壓力傳感器特性測量實驗的智能化設計

賀長偉，劉增良，王寶林，劉桂媛

（山東建筑大學 理學院，山東 濟南 250101）

壓力傳感器特性測量實驗的智能化設計

賀長偉，劉增良，王寶林，劉桂媛

（山東建筑大學 理學院，山東 濟南 250101）

針對大學物理實驗中的壓力傳感器特性測量實驗存在測量精確度低、計算復雜、特性描述差等問題，文章基于單片機控制與計算機分析相結合的方案，設計了壓力傳感器特性測量實驗系統。通過利用精密儀表放大器 AD620、模數轉換器 ADC0809、MCS-51單片機和電平轉換電路 MAX232等構成的主體電路采集壓力非平衡電橋的電壓值，采用計算機對數據進行處理分析，從VB編譯的人機交互界面中得到傳感器靈敏度，非線性度及滯后誤差等特性結果。此系統測量壓力傳感器特性的準確率更高，特性曲線更直觀。

壓力傳感器；智能化測量；單片機

0 引言

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，已經廣泛應用于各種工業自控環境，涉及智能識別、電力、石化等眾多行業［1-4］。壓力傳感器特性測量是大學物理實驗中的一項綜合性實驗，通過測量不同負載的電壓值計算傳感器的基本特性。現有的儀器設計人工計算過程復雜且誤差較大，有待改進和完善。單片機作為一種控制芯片已被廣泛應用于測量及檢測領域［5-11］。文章中壓力傳感器特性智能化測量系統采用了單片機采集數據及計算機分析計算的設計思路，壓力傳感器特性參量可隨不平衡電橋輸出電壓測量完成而同步計算出來，結果更加清晰直觀，實驗者可以更有效地了解測量值。文章重點介 紹 由 儀表 放 大 器AD620、數 模轉 換 器ADC0809、MCS-51單片機、電平轉換電路 MAX232以及由它們構成壓力傳感器智能化測量電路及軟件設計。

1 智能化測量系統方案設計

本實驗系統使用以康銅電阻絲作為應變電阻構成非平衡電橋壓力傳感器［12］，非平衡電橋電路如圖1所示，其中 R1、R2、R3、R4為應變電阻，R0為傳感器平衡器，E為直流穩壓電源，U0為電橋輸出的不平衡電壓。利用電阻絲受外力作用拉長時電阻增加和壓縮時電阻減小的“應變效應”，實現將“力”的測量轉變為“電壓”的測量。

圖1 壓力傳感器非平衡電橋圖

假設電橋中 R1=R2=R3=R4=R，受力時應變電阻的變化都為ΔR，由式（1）可知，電橋輸出的不平衡電壓U0是和應變電阻的變化 ΔR成正比的，這就是不平衡電橋的工作原理。式中：U0為電橋輸出的不平衡電壓，V；E為直流穩壓電源，ΔR為受力時應變電阻的變化量，R1、R2、R3和 R4分別為四個電阻的原電阻值，Ω。

測量系統的設計主要包含硬件和軟件兩部分。其過程如圖2所示，壓力傳感器非平衡電橋輸出的電壓首先經儀表放大器放大后送到A／D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號，然后由單片機采集轉換后的結果，通過通信模塊傳送給計算機，利用 VB編程進行相應的數據處理，并通過計算機設計界面顯示所需的壓力傳感器特性的測量結果。

圖2 測量系統基本設計圖

2 硬件設計

本實驗系統硬件部分主要由（1）壓力傳感器非平衡電橋；（2）信號放大器；（3）A／D轉換電路；（4）89C51單片機；（5）串行口電平轉換電路；（6）計算機系統組成。其中，把（2）～（5）部分集成在一塊線路板上，構成系統設計的主體。下面主要介紹該部分硬件電路。

2.1 信號放大電路

實驗中由于電阻的變化是很微小的，導致測量電路中產生的電壓差U0很小，僅為幾 mV，受A／D轉換器精度的影響及考慮到噪聲干擾，要得到精確的電壓值必須對其進行放大。因此，本設計采用精密儀表放大器 AD620。此儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器，它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點。它所采用運算放大器的基礎部件，在性能上與標準運算放大器有很大的不同。標準運算放大器是單端器件，其傳輸函數主要由反饋網絡決定；而儀表放大器在有共模信號條件下能夠放大很微弱的差分信號，因而具有很高的共模抑制比（CMR），它通常不需要外部反饋網絡。

通過AD620要把測量電路的13 mV電壓，放大到數模轉換器模數轉換器的基準電壓 4 V，計算得到放大增益G為307.7，由式（2）可計算出電路設計中所需的增益電阻值為161 Ω。

式中：G為放大增益。

2.2 A／D轉換電路及與 MCS-51單片機接口電路

本測量電路采用逐次逼近型8路8位 A／D轉換器ADC0809，它的性能穩定，轉換速度快，具有很高的抗干擾能力，電路結構簡單，內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89C51單片機直接相連。其缺點是轉換精度較低，但是與AD620儀表放大器相配合，根據式（3）可知，在 13 mV量程范圍內其精度已達 0.05 mV［13-14］。

