微壓力傳感器接口電路設(shè)計(jì)

摘要：完成了微壓力傳感器接口電路設(shè)計(jì)。采用惠斯通電橋?yàn)V出微壓力傳感器輸出的模擬變量，然后用INA118放大器將此信號(hào)放大，用7715A/D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量經(jīng)單片機(jī)處理，最后由LCD 將其顯示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源為電橋電路供電。既能保證檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，也能提高測(cè)量精度。

微壓力傳感器信號(hào)是控制器的前端，它在測(cè)試或控制系統(tǒng)中處于首位，對(duì)微壓力傳感器獲取的信號(hào)能否進(jìn)行準(zhǔn)確地提取、處理是衡量一個(gè)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。后續(xù)接口電路主要指信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路，即能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路。由于用集成電路工藝制造出的壓力傳感器往往存在：零點(diǎn)輸出和零點(diǎn)溫漂，靈敏度溫漂，輸出信號(hào)非線(xiàn)性，輸出信號(hào)幅值低或不標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。本文的研究工作，主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）介紹微壓力傳感器接口電路總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的組成和工作原理。

（2）系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，介紹主要硬件的選型及接口電路，包括A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)接口電路、1602顯示電路。

（3）對(duì)系統(tǒng)采用的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并簡(jiǎn)要闡述主要流程圖，包括主程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、1602顯示程序。

1 電阻應(yīng)變式壓力傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片組成的測(cè)量電路和彈性敏感元件組合起來(lái)的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化。把4 個(gè)電阻應(yīng)變片按照橋路方式連接，兩輸入端施加一定的電壓值，兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加或者減小。一般這種變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有近似線(xiàn)性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以通過(guò)測(cè)量共模電壓得到壓力值。

當(dāng)有壓力時(shí)各橋臂的電阻狀態(tài)都將改變，電橋的電壓輸出會(huì)有變化。

式（4）為電橋轉(zhuǎn)換原理的一般形式。ΔU 為電橋輸出電壓。作為全等臂電橋，  ΔR1 = ΔR2 = ΔR 3= ΔR4 ，式（4）變?yōu)?Delta;U =UKε 。

2 微壓力傳感器接口電路

應(yīng)用微壓力傳感器對(duì)壓力的感應(yīng)特性，將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號(hào)不能直接由單片機(jī)處理。因此，需要經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)通過(guò)對(duì)此數(shù)字量的處理，獲得實(shí)際的壓力值，并通過(guò)液晶屏顯示。

            圖1 微壓力傳感器接口電路框圖

由圖1 可以看出，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)分4 大部分：電橋電路、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LCD 顯示電路。

2.1 電橋放大電路

由于所測(cè)出的微壓力傳感器兩端的電壓信號(hào)較弱，所以電壓在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換之前必須經(jīng)過(guò)放大電路的放大（見(jiàn)圖2）。INA118 由3 個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過(guò)壓保護(hù)，且可通過(guò)外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益（從1 到1 000），因而應(yīng)用范圍很廣。

          圖2 電橋放大電路

通過(guò)在腳1 和腳8 之間外接一電阻Rg 來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的增益，該增益可從1 到1 000 不等。電阻Rg 為式中G 為增益。由于Rg 的穩(wěn)定性和溫度漂移對(duì)增益有影響，因此，在需要獲得高精度增益的應(yīng)用中對(duì)Rg 的要求也比較高，應(yīng)采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設(shè)計(jì)中的Rg 值較小，如G=100時(shí)的Rg 值為1.02 kΩ；G=1 000 時(shí)的Rg 值為50.5Ω。

2.2 AD7715 接口電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量，使用 16 位的AD7715 對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣測(cè)量，其中AD780 提供2.5V 高精度基準(zhǔn)電壓。P3.1 腳提供了AD 工作所需的時(shí)鐘，P1.4 和P1.5 腳接收和發(fā)送通訊數(shù)據(jù)，P1.6 是片選信號(hào)，P1.7 接DRDY ，AT89S52 可以通過(guò)查詢(xún)P1.7 的狀態(tài)來(lái)判斷是否可以讀取AD 轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D 接口電路如圖3所示。

              圖3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

2.3 單片機(jī)接口電路

AT89S52 是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8 位單片機(jī)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)使用的復(fù)位電路是由22μF 的電容，1 kΩ的電阻及IN4148 二極管組成。在滿(mǎn)足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下，該復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)在于降低復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。

