/D 转换器驱动LCD 将其显示。完善了微压力传感器接口电路，使电路在功能性、稳定性、可靠性及小型化等方面都有所增强。

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