基于AT89C52的压力测量及显示装置的设计

陈龙彪 张加齐 张乐x

摘要：为通过应变片设计一个可以自行调节量程并使用的压力传感器，使其达到能精确测量压力，并通过模数转换，使其可直接在LCD屏上显示输出数值，本文设计了一个基于AT89C52的压力测试系统。该压力传感器能够对小量程范围内的压力进行准确测量，并可通过调节增益大小，来控制传感器的量程。

关键词：压力传感器;数模转换;LCD屏

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）18-0243-02

一般的压力传感器中都存在应变片，而所谓的应变片，指的是受到应力作用时电阻会发生明显变化的器件[1～3]。通过电学的方法可以测得电阻的变化值，进而可以测得压力的大小。因此，如何精确高效地将压力转换为形变成为决定器件测量灵敏度的关键因素。而应变片可简单地分为金属应变片和半导体应变片，综合考虑灵敏度、价格等多方面的优势，选择采用半导体应变片作为本系统传感器的核心构成部件。

1 传感器分析

1.1 半导体灵敏度分析

在大多数情况下，应变片的形变而产生的电阻值的变化可以用下式（1）所示：

其中，[R]为应变片电阻值;[ΔR]为应变所引起的电阻值的变化大小;[K]为应变率，[λ]为应变量;[μ]为泊松比，即应变片因受到应力作用而产生的横向尺寸的变化和纵向尺寸的变化之比;[δ]为应变片的电阻率;[Δδ]为应力引起的应变片电阻率的变化。[（1+2μ）]部分由应变片的尺寸大小决定，而[Δδδ]由应变片电阻率的变化决定。

在金属应变片情况下，电阻只有尺寸发生改变，应变率[K]不超过2.而在半导体应变片的情况下，除电阻尺寸改变外，还会有由于压阻效应而产生的电阻率更大的变化，会使得应变率[K]高达100以上。

1.2 压力传感器的构建

将半导体应变片制成膜片结构，该结构会在受到应力时发生形变，进而转化为膜片的电阻值的改变[4]。通过构建一个如图1所示的惠斯通电桥，将应变片放置在桥臂上，当应变片受到压力时，膜片上的压力使得电桥不平衡，从而产生一个差动的输出信号，再将该差动信号放大，就能测得压力大小，系统采用恒电压的工作模式。

1.3 恒电压传感器的基本电路

恒电压工作模式下的传感器基本电路图如图3所示。图中使用的为测量绝对壓力的压力传感器KP100A，恒定电压为7.5V，由运算放大器电源提供。

2 A/D转换模块设计

将模拟信号为数字信号是模拟量的输入通道的目的，而能够达成这一目的的器件为模数转换器，也就是A/D转换器。本系统中使用的数模转换器是AD公司生产的16位AD 7705，它的任务是将放大器的输出模拟信号转化为数字信号进行输出。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。其与单片机的连接如图4所示：

AD7705 使用SP I Q SP I兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器以及DSP 连接， 相比于并行接口方式，能大大节省了CPU的 I O口。这种器件还具有分辨率高、动态范围宽、优良的抗噪声性能以及低功耗低电压等诸多特点， 非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。

3 显示模块设计

电路中采用AT89C52单片机[5]，是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，单片机内含8kBISP的Flash只读程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，片内时钟振荡器;同时由于单片机本身所提供的PO、Pl、P2、和P3口不能够满足本单片机系统的需要，因此必须扩展I/O口，这里选用了基本的I/O口扩展芯片8155，扩展芯片直接与MCS.51系列单片机连接，无须增加硬件电路，将其与LGM12641BS1R进行连接，如图5所示。

x显示子程序是以字符形式显示，开始调用提前编码好的LCD显示子程序。初始化命令，然后输出显示的命令。在显示过程中务必记得调用延时子程序。当输入通道中采集了一个新的过程参数，有压力信号输入，最后调用显示子程序在数码管上显示。

4 总结

通过设计一个基于AT89C52的压力测试装置，能够简单地进行一些压力测量工作，并在LCD屏上进行显示，使用方便，且该系统的高性能与低功耗进一步提高了它的可行性和应用价值，具有较大的市场优势。

参考文献：

[1] 王维果，朱世国，饶大庆，邹旭敏，胡再国.应变式电阻压力传感元件灵敏度的测定[J].物理实验，2018，38（11）：24-27.

[2]袁明.电阻应变式传感器误差原因以及补偿方法[J].电子技术与软件工程，2019（09）：227.

[3]李焰，张敏，史国凯.应变片粘贴因素对压杆测压的影响[J].中国测试，2018，44（10）：130-133+144.

[4]张玉叶.基于应变全桥的铁质悬臂梁传感器的设计与实现[J].电子设计工程，2018，26（14）：125-129.

[5]梅孝安，周旭阳，朱玉军，杨中华，范春波，赵艳杰.基于AT89C52单片机的智能冲击电流计的设计与开发[J].电子技术，2014，43（01）：52-54.

【通联编辑：梁书】