数字显示压力测量系统设计

郑重

摘要：由传感器，传感器供电电路，传感器信号调理电路等单元电路组成的以直流电压信号为输出量的参量（压力）测量电路；同时，配套设计以ADC0804为核心的数字式直流电压表。在上述参量（压力）测量电路，DVM的基础上对外围电路再进一步进行相应的扩展构成数字显示式压力测量系统。

关键词：压力；传感器；A/D转换；数字电壓表

一、数字显示仪表的设计原理

工业生产过程中常用的数字式仪表有数字式温度计、数字式压力计、数字流量计、数字电子秤等。数字式仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。数字仪表的主要特点有：准确度高、分辨率高、无主观读数误差、测量速度快、能以数码形式输出结果。同时数字量传输信息，可使得传输距离不受限制。

数字仪表按工作原理可分为：带微处理器的和不带微处理器的。不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现有关功能。

1.传感器输出信号的特点：

（1）传感器的输出会受温度的影响，有温度系数变化。

（2）传感器的输出顺着输入的变化而变化，但之间的关系不一定是线性比例关系。

（31传感器的动态范围很宽。

（4）传感器的种类多，输出的形式也多种多样。

（5）传感器的输出阻抗较高，到测量电路时会产生较大的信号衰减。

2.传感器信号的二次变换

根据上述的传感器输出信号的特点来看，传感器输出的信号一般是能直接用于仪器、仪表显示作控制信号用，往往需要通过专门的电子电路对传感器输出信号进行“加工处理”。如将微弱的信号给予放大，经过滤波器将有害的杂波信号滤掉，将非线性的特性曲线线性化，如有必要再加温度补偿电路。这种信号变换一般称为二次变换。完成二次变换的电路称为传感器电子电路，一般也称为测量电路，仪表电子电路或调理电路。

3.传感器二次变换的组成

传感器电子电路主要是模拟电路，它与数字电路一样，是由一些单元电路组成。这些单元电路有：各种信号放大电路、有源及无源滤波电路、绝对值检测电路、峰值保持电路、采样.保持电路、A/D及D/A变换电路、V/F及F/V变换电路、调制解调电路温度补偿电路及非线性特性化补偿电路等。

4.传感器信号的调理电路

信号调理是指测量系统的组成部分，它的输入时传感器的输出信号，输出为适合传输、显示、记录或者能更好的满足后续标准设备或装置要求的信号。信号调理电路通常具有放大、电平移动、阻抗匹配、滤波、解调功能。

传感器输出信号通常可以分为模拟量和数字量两类。对模拟量信号进行调整匹配时，传感器的信号调理环节相对复杂些，通常需要放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D及AD/A转换电路等。而对于数字量信号进行调理匹配时，通常只需使信号通过比较器电路及整形电路，控制计数器技术即可。

5.DVM的概述

模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差。数字电压表（DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表。

DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变换成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A/D转换器，最后用电子计数器计数显示，因此，DVM的基本组成是A/D转换器和电子计数器。

二、压力测量数显系统设计

测量系统的整机电路包括：P3000S-102A压力传感器、恒流源、仪用放大器、调零电路、数字电压表（DVM）、+15V和+5V稳压电源、-15V和-5V高效DC/DV负电源变换器等七大部分组成。

1.压力传感器供电电源设计

传感器采用绝对压力传感器P3000S-102A，恒流驱动，电流为1.5mA，灵敏度是60×10-5～180×10-5mV/Pa，额定压力范围是0～98.0665KPa。（约0～100KPa）

压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

2.P3000S-102A型压力传感器供电电源设计

桥式电路的压力传感器的供电方式有恒压源供电、恒流源供电两种形式。电桥的输出与温度无关。所以一般都采用恒流源给传输器供电。但是，由于工艺上的原因，电桥的每一个桥臂电阻实际上也不是完全相等的，因此在零压时，有零位电压输出，所以用恒流源供电仍会有一定的温度误差。

3.二次变换电子电路设计

选用压力传感器P3000S-102A的应变电阻为桥式连接，输出电压很小，仅为60～180mV，因此如果要求测量精确度很高时，必须选用输入阻抗高，放大差动电压的放大电路。本设计选用通用运算放大器LM324构成的差动输入、差动输出的仪用放大电路。

力敏传感器的应变电路为桥式连接，从传感器输出端取出的电流要变换为差动电压输出。因此，要采用阻抗高、仅放大差动电压的放大电路。这里选用通用运放LM324（A2和A3）构成差动输入与差动输出的放大电路。但传感器输出电压很小，为60～180mV，因此，如果要求测量精度很高时，必须选用失调电压极小的运放。

三、基于单片机数字电压表的设计

在工业控制和智能化仪表中，常由单片机进行实时控制及实时数据处理。单片机所加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、速度、压力等，与此对应的电信号是模拟电信号。单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模/数转换，实现模/数转换的设备称为A/D转换器或ADC。

1.ADC0804

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片，分辨率8位，转换时间100μ s，输入电压范围为0～5V增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。

2.硬件电路图

硬件电路上，简单的数字电压表主要包括两个部分，一个是模/数转换的输入部分，模/数转换电路实现了模拟电压信号的采集功能。其中，参考电压可通过滑动变阻器进行调整。一个是LED显示部分，由三个LED管构成的。

3.软件模拟设计

软件设计的主要任务就是通过ADC0804进行电压值的读取，然后通过LED显示器显示出来。程序开始执行后，首先对系统进行自检，确认系统状态正常后选择电压表量程。然后分别调用电压数据采集模块、数据处理模块、显示模块。完成一个通道的电压测量后，切换到其他通道进行电压测量和显示。AD具体操作：

（1）AD启动。AD启动子程序，就是对ADC0804的控制引脚进行时能控制，从而让ADC0804进入工作状态。

（2）AD读操作。AD读操作首先要将输入引脚拉高，等待输入的到来，然后片选和外部读取信号来允许输入，即可读入A/D转换的数据。

（3）AD控制子程序。AD控制子程序调用了AD启动子程序和AD读操作子程序，并通过这两个子程序实现了电压数据的读入，然后通过LED显示器显示出来。这两个子程序是软件设计的关键部分。