中心議題：
- 電阻應變式壓力傳感器工作原理
- 微壓力傳感器接口電路設(shè)計
- 微壓力傳感器接口系統(tǒng)的軟件設(shè)計
- 微壓力傳感器接口電路測試與結(jié)果分析
解決方案：
- 電橋放大電路設(shè)計
- AD7715接口電路設(shè)計
- 單片機接口電路設(shè)計
本文采用惠斯通電橋濾出微壓力傳感器輸出的模擬變量，然后用INA118放大器將此信號放大，用7715A/D 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量經(jīng)單片機處理，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，完成了微壓力傳感器接口電路設(shè)計，既能保證檢測的實時性，也能提高測量精度。
微壓力傳感器信號是控制器的前端，它在測試或控制系統(tǒng)中處于首位，對微壓力傳感器獲取的信號能否進行準確地提取、處理是衡量一個系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。后續(xù)接口電路主要指信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路，即能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。由于用集成電路工藝制造出的壓力傳感器往往存在：零點輸出和零點溫漂，靈敏度溫漂，輸出信號非線性，輸出信號幅值低或不標準化等問題。本文的研究工作，主要集中在以下幾個方面：
（1）介紹微壓力傳感器接口電路總體方案設(shè)計、系統(tǒng)的組成和工作原理。
（2）系統(tǒng)的硬件設(shè)計，介紹主要硬件的選型及接口電路，包括A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機接口電路、1602顯示電路。
（3）對系統(tǒng)采用的軟件設(shè)計進行研究，并簡要闡述主要流程圖，包括主程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、1602顯示程序。
1 電阻應變式壓力傳感器工作原理
電阻應變式壓力傳感器是由電阻應變片組成的測量電路和彈性敏感元件組合起來的傳感器。當彈性敏感元件受到壓力作用時，將產(chǎn)生應變，粘貼在表面的電阻應變片也會產(chǎn)生應變，表現(xiàn)為電阻值的變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應變片阻值的變化。把4 個電阻應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。一般這種變化的對應關(guān)系具有近似線性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對應關(guān)系，就可以通過測量共模電壓得到壓力值。
當有壓力時各橋臂的電阻狀態(tài)都將改變，電橋的電壓輸出會有變化。
式中：Uo 為輸出電壓，Ui 為輸入電壓。
當輸入電壓一定且 ΔRi <<Ri 時：
對于全等臂電橋， R1= R2= R3= R，各橋臂電阻應變片靈敏系數(shù)K相同，式（2）可簡化為
由于ΔRi<<Ri ，用電壓增量可表示為：
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 。
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2 微壓力傳感器接口電路
應用微壓力傳感器對壓力的感應特性，將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接由單片機處理。因此，需要經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機通過對此數(shù)字量的處理，獲得實際的壓力值，并通過液晶屏顯示。
圖1 微壓力傳感器接口電路框圖
由圖1 可以看出，整個電路的設(shè)計分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
由于所測出的微壓力傳感器兩端的電壓信號較弱，所以電壓在進行A/D 轉(zhuǎn)換之前必須經(jīng)過放大電路的放大（見圖2）。INA118 由3 個運算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護，且可通過外置不同大小的電阻實現(xiàn)不同的增益（從1 到1 000），因而應用范圍很廣。
圖2 電橋放大電路
通過在腳1 和腳8 之間外接一電阻Rg 來實現(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)定性和溫度漂移對增益有影響，因此，在需要獲得高精度增益的應用中對Rg 的要求也比較高，應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設(shè)計中的Rg 值較小，如G=100時的Rg 值為1.02 kΩ；G=1 000 時的Rg 值為50.5Ω。
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2.2 AD7715 接口電路
為了實現(xiàn)對微壓力的實時測量，使用 16 位的AD7715 對輸出電壓進行采樣測量，其中AD780 提供2.5V 高精度基準電壓。P3.1 腳提供了AD 工作所需的時鐘，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，P1.7 接DRDY ，AT89S52 可以通過查詢P1.7 的狀態(tài)來判斷是否可以讀取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 單片機接口電路
AT89S52 是一個低功耗，高性能CMOS 8 位單片機，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)。
本設(shè)計使用的復位電路是由22μF 的電容，1 kΩ的電阻及IN4148 二極管組成。在滿足單片機可靠復位的前提下，該復位電路的優(yōu)點在于降低復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力。
二極管可以實現(xiàn)快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復位的要求。本設(shè)計的單片機連接電路如圖4 所示，輸入信號為經(jīng)7715A/D 轉(zhuǎn)換的模擬電壓，單片機進行計算處理后輸入到LCD1602 液晶顯示，顯示出相應的壓力值。
圖4 單片機連接電路[page]
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
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)行相應的功能子程序。當啟動鍵按下后，根據(jù)設(shè)定值、校正等參數(shù)計算對應輸出的數(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AD7715 芯片進行初始化，對內(nèi)部寄存器寫入相應代碼，然后才能對其它寄存器進行讀寫。AD7715 的大多數(shù)寄存器是8 位寄存器，只有數(shù)據(jù)寄存器、零點校準寄存器和滿量程校準寄存器是16 位寄存器。對它們分別寫入數(shù)據(jù)，判斷DRDY 是否為零，為零時讀寄存器數(shù)據(jù)，不為零時重新寫寄存器。
3.3 1602 顯示程序
本系統(tǒng)采用定時中斷0 來實現(xiàn)逐位動態(tài)顯示，使LCD 輸出非常穩(wěn)定，不用考慮定時刷新顯示，使得該顯示子程序簡單靈活，適用性廣。LCD1602的數(shù)據(jù)引腳與控制引腳與單片機的I/O 口直接相連，DB0～DB7 分別連接單片機的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 測試與結(jié)果分析
4.1 測試內(nèi)容與測試結(jié)果
在單片機控制的場合，將因單片機不能直接測量的信號傳感器大多為電壓輸出型，要使用壓力傳感器將測量信號轉(zhuǎn)換為0～5 V 電壓輸出，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供單片機讀取、控制。
4.2 測試結(jié)果分析
對于微壓力傳感器，在電路設(shè)計時只需選擇合適的降壓電阻，通過A/D 轉(zhuǎn)換器直接將電阻上的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。電路在實際測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，見表1。
表1 測量數(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行放大并通過INA118 的1 腳輸出至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，供單片機AT89S52讀入，通過數(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。
4.3 電路的優(yōu)缺點
電壓輸出型壓力傳感器抗干擾能力差，有時輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機產(chǎn)生誤判斷，控制出現(xiàn)錯誤，嚴重時還會損壞設(shè)備。因為本電路的結(jié)構(gòu)非常簡單，使用的芯片在精度方面的欠缺以及其它一些相應條件的限制，所以在準確度上有一些不足。
（1）本電路的主要優(yōu)點：①電路結(jié)構(gòu)簡單；②元器件價格低廉；③操作方便；④電源單獨、統(tǒng)一、穩(wěn)定。
（2）本電路的主要缺點：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
通過對微壓力傳感器的應用、特點及工作特性等方面的研究，并對微壓力傳感器接口電路進行了設(shè)計，在電路框圖中充實了各個部分的內(nèi)容。首先采用惠斯通電橋濾出微壓力傳感器輸出的變量，然后用INA118放大器將此信號放大，再用7715A/D 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動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。
