陳龍彪 張加齊 張樂x

摘要：為通過應(yīng)變片設(shè)計(jì)一個(gè)可以自行調(diào)節(jié)量程并使用的壓力傳感器，使其達(dá)到能精確測(cè)量壓力，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，使其可直接在LCD屏上顯示輸出數(shù)值，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89C52的壓力測(cè)試系統(tǒng)。該壓力傳感器能夠?qū)π×砍谭秶鷥?nèi)的壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并可通過調(diào)節(jié)增益大小，來控制傳感器的量程。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;數(shù)模轉(zhuǎn)換;LCD屏

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）18-0243-02

一般的壓力傳感器中都存在應(yīng)變片，而所謂的應(yīng)變片，指的是受到應(yīng)力作用時(shí)電阻會(huì)發(fā)生明顯變化的器件[1～3]。通過電學(xué)的方法可以測(cè)得電阻的變化值，進(jìn)而可以測(cè)得壓力的大小。因此，如何精確高效地將壓力轉(zhuǎn)換為形變成為決定器件測(cè)量靈敏度的關(guān)鍵因素。而應(yīng)變片可簡單地分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，綜合考慮靈敏度、價(jià)格等多方面的優(yōu)勢(shì)，選擇采用半導(dǎo)體應(yīng)變片作為本系統(tǒng)傳感器的核心構(gòu)成部件。

1 傳感器分析

1.1 半導(dǎo)體靈敏度分析

在大多數(shù)情況下，應(yīng)變片的形變而產(chǎn)生的電阻值的變化可以用下式（1）所示：

其中，[R]為應(yīng)變片電阻值;[ΔR]為應(yīng)變所引起的電阻值的變化大小;[K]為應(yīng)變率，[λ]為應(yīng)變量;[μ]為泊松比，即應(yīng)變片因受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生的橫向尺寸的變化和縱向尺寸的變化之比;[δ]為應(yīng)變片的電阻率;[Δδ]為應(yīng)力引起的應(yīng)變片電阻率的變化。[（1+2μ）]部分由應(yīng)變片的尺寸大小決定，而[Δδδ]由應(yīng)變片電阻率的變化決定。

在金屬應(yīng)變片情況下，電阻只有尺寸發(fā)生改變，應(yīng)變率[K]不超過2.而在半導(dǎo)體應(yīng)變片的情況下，除電阻尺寸改變外，還會(huì)有由于壓阻效應(yīng)而產(chǎn)生的電阻率更大的變化，會(huì)使得應(yīng)變率[K]高達(dá)100以上。

1.2 壓力傳感器的構(gòu)建

將半導(dǎo)體應(yīng)變片制成膜片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)在受到應(yīng)力時(shí)發(fā)生形變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為膜片的電阻值的改變[4]。通過構(gòu)建一個(gè)如圖1所示的惠斯通電橋，將應(yīng)變片放置在橋臂上，當(dāng)應(yīng)變片受到壓力時(shí)，膜片上的壓力使得電橋不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)的輸出信號(hào)，再將該差動(dòng)信號(hào)放大，就能測(cè)得壓力大小，系統(tǒng)采用恒電壓的工作模式。

1.3 恒電壓傳感器的基本電路

恒電壓工作模式下的傳感器基本電路圖如圖3所示。圖中使用的為測(cè)量絕對(duì)壓力的壓力傳感器KP100A，恒定電壓為7.5V，由運(yùn)算放大器電源提供。

2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

將模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)是模擬量的輸入通道的目的，而能夠達(dá)成這一目的的器件為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是AD公司生產(chǎn)的16位AD 7705，它的任務(wù)是將放大器的輸出模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。其與單片機(jī)的連接如圖4所示：

AD7705 使用SP I Q SP I兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器以及DSP 連接， 相比于并行接口方式，能大大節(jié)省了CPU的 I O口。這種器件還具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍寬、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低功耗低電壓等諸多特點(diǎn)， 非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 顯示模塊設(shè)計(jì)

電路中采用AT89C52單片機(jī)[5]，是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)含8kBISP的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器;同時(shí)由于單片機(jī)本身所提供的PO、Pl、P2、和P3口不能夠滿足本單片機(jī)系統(tǒng)的需要，因此必須擴(kuò)展I/O口，這里選用了基本的I/O口擴(kuò)展芯片8155，擴(kuò)展芯片直接與MCS.51系列單片機(jī)連接，無須增加硬件電路，將其與LGM12641BS1R進(jìn)行連接，如圖5所示。

x顯示子程序是以字符形式顯示，開始調(diào)用提前編碼好的LCD顯示子程序。初始化命令，然后輸出顯示的命令。在顯示過程中務(wù)必記得調(diào)用延時(shí)子程序。當(dāng)輸入通道中采集了一個(gè)新的過程參數(shù)，有壓力信號(hào)輸入，最后調(diào)用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示。

4 總結(jié)

通過設(shè)計(jì)一個(gè)基于AT89C52的壓力測(cè)試裝置，能夠簡單地進(jìn)行一些壓力測(cè)量工作，并在LCD屏上進(jìn)行顯示，使用方便，且該系統(tǒng)的高性能與低功耗進(jìn)一步提高了它的可行性和應(yīng)用價(jià)值，具有較大的市場優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李焰，張敏，史國凱.應(yīng)變片粘貼因素對(duì)壓桿測(cè)壓的影響[J].中國測(cè)試，2018，44（10）：130-133+144.

[4]張玉葉.基于應(yīng)變?nèi)珮虻蔫F質(zhì)懸臂梁傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（14）：125-129.

[5]梅孝安，周旭陽，朱玉軍，楊中華，范春波，趙艷杰.基于AT89C52單片機(jī)的智能沖擊電流計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].電子技術(shù)，2014，43（01）：52-54.

【通聯(lián)編輯：梁書】