二極管可以實(shí)現(xiàn)快速釋放電容電量的功能，滿(mǎn)足短時(shí)間復(fù)位的要求。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)連接電路如圖4 所示，輸入信號(hào)為經(jīng)7715A/D 轉(zhuǎn)換的模擬電壓，單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理后輸入到LCD1602 液晶顯示，顯示出相應(yīng)的壓力值。

                 圖4 單片機(jī)連接電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括A/D、串行口、中斷等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦初值，顯示上次設(shè)定值等。執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序。當(dāng)啟動(dòng)鍵按下后，根據(jù)設(shè)定值、校正等參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，如圖5 所示。

         圖5 主程序流程圖

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

首先對(duì)AD7715 芯片進(jìn)行初始化，對(duì)內(nèi)部寄存器寫(xiě)入相應(yīng)代碼，然后才能對(duì)其它寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)。AD7715 的大多數(shù)寄存器是8 位寄存器，只有數(shù)據(jù)寄存器、零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器和滿(mǎn)量程校準(zhǔn)寄存器是16 位寄存器。對(duì)它們分別寫(xiě)入數(shù)據(jù)，判斷DRDY 是否為零，為零時(shí)讀寄存器數(shù)據(jù)，不為零時(shí)重新寫(xiě)寄存器。

3.3 1602 顯示程序

本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷0 來(lái)實(shí)現(xiàn)逐位動(dòng)態(tài)顯示，使LCD 輸出非常穩(wěn)定，不用考慮定時(shí)刷新顯示，使得該顯示子程序簡(jiǎn)單靈活，適用性廣。LCD1602的數(shù)據(jù)引腳與控制引腳與單片機(jī)的I/O 口直接相連，DB0～DB7 分別連接單片機(jī)的P1.0～P1.7 口，數(shù)據(jù)并行傳輸速度快，Vo 亮度調(diào)節(jié)引腳直接接地，顯示最亮狀態(tài)。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試內(nèi)容與測(cè)試結(jié)果

在單片機(jī)控制的場(chǎng)合，將因單片機(jī)不能直接測(cè)量的信號(hào)傳感器大多為電壓輸出型，要使用壓力傳感器將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V 電壓輸出，通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)讀取、控制。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)于微壓力傳感器，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需選擇合適的降壓電阻，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器直接將電阻上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)即可，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡(jiǎn)單。電路在實(shí)際測(cè)量中存在一定的誤差，主要是由于溫漂和一些外部干擾造成的，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

由壓力傳感器產(chǎn)生電壓與放大器形成電壓回路，從而在取樣電阻上產(chǎn)生一定壓降，并將此電壓值輸入到放大器INA118 的3 腳。INA118 與其相連接的電阻構(gòu)成可調(diào)整電壓放大電路，將壓力傳感器電流在取樣電阻上的電壓值進(jìn)行放大并通過(guò)INA118 的1 腳輸出至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，供單片機(jī)AT89S52讀入，通過(guò)數(shù)據(jù)處理將壓力傳感器的電壓在屏幕上以壓力值的形式顯示出來(lái)。

4.3 電路的優(yōu)缺點(diǎn)

電壓輸出型壓力傳感器抗干擾能力差，有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷，控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備。因?yàn)楸倦娐返慕Y(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，使用的芯片在精度方面的欠缺以及其它一些相應(yīng)條件的限制，所以在準(zhǔn)確度上有一些不足。

（1）本電路的主要優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②元器件價(jià)格低廉；③操作方便；④電源單獨(dú)、統(tǒng)一、穩(wěn)定。

（2）本電路的主要缺點(diǎn)：①存在溫漂；②受人為因素影響比較大；③攜帶不方便。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)微壓力傳感器的應(yīng)用、特點(diǎn)及工作特性等方面的研究，并對(duì)微壓力傳感器接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在電路框圖中充實(shí)了各個(gè)部分的內(nèi)容。首先采用惠斯通電橋?yàn)V出微壓力傳感器輸出的變量，然后用INA118放大器將此信號(hào)放大，再用7715A/D 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)LCD 將其顯示。完善了微壓力傳感器接口電路，使電路在功能性、穩(wěn)定性、可靠性及小型化等方面都有所增強(qiáng)。