中心議題：

• 電阻應(yīng)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(yīng)變式壓力傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)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(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會產(chǎn)生應(yīng)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(yīng)變片阻值的變化。把4 個電阻應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用微壓力傳感器對壓力的感應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中對Rg 的要求也比較高，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。