A=量程／（級數-1）=13／（28-1）≈0.05（mV）（3）

為了保證 ADC0809在進行模數轉換時的精確性，應當用高穩定度的基準電源，我們選用有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源 TL431。它的內部有一個2.5 V基準源，與外部電阻配合可產生2.5 ～6 V精密基準電壓。圖3為ADC0809的參考電壓電路，其中 R1為分壓電阻，基準電壓可由式（4）計算出來。在選擇電阻時必須保證 TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA。

VO=（1+R2／R3）×VREF，VREF=2.5 V （4）

ADC0809與 MCS-51單片機的連接如圖4所示。本接口電路主要涉及兩個問題：（1）兩路模擬信號通道的選擇；（2）A／D轉換完成后轉換數據的傳送。對于第一個問題我們是采用單片機的 P2.3接口與ADC0809的ADDA口直接相連的方法，當P2.3口輸出低電平時選擇 ADC0809的 IN-0口進行模數轉換，當P2.3口輸出高電平時選擇ADC0809的 IN-1口進行模數轉換。對于第二個問題我們是采用單片機的P1口直接與 ADC0809 D0-D7口相連的方法，ADC0809 D0口對應單片機 P1.0口，D7對應P1.7口。ADC0809轉換后的數據由單片機通過 P1口采集并傳給計算機。

圖3 ADC0809基準電壓電路圖

圖4 ADC0809與 MCS-51單片機的引腳接口圖

2.3 串行口電平轉換電路

MCS-51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。把實驗所得的數據通過串行口輸入到計算機，便可進行最終的數據處理及特性分析。在本系統中我們采用了三線制連接串口，具體連接方式如圖5所示。

圖5 MAX232電平轉換電路圖

2.4 總體電路原理圖

本系統硬件電路總的設計原理圖主要包含5部分：（1）電源電路；（2）51單片機最小系統；（3）ADC0809電路；（4）AD620電路；（5）MAX232電路。這5部分構成了本裝置的硬件系統。本電路系統安裝在特制的電路箱中，抗干擾能力強，對實驗結果沒有影響。

3 系統的軟件設計

3.1 單片機主程序設計

在本系統中單片機的作用是采集 ADC0809數字化的電壓值，然后通過串行通信的方式將這些數據傳送給計算機。同時為了保證系統的穩定性，單片機在采集 ADC0809轉換的數據和與計算機串行通信時放棄中斷方式而采用查詢的方式來判斷ADC0809是否完成一次模數轉換和是否發送或接收完數據，程序流程如圖6所示。

3.2 計算機處理數據及結果顯示

由于計算機強大的計算能力和友好的人機界面，在對壓力傳感器特性的測量中它承擔了全部的計算內容和結果的顯示。計算機負責分析和計算由單片機采集來的數據并以圖文的形式顯示出來，這樣的選擇不但簡化了單片機的編程而且提高了計算精度和速度。對于計算機編程，用面向對象的VB6.0編寫數據處理和結果顯示的應用程序［15］，如圖7所示：第一部分計算壓力傳感器的特性：靈敏度、非線性誤差、滯后性誤差，第二部分計算壓力傳感器的重復性誤差，第三部分用來測量任意物體的重量，第四部分計算電橋電源電壓 E與電橋電壓 U0的關系，然后以圖形的形式顯示出來，使測量結果一目了然。

圖6 單片機主程序流程圖

4 結語

壓力傳感器特性智能化測量系統在傳統大學物理實驗儀器的基礎上，利用單片機對壓力數據進行采集，結合計算機進行數據分析，并且可通過計算機界面觀察每一個測量中間數據，計算精確。通過實時了解特性曲線、分析實驗結果，更好地掌握了壓力傳感器的特性，達到實驗目的。此電路通過不同的接口電路也可實現溫度、濕度等的測量，實現了物理實驗與計算機、單片機智能系統的良好結合。

圖7 計算機處理數據及結果顯示程序人機界面圖

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［13］李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京：北京航天航天大學出版社，2013.

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［15］林卓然.VB語言程序設計［M］.北京：電子工業出版社，2012.

（學科責編：李雪蕾）

Intelligent design of experiment to measure the pressure transducer's characteristics

He Changwei，Liu Zengliang，Wang Baolin，et al.
（School of Science，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The original experimental instrument for measuring the pressure transducer's characteristics have some problems，such as low accuracy，complexity and poor description.Based on single-chip microcomputer and computer analysis，a system for measuring the characteristics of pressure transducer is designed.The main circuit consists of precision instrument amplifier AD620，ADC0809，MCS-51 SCM and MAX232 etc.By collecting the voltage of non-balanced electric bridge and analyzing the data by computer，characteristic results such as sensitivity，linearity and hysteresis error will show up in the computer interface which is compiled by VB.Results show that the system can give higher accuracy and more intuitive characteristic curve.

pressure transducer；intelligent measurement；micro-control unit

O4-33

A

1673-7644（2015）03-0288-05

2014-06-04

賀長偉（1981-），女，講師，碩士，主要從事信號與信息處理等方面的研究.E-mail：changweihe＠sdjzu.edu.cn