一種基于MPX2100型壓力傳感器的壓力數據采集系統

　　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)的壓力檢測與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測量壓力值并把它由非電量轉變成電量這一過(guò)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據采集系統。系統的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉換精度高、靈敏度高，具有極好的線(xiàn)性度，在高性能單片機 AT89S52的控制下，放大調理后的模擬電量通過(guò)高精度、高性能芯片ICL7135進(jìn)行A/D轉換，可以保證系統具有很高的數據采集精度和很強的抗干擾能力，使用壽命長(cháng)。系統采用液晶顯示及PS/2鍵盤(pán)接口，實(shí)現了良好的人機交換。PLD技術(shù)的應用，節省了硬件電路的開(kāi)銷(xiāo)。

　　二、系統的硬件組成及工作原理

　　高精度壓力數據采集系統框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號被放大調理后經(jīng)模/數轉換模塊轉換為數字量，傳送給單片機，經(jīng)過(guò)標定、運算及零點(diǎn)補償等處理，在液晶顯示模塊上顯示出來(lái)，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機，實(shí)現良好的人機交換，鍵盤(pán)提供人機交互的手段。

　　1、壓力數據采集及信號調理電路

　　壓力傳感器是一種將壓力轉換成電流/電壓的器件，可用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類(lèi)很多，其中硅半導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)得到廣泛的應用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴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。當沒(méi)有外加壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零。當有外加壓力時(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(guò)檢測電壓，即可得到相應的壓力值。但這種傳感器由于四個(gè)橋臂電阻不完全匹配而引起測量誤差，零點(diǎn)偏移較大，不易調整。

　　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(zhuān)利技術(shù)采用單個(gè)X型電阻元件，而不是電橋結構，其壓敏電阻元件呈X型，因而稱(chēng)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，并采用計算機控制的激光修正技術(shù)，溫度補償技術(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(xiàn)性度，且靈敏度高，長(cháng)期重復性好。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，本系統采用MPX2100DP作為壓力傳感器，可以很好地滿(mǎn)足系統的要求，它具有如下特點(diǎn)：

　?、儆捎诓捎眉す馕⒄{技術(shù)，使電橋零漂輸出很小，一般小于±1mV;

　?、趥鞲衅黛`敏度較高，為40mV±1.5mV;

　?、蹅鞲衅饔蔁崦綦娮杞M成溫度補償網(wǎng)絡(luò )，在-40℃~+125℃范圍內有較好的溫度補償效果，從而提高了傳感器的精度;

　?、芫哂袠O好的線(xiàn)性度(±0.25%F.S);

　?、萦休^寬的工作溫度范圍(-40℃~+125℃);

　?、拊试S過(guò)載大(400%)。

　　(2)信號調理電路

　　電路圖如圖3所示(圖中只以一路傳感器輸出信號為例，未畫(huà)出多路開(kāi)關(guān)CD4051)。

　　信號經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100DP變?yōu)殡娦盘?，通過(guò)CMOS型8選1多路開(kāi)關(guān)CD4051選擇之后，再送入放大電路，進(jìn)行調理后輸出到A/D模塊ICL7135進(jìn)行高精度模數轉換。MPX2100DP的供電電壓取為8V，它的滿(mǎn)量程輸出x由下式確定：x=40mV×8V/10V=32mV(1)

　　對于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進(jìn)行適當的放大。

　　放大器采用MC33274四運算放大器，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，可調節偏置電路。差模放大主要由U1A完成，U1B為電壓跟隨器，用來(lái)防止運放的反饋電流流入傳感器的負端。零壓力時(shí)，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設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(guò)去的阻抗約為1kW，放大器的增益為：

　　選擇125的增益使傳感器滿(mǎn)量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032=4V(為電源電壓的一半)。

　　2、單片機及其外圍電路部分

　　單片機外圍電路如圖4所示。

　　(1)AT89S52介紹

　　單片機選用的是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。AT89S52有以下主要特點(diǎn)：

　?、俨捎昧薃TMEL公司的高密度、非易失性存儲器(NV-SRAM)技術(shù);

　?、谄淦瑑染哂?56字節RAM，8KB的可在線(xiàn)編程(ISP)FLASH存儲器;

　?、塾?種低功耗節電工作方式：空閑模式和掉電模式;

　?、芷瑑群幸粋€(gè)看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)，WDT包含一個(gè)14位計數器和看門(mén)狗定時(shí)器復位寄存器(WDTRST)，只要對WDTRST按順序先寫(xiě)入 01EH，后寫(xiě)入0E1H，WDT便啟動(dòng)，當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即可有效地使系統復位，提高了系統的抗干擾性能。

　　(2)外圍電路部分

　　接口電路的片選信號由74LS138對高位地址線(xiàn)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CS_8155(Y0)、鍵盤(pán)接口片選信號CS_KEY(Y1)及液晶模塊片選信號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，與8位MCU接口方便;鍵盤(pán)接口設計為通用PC機接口(PS/2)，是因為通用PC機鍵盤(pán)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)，而且維護方便，限于篇幅本文未介紹。A13、A14、A15組成多路模擬開(kāi)關(guān) 4051的編碼地址線(xiàn)，Vxi即為4051按照鍵盤(pán)輸入的地址選出的一路模擬信號，它將被送往信號調理模塊進(jìn)行放大調理。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(xiàn)架設于戶(hù)外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統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;可以保證與上位機進(jìn)行通信時(shí)穩定可靠。