鄭重

摘要：由傳感器，傳感器供電電路，傳感器信號(hào)調(diào)理電路等單元電路組成的以直流電壓信號(hào)為輸出量的參量（壓力）測(cè)量電路；同時(shí)，配套設(shè)計(jì)以ADC0804為核心的數(shù)字式直流電壓表。在上述參量（壓力）測(cè)量電路，DVM的基礎(chǔ)上對(duì)外圍電路再進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展構(gòu)成數(shù)字顯示式壓力測(cè)量系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：壓力；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)字電壓表

一、數(shù)字顯示儀表的設(shè)計(jì)原理

工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的數(shù)字式儀表有數(shù)字式溫度計(jì)、數(shù)字式壓力計(jì)、數(shù)字流量計(jì)、數(shù)字電子秤等。數(shù)字式儀表的出現(xiàn)適應(yīng)了科學(xué)技術(shù)及自動(dòng)化生產(chǎn)過程中高速、高準(zhǔn)確度測(cè)量的需要，它具有模擬儀表無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字儀表的主要特點(diǎn)有：準(zhǔn)確度高、分辨率高、無主觀讀數(shù)誤差、測(cè)量速度快、能以數(shù)碼形式輸出結(jié)果。同時(shí)數(shù)字量傳輸信息，可使得傳輸距離不受限制。

數(shù)字儀表按工作原理可分為：帶微處理器的和不帶微處理器的。不帶微處理器的儀表，通常用運(yùn)算放大器和中、大規(guī)模集成電路來實(shí)現(xiàn)；帶微處理器的儀表，是借助軟件的方式來實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能。

1.傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)：

（1）傳感器的輸出會(huì)受溫度的影響，有溫度系數(shù)變化。

（2）傳感器的輸出順著輸入的變化而變化，但之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。

（31傳感器的動(dòng)態(tài)范圍很寬。

（4）傳感器的種類多，輸出的形式也多種多樣。

（5）傳感器的輸出阻抗較高，到測(cè)量電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。

2.傳感器信號(hào)的二次變換

根據(jù)上述的傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)來看，傳感器輸出的信號(hào)一般是能直接用于儀器、儀表顯示作控制信號(hào)用，往往需要通過專門的電子電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行“加工處理”。如將微弱的信號(hào)給予放大，經(jīng)過濾波器將有害的雜波信號(hào)濾掉，將非線性的特性曲線線性化，如有必要再加溫度補(bǔ)償電路。這種信號(hào)變換一般稱為二次變換。完成二次變換的電路稱為傳感器電子電路，一般也稱為測(cè)量電路，儀表電子電路或調(diào)理電路。

3.傳感器二次變換的組成

傳感器電子電路主要是模擬電路，它與數(shù)字電路一樣，是由一些單元電路組成。這些單元電路有：各種信號(hào)放大電路、有源及無源濾波電路、絕對(duì)值檢測(cè)電路、峰值保持電路、采樣.保持電路、A/D及D/A變換電路、V/F及F/V變換電路、調(diào)制解調(diào)電路溫度補(bǔ)償電路及非線性特性化補(bǔ)償電路等。

4.傳感器信號(hào)的調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理是指測(cè)量系統(tǒng)的組成部分，它的輸入時(shí)傳感器的輸出信號(hào)，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好的滿足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置要求的信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路通常具有放大、電平移動(dòng)、阻抗匹配、濾波、解調(diào)功能。

傳感器輸出信號(hào)通?？梢苑譃槟M量和數(shù)字量?jī)深?。?duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行調(diào)整匹配時(shí)，傳感器的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜些，通常需要放大電路、調(diào)制與解調(diào)電路、濾波電路、采樣保持電路、A/D及AD/A轉(zhuǎn)換電路等。而對(duì)于數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行調(diào)理匹配時(shí)，通常只需使信號(hào)通過比較器電路及整形電路，控制計(jì)數(shù)器技術(shù)即可。

5.DVM的概述

模擬式電壓表具有電路簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量方便等特點(diǎn)，但測(cè)量精度較差。數(shù)字電壓表（DVM），以其功能齊全、精度高、靈敏度高、顯示直觀等突出優(yōu)點(diǎn)深受用戶歡迎。DVM應(yīng)用單片機(jī)控制，組成智能儀表；與計(jì)算機(jī)接口，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。目前，DVM多組成多功能式的，因此又稱數(shù)字多用表。

