電容式智能壓力變送器的測量電路研究

王丹妮+唐軍

摘 要：文中研究了傳感器的理論問題，同時探索并研究了傳感器在測量方面的應用，在此基礎上提出了一種精度高且集成度相對較高的基于電容傳感器智能壓力變送器測量電路的設計方案。文中詳細介紹了硬件電路的設計問題，并描述了軟件方面的實現問題，在此過程中，對遇到的問題及難題給出了相應的解決方案。

關鍵詞：單片機；壓力傳感器；12864液晶；智能壓力變送器

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

相比于國際先進的傳感器技術，雖然國內傳感器的制造水平與之還有一定差距，但近幾年也有所提高。近年來，互聯網技術和無線傳感網絡技術正在逐漸成熟，智能變送器不僅擁有傳統智能變送器數據采集、變送、通訊、自診斷等功能，同時也在向多功能化集成和無線遠程通訊方向發展，實現無線遠程管理、遠程技術服務和支持。隨著傳感器技術、計算機技術、數字信號處理技術、微電子技術的迅速發展和廣泛應用，特別是在傳感技術中的應用將促使傳感技術產生飛躍，而智能壓力變送器的出現就是它們結合的結果[1]。

1 智能壓力變送器的定義及其測量電路設計原理

智能壓力變送器在保證系統可靠性與穩定性的前提下，壓力傳感器通過信號調理電路與微控制器結合，在兼有信息處理、信息記憶、故障診斷、數字總線通訊等功能的同時，能提高壓力變送器精度。智能壓力變送器的高精度和智能化主要通過對微控制器的編程來實現，即智能壓力變送器是硬件和軟件程序結合的產物[2]。

電容式智能壓力變送器測量電路的硬件設計主要包括微控制器ATmega16和ATmega16外圍電路部分。本文使用的微控制器ATmega16片內集成了實現智能壓力變送器系統所需的大部分硬件，是一種完全集成的混合信號片上系統型單片機，因此簡化了整個硬件電路的設計。

測量電路的主要組成部分有信號采集電路，單片機和電流輸出電路。壓力傳感器的電阻輸出電壓存在對溫度和電源電壓的交叉靈敏度，即不僅決定于輸入的壓力（差），還與傳感器的工作環境溫度和電源電壓有關[3]。測量電路的核心是ATmega16單片機，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號后，再把它送到片內信號調理單元進行放大并濾波調理，輸入至ATmega16片內的A/D轉換器，A/D轉換器對相應通道進行模數轉換后，輸出4～20 mA電流信號，經單片機的程序處理，最終將結果顯示在液晶屏上，實現電流、電壓的輸出。

2 系統方案硬件設計

本文提出了一種智能壓力變送器的設計方案，其主要特點是集成度高且精度高。電容智能壓力變送器系統主要包括以下三部分：

（1）壓力傳感器的設計；

（2）微控制器及其外圍電路的設計；

（3）軟件算法的設計。

系統總體設計方案如圖1所示。

從圖1可以看到，該系統主要由壓力采集模塊，溫度采集模塊，電源模塊，微控制器模塊和液晶顯示模塊組成。智能壓力變送器系統的控制核心是微控制器模塊，主要運行軟件算法并實現智能管理，它由微控制器ATmega16實現，包括D/A轉換器、可編程增益放大器、A/D轉換等。壓力采集模塊的主要作用是壓力傳感器輸出的調制信號采集和產生壓力傳感器工作所需的交流激勵電源。

本設計大致由四個部分構成，電容式智能壓力變送器測量電路如圖2所示。

NE555部分通過改變電容值，在NE555的3腳輸出一個頻率信號，通過單片機外部中斷INT0讀取頻率信號的頻率，在單片機內部通過定時計數器2轉換成PWM波形，經PD4輸出后傳入AD694模塊的輸入。測量AD694輸出部分從而讀取電壓值顯示在液晶顯示器上。相應的實物圖如3所示。

3 系統軟件設計

系統軟件的主程序是監控程序，在程序運行時需要考慮初始化問題。因此需要考慮中斷程序初始化，定時器初始化及各控制端口的初始化。系統流程圖如圖4所示。

本系統采用ATmega16作為核心處理器件。上電時首先通過PB2、PB3檢測系統電壓是否異常，若異常則發出警報信號[4]。在電壓正常情況下，其工作流程如圖5所示。

4 結 語

本設計基于ATmega16單片機壓力檢測系統，通過12864液晶實時顯示，測量電路以ATmega16單片機為核心，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號后，再經片內信號調理單元放大并進行濾波處理，輸入至ATmega16片內的A/D轉換器。A/D轉換器對相應通道進行模數轉換后，輸出4～20 mA的電流信號，經單片機程序處理，將最終結果顯示在液晶屏上，實現電流、電壓的輸出，通過壓力傳感器的變化反應到相應顯示波形的改變，從而完成電容傳感器智能壓力變送器測量電路的研究。

參考文獻

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