一種基于MPX2100型壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　一、引言

　　在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域中，都必須進(jìn)行相關(guān)的壓力檢測(cè)與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測(cè)量壓力值并把它由非電量轉(zhuǎn)變成電量這一過(guò)程中，要求精度非常高，本文介紹了一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，在高性能單片機(jī) AT89S52的控制下，放大調(diào)理后的模擬電量通過(guò)高精度、高性能芯片ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)采集精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，使用壽命長(zhǎng)。系統(tǒng)采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。PLD技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)省了硬件電路的開(kāi)銷。

　　二、系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

　　高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)被放大調(diào)理后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)標(biāo)定、運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚恚谝壕э@示模塊上顯示出來(lái)，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換，鍵盤提供人機(jī)交互的手段。

　　1、壓力數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理電路

　　壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電流/電壓的器件，可用于測(cè)量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多，其中硅半導(dǎo)體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴(kuò)散或離子注入法形成四個(gè)阻值相等的電阻條，并將它們接成一個(gè)惠斯登電橋。當(dāng)沒(méi)有外加壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零。當(dāng)有外加壓力時(shí)，電橋失去平衡而產(chǎn)生輸出電壓，該電壓大小與壓力有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)電壓，即可得到相應(yīng)的壓力值。但這種傳感器由于四個(gè)橋臂電阻不完全匹配而引起測(cè)量誤差，零點(diǎn)偏移較大，不易調(diào)整。

　　Motorola公司生產(chǎn)的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點(diǎn)。如圖2所示，與惠斯登電橋不同，Motorola專利技術(shù)采用單個(gè)X型電阻元件，而不是電橋結(jié)構(gòu)，其壓敏電阻元件呈X型，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計(jì)算機(jī)控制的激光修正技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)，使Motorola硅 MPX系列壓力傳感器的精度很高，其模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長(zhǎng)期重復(fù)性好。此系列中的 MPX2100DP壓力傳感器是一種高精度硅壓式壓力傳感器，本系統(tǒng)采用MPX2100DP作為壓力傳感器，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求，它具有如下特點(diǎn)：

　　①由于采用激光微調(diào)技術(shù)，使電橋零漂輸出很小，一般小于±1mV;

　?、趥鞲衅黛`敏度較高，為40mV±1.5mV;

　?、蹅鞲衅饔蔁崦綦娮杞M成溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在-40℃~+125℃范圍內(nèi)有較好的溫度補(bǔ)償效果，從而提高了傳感器的精度;

　?、芫哂袠O好的線性度(±0.25%F.S);

　　⑤有較寬的工作溫度范圍(-40℃~+125℃);

　?、拊试S過(guò)載大(400%)。

　　(2)信號(hào)調(diào)理電路

　　電路圖如圖3所示(圖中只以一路傳感器輸出信號(hào)為例，未畫出多路開(kāi)關(guān)CD4051)。

　　信號(hào)經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100DP變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)CMOS型8選1多路開(kāi)關(guān)CD4051選擇之后，再送入放大電路，進(jìn)行調(diào)理后輸出到A/D模塊ICL7135進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。MPX2100DP的供電電壓取為8V，它的滿量程輸出x由下式確定：x=40mV×8V/10V=32mV(1)

　　對(duì)于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?/p>

　　放大器采用MC33274四運(yùn)算放大器，它組成一個(gè)儀表放大電路，具有高差模增益和高共模抑制比，輸入阻抗高，可調(diào)節(jié)偏置電路。差模放大主要由U1A完成，U1B為電壓跟隨器，用來(lái)防止運(yùn)放的反饋電流流入傳感器的負(fù)端。零壓力時(shí)，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設(shè)2端和4端的共模電壓各為4V(傳感器電源電壓的一半)，則U1A的端電壓也是4V，該電壓經(jīng)U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R4和RP1引入。R7值的選擇從13端看過(guò)去的阻抗約為1kW，放大器的增益為：

　　選擇125的增益使傳感器滿量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032=4V(為電源電壓的一半)。

　　2、單片機(jī)及其外圍電路部分

　　單片機(jī)外圍電路如圖4所示。

　　(1)AT89S52介紹

　　單片機(jī)選用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，該芯片具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，是采用CMOS工藝的8位單片機(jī)。AT89S52有以下主要特點(diǎn)：

　?、俨捎昧薃TMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)器(NV-SRAM)技術(shù);

　?、谄淦瑑?nèi)具有256字節(jié)RAM，8KB的可在線編程(ISP)FLASH存儲(chǔ)器;

　?、塾?種低功耗節(jié)電工作方式：空閑模式和掉電模式;

　　④片內(nèi)含有一個(gè)看門狗定時(shí)器(WDT)，WDT包含一個(gè)14位計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)器復(fù)位寄存器(WDTRST)，只要對(duì)WDTRST按順序先寫入 01EH，后寫入0E1H，WDT便啟動(dòng)，當(dāng)CPU由于擾動(dòng)而使程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)時(shí)，WDT即可有效地使系統(tǒng)復(fù)位，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

　　(2)外圍電路部分

　　接口電路的片選信號(hào)由74LS138對(duì)高位地址線P2.0(A8)、P2.1(A9)、P2.2(A10)譯碼后生成，主要有8155可編程接口電路片選信號(hào)CS_8155(Y0)、鍵盤接口片選信號(hào)CS_KEY(Y1)及液晶模塊片選信號(hào)CS_LCD(Y2)等。LCD選用OCULAR公司生產(chǎn)的字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊GD1602S，該模塊能顯示20×2的5×7點(diǎn)陣字符，功能強(qiáng)，與8位MCU接口方便;鍵盤接口設(shè)計(jì)為通用PC機(jī)接口(PS/2)，是因?yàn)橥ㄓ肞C機(jī)鍵盤具有價(jià)格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，而且維護(hù)方便，限于篇幅本文未介紹。A13、A14、A15組成多路模擬開(kāi)關(guān) 4051的編碼地址線，Vxi即為4051按照鍵盤輸入的地址選出的一路模擬信號(hào)，它將被送往信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大調(diào)理。在惡劣的工業(yè)工作環(huán)境中，串行通信接口芯片很有可能受到靜電的沖擊而損壞，特別是在傳輸線架設(shè)于戶外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統(tǒng)還有可能遭致雷電的襲擊。本文選用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊，最大傳輸距離約1219m，最大傳輸速率為10Mb/s;可以保證與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)穩(wěn)定可靠。