DVM是將模擬電壓變換為數(shù)字顯示的測(cè)量?jī)x器，這就要求將模擬量變換成數(shù)字量。這實(shí)質(zhì)上是個(gè)量化過程，即將連續(xù)的無窮多個(gè)模擬量用有限個(gè)數(shù)字表示的過程，完成這種變換的核心部件是A/D轉(zhuǎn)換器，最后用電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)顯示，因此，DVM的基本組成是A/D轉(zhuǎn)換器和電子計(jì)數(shù)器。

二、壓力測(cè)量數(shù)顯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的整機(jī)電路包括：P3000S-102A壓力傳感器、恒流源、儀用放大器、調(diào)零電路、數(shù)字電壓表（DVM）、+15V和+5V穩(wěn)壓電源、-15V和-5V高效DC/DV負(fù)電源變換器等七大部分組成。

1.壓力傳感器供電電源設(shè)計(jì)

傳感器采用絕對(duì)壓力傳感器P3000S-102A，恒流驅(qū)動(dòng)，電流為1.5mA，靈敏度是60×10-5～180×10-5mV/Pa，額定壓力范圍是0～98.0665KPa。（約0～100KPa）

壓阻式傳感器是指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。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。

2.P3000S-102A型壓力傳感器供電電源設(shè)計(jì)

橋式電路的壓力傳感器的供電方式有恒壓源供電、恒流源供電兩種形式。電橋的輸出與溫度無關(guān)。所以一般都采用恒流源給傳輸器供電。但是，由于工藝上的原因，電橋的每一個(gè)橋臂電阻實(shí)際上也不是完全相等的，因此在零壓時(shí)，有零位電壓輸出，所以用恒流源供電仍會(huì)有一定的溫度誤差。

3.二次變換電子電路設(shè)計(jì)

選用壓力傳感器P3000S-102A的應(yīng)變電阻為橋式連接，輸出電壓很小，僅為60～180mV，因此如果要求測(cè)量精確度很高時(shí)，必須選用輸入阻抗高，放大差動(dòng)電壓的放大電路。本設(shè)計(jì)選用通用運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的差動(dòng)輸入、差動(dòng)輸出的儀用放大電路。

力敏傳感器的應(yīng)變電路為橋式連接，從傳感器輸出端取出的電流要變換為差動(dòng)電壓輸出。因此，要采用阻抗高、僅放大差動(dòng)電壓的放大電路。這里選用通用運(yùn)放LM324（A2和A3）構(gòu)成差動(dòng)輸入與差動(dòng)輸出的放大電路。但傳感器輸出電壓很小，為60～180mV，因此，如果要求測(cè)量精度很高時(shí)，必須選用失調(diào)電壓極小的運(yùn)放。

三、基于單片機(jī)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制和智能化儀表中，常由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)所加工的信息都是數(shù)字量，而被控制或測(cè)量對(duì)象的有關(guān)參量往往是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、速度、壓力等，與此對(duì)應(yīng)的電信號(hào)是模擬電信號(hào)。單片機(jī)要處理這種信號(hào)，首先必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這一轉(zhuǎn)換過程就是模/數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備稱為A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

1.ADC0804

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100μ s，輸入電壓范圍為0～5V增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。

2.硬件電路圖

硬件電路上，簡(jiǎn)單的數(shù)字電壓表主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是模/數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入部分，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了模擬電壓信號(hào)的采集功能。其中，參考電壓可通過滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)整。一個(gè)是LED顯示部分，由三個(gè)LED管構(gòu)成的。

3.軟件模擬設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是通過ADC0804進(jìn)行電壓值的讀取，然后通過LED顯示器顯示出來。程序開始執(zhí)行后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)正常后選擇電壓表量程。然后分別調(diào)用電壓數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。完成一個(gè)通道的電壓測(cè)量后，切換到其他通道進(jìn)行電壓測(cè)量和顯示。AD具體操作：

（1）AD啟動(dòng)。AD啟動(dòng)子程序，就是對(duì)ADC0804的控制引腳進(jìn)行時(shí)能控制，從而讓ADC0804進(jìn)入工作狀態(tài)。

（2）AD讀操作。AD讀操作首先要將輸入引腳拉高，等待輸入的到來，然后片選和外部讀取信號(hào)來允許輸入，即可讀入A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

（3）AD控制子程序。AD控制子程序調(diào)用了AD啟動(dòng)子程序和AD讀操作子程序，并通過這兩個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)了電壓數(shù)據(jù)的讀入，然后通過LED顯示器顯示出來。這兩個(gè)子程序是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。