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,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;
②傳感器靈敏度較高,為40mV±1.5mV;
③傳感器由熱敏電阻組成溫度補(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;
④具有極好的線性度(±0.25%F.S);
⑤有較寬的工作溫度范圍(-40℃~+125℃);
⑥允許過載大(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CMOS型8選1多路開關(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端看過去的阻抗約為1kW,放大器的增益為:
(2)
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):
①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)器(NV-SRAM)技術(shù);
②其片內(nèi)具有256字節(jié)RAM,8KB的可在線編程(ISP)FLASH存儲(chǔ)器;
③有2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。
3、雙積分模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路
(1)芯片ICL7135介紹
ICL7135是美國MAXIN公司生產(chǎn)的一個(gè)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換集成電路,該芯片抗干擾能力強(qiáng)、分辯率高、價(jià)格低廉。它的分辯率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù),轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB,轉(zhuǎn)換輸出為0~19999;當(dāng)測(cè)量量程為0kN~2000kN時(shí),這樣的精度使得儀表的分辯率達(dá)到0.1kN;模擬輸入可以保證0點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由于7135輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)掃描BCD碼,因此常規(guī)設(shè)計(jì)一般通過并行接口與單片機(jī)連接,以節(jié)省單片機(jī)的硬件開銷,同時(shí) 8155中的定時(shí)器還可以滿足7135對(duì)時(shí)鐘的需要。
(2)A/D轉(zhuǎn)換電路及其原理
電路原理圖如圖5所示。
7135與8155的連接是通過4位2選1數(shù)據(jù)多路開關(guān)74LS157來實(shí)現(xiàn)的。其選通信號(hào)由7135的D5輸出控制。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),D5輸出高電平,74LS157選通B類通道,單片機(jī)通過PA0~PA3讀入萬位數(shù)B1、狀態(tài)位POL(極性)、OVR(過量程)和UR(欠量程);當(dāng)D5輸出完成時(shí),變?yōu)榈碗娖剑ㄟ@一過程包括D4~D1數(shù)據(jù)輸出周期在內(nèi)),74LS157選通A類通道,單片機(jī)通過PA0~PA3將依次讀入8421碼值 B8,B4,B2及B1,即低位BCD碼,依次形成萬、千、百、十、個(gè)各位BCD碼(即轉(zhuǎn)換結(jié)果)。8155A口中斷請(qǐng)求線PC0反相后形成單片機(jī)的外中斷0觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)7135完成1次轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生5個(gè)數(shù)據(jù)選通脈沖,分別將各位BCD碼和位標(biāo)志送入A口;A口收到一個(gè)數(shù)據(jù)后,中斷線PC0變?yōu)楦唠娖剑瑔?dòng)單片機(jī)的中斷服務(wù)程序,讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。7135的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)由P14控制,高電平轉(zhuǎn)換開始,低電平保持。
經(jīng)調(diào)理后的 0V~2V的模擬信號(hào)通過RC低通濾波后,從IN+,IN-輸入。A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果包括2部分:極性和量程,反映轉(zhuǎn)換性質(zhì)的結(jié)果。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)為 D1,D2,D3,D41及D5,其中D5(萬位)只能是1或0,其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2,如果量程為 2V,則參考電壓為1V。為了保證轉(zhuǎn)換的溫度穩(wěn)定性和精度,采用高精度基準(zhǔn)電源MC1403,通過金屬膜多圈進(jìn)口電位器調(diào)節(jié)得到。參考電壓上并聯(lián)的CBB 電容C46(0.1mF),C47(1mF)主要是保證參考電壓的穩(wěn)定性。
積分電容是決定轉(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵器件。按照7135應(yīng)用特性,積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關(guān),選用時(shí)必須滿足以下要求:
R3=滿度電壓/20mA(3)
C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅(4)
式中,T=1/fclk。
fclk—7135的時(shí)鐘頻率,一般可選擇250kHz,166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz,此時(shí)7135的轉(zhuǎn)換速率為3次/s。
在±5V系統(tǒng)中,如模擬地為0V,則擺幅為±4V,此時(shí)量程為?C2V~+2V,則:R3=100kW,C8=0.47mF。
(3)PLD技術(shù)的應(yīng)用
為節(jié)省了硬件電路的開銷,減少硬件電路產(chǎn)生的電磁干擾,系統(tǒng)的部分電路應(yīng)用了PLD技術(shù),其可編程邏輯電路(見圖5)由可編程邏輯陳列芯片 GAL16V8組成,主要完成A/D轉(zhuǎn)換模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束選通信號(hào)產(chǎn)生單片機(jī)外中斷0中斷信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換,其邏輯方程如下:
P16=+(與非門)(5)
P14=P7+P8(或門)(6)
P13=(非門)(7)
式中,P2、P3、P7分別為單片機(jī)的、、ALE信號(hào);
P8—與非門輸出;P9—8155的A口中斷信號(hào);P13—生成的單片機(jī)外中斷觸發(fā)信號(hào)。
按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后,產(chǎn)生熔絲文件*.LED,然后通過編程器寫入GAL16V8即可。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu),采用匯編語言編程,整個(gè)程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉(zhuǎn)換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉(zhuǎn)換處理子程序流程圖,如圖6所示。
四、非線性誤差的修正
傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器總是存在非線性誤差,由于上述非線性關(guān)系的存在,帶來了精度的降低,為了保證在整個(gè)范圍內(nèi)滿足精度的要求,所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)控制要求對(duì)測(cè)量值進(jìn)行誤差修正,修正一般通過軟件較準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。其具體的修正方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的工作區(qū)段和質(zhì)量要求來確定。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制能力對(duì)非線性關(guān)系找出修正算法,并在反復(fù)測(cè)試調(diào)整后使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用分段線性插值法對(duì)測(cè)量值的曲線進(jìn)行了誤差修正處理。方法為:將0~XMAX分為若干工作區(qū)段,每段曲線用一段對(duì)應(yīng)的折線來代替,對(duì)每段折線可求出VQ:
Nt:VQ=ai×Nt+bi(8)
式中,I—某段折線的序號(hào);ai—該段折線的斜率;bi—該段折線的截距。
它們的修正程序流程圖如圖7所示,處理關(guān)系示意曲線如圖8所示。
預(yù)先將每段的之值存于單片機(jī)中,在不同的工作區(qū)段,單片機(jī)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的每段的上述值調(diào)出進(jìn)行運(yùn)算處理。(限于篇幅,定量的分析沒有討論)
五、結(jié)束語
本文描述的是一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它有許多優(yōu)點(diǎn),可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作,而且抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、分辨率高。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。可廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域的壓力數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)與分析。
評(píng)論
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