某設(shè)備數(shù)字壓力表設(shè)計

陳熙霖++朱逸天++趙輝

摘要：本文主要介紹了某設(shè)備數(shù)字壓力表的設(shè)計思路以及設(shè)計內(nèi)容，包括壓力信號采集、電源管理、溫度補償?shù)奶幚怼⒅醒肟刂频取＞哂芯雀摺⒆x數(shù)簡單等特點。提高了某設(shè)備的保障效率。某設(shè)備作為某型飛機地面維修和飛行保障的主要資源，是直接影響某型飛機各項作戰(zhàn)功能發(fā)揮的重要因素。由于某型飛機具有微量保障特點，現(xiàn)有的機械壓力表量程一般較大，且精度低，讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差，將對某設(shè)備的正常保障產(chǎn)生一定影響。因此需要設(shè)計一款符合某設(shè)備保障需求的數(shù)字壓力表，能夠準確、有效地對某型飛機實施保障，對飛行訓(xùn)練和作戰(zhàn)任務(wù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：壓力表 壓力傳感器 壓力模塊

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0145-01

1 壓力傳感器測壓原理

傳統(tǒng)壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型器件為主，尺寸大，精度低，無電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的壓力傳感器逐漸被半導(dǎo)體壓力傳感器所替代。半導(dǎo)體壓電式壓力傳感器是在薄片表面形成半導(dǎo)體變形壓力，通過外界壓力使薄片發(fā)生形變從而產(chǎn)生壓電阻抗效果，然后使阻抗產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換成電信號。

力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，常用于壓力、拉力、壓力差和其他物理量（如液位、加速度、重量、應(yīng)變、流量、真空度）的測量和控制。

當(dāng)力作用于硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個能谷向另一個能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計，前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化，而且前者靈敏度比后者大50～100倍。

2 數(shù)字壓力表總體設(shè)計

數(shù)字壓力表總體分為壓力模塊和主機兩個部分。二者通過數(shù)字通訊實現(xiàn)壓力自動測量與信號的傳輸。

壓力模塊由壓力傳感器、單片機、A/D、電源管理系統(tǒng)、溫度補償?shù)葞撞糠謽?gòu)成。在傳感器有效范圍內(nèi)，輸出電壓U與和輸入壓力成正比。符合線性關(guān)系。輸出的電壓通過A/D轉(zhuǎn)換和單片機的處理后被送至主機。

主機由電源管理電路和精密電測電路構(gòu)成。主要作用是將從壓力模塊收到的電信號以壓力值的形式顯示出來并和微機通訊，最終實現(xiàn)自動測量。

3 數(shù)字壓力表詳細設(shè)計

3.1 壓力模塊設(shè)計

其中，電源管理部分負責(zé)把主機供電電源+5 V轉(zhuǎn)換為A/D模塊和溫度補償器件所要求的高精度和高穩(wěn)定度的+5V、-5V電源；通過A/D模塊雙輸入通道實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和自動溫度補償；中央處理器負責(zé)處理數(shù)據(jù)并與主機進行通訊。

壓力傳感器內(nèi)部為橋式結(jié)構(gòu)，輸出的信號隨著溫度變化存在漂移情況，所以需要對傳感器的輸出信號進行溫度補償，以保證結(jié)果的準確性。選用AD590型傳感器，此傳感器精度高，測溫范圍寬，需要的外圍器件少，因此適合在壓力模塊中使用。

為保證主機通訊的可靠性，壓力模塊與校驗儀連接線內(nèi)所傳輸?shù)男盘枒?yīng)該越少越好。在此采用6芯有屏蔽層的電纜傳輸線，傳輸?shù)男盘柗譃镈C+5V、GNDI、DC+24V、RXD、GND2、TXD幾種。其中，DC+24V為模塊內(nèi)的恒流源的工作電源，而DC+5V為模塊其它各個芯片工作電源，RXD、TXD則作為模塊和主機通訊數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換器AD7710和AD590所要求的電源是高精度的直流+5V、5V電壓源。模塊和主機連接線進行傳輸?shù)?5V電壓源難以滿足要求，最終通過芯片MAX660、REF02、OP07、ICL7660轉(zhuǎn)換出了AD7710和AD590所要求的電源，從而保證了壓力計量結(jié)果的準確性。

壓力模塊使用的微控制器為20管腳的AT89C4051。該控制器內(nèi)部由4K字節(jié)EPROM、128bit RAM和1個比較器組成，具有I2C總線方式的管腳數(shù)是13個。AT89C4051具有較強抗干擾性，無論從體積還是從性能上來說都適用于壓力模塊。

3.2 主機設(shè)計

主機的主要作用包括接收信號，顯示壓力值、電壓電流精密信號的測量、直流24V電壓的輸出、和微機進行通訊、顯示控制和鍵盤控制等。

電源管理電路的作用主要有兩個。一是當(dāng)電池單獨供電時，壓力表能夠正常工作，電池和交流適配器同時供電時，優(yōu)先選擇交流適配器為壓力表進行供電。二是對于電池的充、放電進行管理，當(dāng)電池即將欠壓時，進行報警提示或者自動關(guān)機。當(dāng)交流適配器給電池充電時，充滿8小時后自動終止充電。

主機能對壓力模塊進行自動識別，通過數(shù)字信號傳送，信號的幅值為TTL電平，有較強的抗干擾性。主機中使用AT89C52微控制器，不僅要和壓力模塊進行通訊，主機還要求和微機進行通訊。微機、主機和壓力模塊三方通訊協(xié)調(diào)是要解決的主要問題，主機將數(shù)據(jù)要分時發(fā)送給微機及壓力模塊。實際上，這種主從關(guān)系的多機通訊常常是主機先發(fā)送從機地址，然后發(fā)送數(shù)據(jù)信息，從機識別地址后，再接收數(shù)據(jù)。因此，需要主機、從機的軟件配合。

4 結(jié)語

本文主要介紹了某設(shè)備數(shù)字壓力表的設(shè)計，采用壓阻式壓力傳感器，總體上分為壓力模塊和主機部分的設(shè)計。前者具體說包括壓力信號的采集、溫度補償?shù)奶幚怼㈦娫垂芾怼⒅醒肟刂颇K幾部分的設(shè)計，后者中最重要的則是電源管理電路和與壓力模塊及微機間的數(shù)字通訊的設(shè)計。通過該設(shè)計，可提高某設(shè)備保障的精確性和保障效率。

參考文獻

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