電容式智能壓力變送器的測量電路研究

王丹妮+唐軍

摘 要：文中研究了傳感器的理論問題，同時探索并研究了傳感器在測量方面的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出了一種精度高且集成度相對較高的基于電容傳感器智能壓力變送器測量電路的設(shè)計方案。文中詳細(xì)介紹了硬件電路的設(shè)計問題，并描述了軟件方面的實現(xiàn)問題，在此過程中，對遇到的問題及難題給出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；壓力傳感器；12864液晶；智能壓力變送器

中圖分類號：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

相比于國際先進(jìn)的傳感器技術(shù)，雖然國內(nèi)傳感器的制造水平與之還有一定差距，但近幾年也有所提高。近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在逐漸成熟，智能變送器不僅擁有傳統(tǒng)智能變送器數(shù)據(jù)采集、變送、通訊、自診斷等功能，同時也在向多功能化集成和無線遠(yuǎn)程通訊方向發(fā)展，實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)和支持。隨著傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是在傳感技術(shù)中的應(yīng)用將促使傳感技術(shù)產(chǎn)生飛躍，而智能壓力變送器的出現(xiàn)就是它們結(jié)合的結(jié)果[1]。

1 智能壓力變送器的定義及其測量電路設(shè)計原理

智能壓力變送器在保證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性的前提下，壓力傳感器通過信號調(diào)理電路與微控制器結(jié)合，在兼有信息處理、信息記憶、故障診斷、數(shù)字總線通訊等功能的同時，能提高壓力變送器精度。智能壓力變送器的高精度和智能化主要通過對微控制器的編程來實現(xiàn)，即智能壓力變送器是硬件和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物[2]。

電容式智能壓力變送器測量電路的硬件設(shè)計主要包括微控制器ATmega16和ATmega16外圍電路部分。本文使用的微控制器ATmega16片內(nèi)集成了實現(xiàn)智能壓力變送器系統(tǒng)所需的大部分硬件，是一種完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型單片機(jī)，因此簡化了整個硬件電路的設(shè)計。

測量電路的主要組成部分有信號采集電路，單片機(jī)和電流輸出電路。壓力傳感器的電阻輸出電壓存在對溫度和電源電壓的交叉靈敏度，即不僅決定于輸入的壓力（差），還與傳感器的工作環(huán)境溫度和電源電壓有關(guān)[3]。測量電路的核心是ATmega16單片機(jī)，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號后，再把它送到片內(nèi)信號調(diào)理單元進(jìn)行放大并濾波調(diào)理，輸入至ATmega16片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器對相應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出4～20 mA電流信號，經(jīng)單片機(jī)的程序處理，最終將結(jié)果顯示在液晶屏上，實現(xiàn)電流、電壓的輸出。

2 系統(tǒng)方案硬件設(shè)計

本文提出了一種智能壓力變送器的設(shè)計方案，其主要特點是集成度高且精度高。電容智能壓力變送器系統(tǒng)主要包括以下三部分：

（1）壓力傳感器的設(shè)計；

（2）微控制器及其外圍電路的設(shè)計；

（3）軟件算法的設(shè)計。

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

從圖1可以看到，該系統(tǒng)主要由壓力采集模塊，溫度采集模塊，電源模塊，微控制器模塊和液晶顯示模塊組成。智能壓力變送器系統(tǒng)的控制核心是微控制器模塊，主要運行軟件算法并實現(xiàn)智能管理，它由微控制器ATmega16實現(xiàn)，包括D/A轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換等。壓力采集模塊的主要作用是壓力傳感器輸出的調(diào)制信號采集和產(chǎn)生壓力傳感器工作所需的交流激勵電源。

本設(shè)計大致由四個部分構(gòu)成，電容式智能壓力變送器測量電路如圖2所示。

NE555部分通過改變電容值，在NE555的3腳輸出一個頻率信號，通過單片機(jī)外部中斷INT0讀取頻率信號的頻率，在單片機(jī)內(nèi)部通過定時計數(shù)器2轉(zhuǎn)換成PWM波形，經(jīng)PD4輸出后傳入AD694模塊的輸入。測量AD694輸出部分從而讀取電壓值顯示在液晶顯示器上。相應(yīng)的實物圖如3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的主程序是監(jiān)控程序，在程序運行時需要考慮初始化問題。因此需要考慮中斷程序初始化，定時器初始化及各控制端口的初始化。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

本系統(tǒng)采用ATmega16作為核心處理器件。上電時首先通過PB2、PB3檢測系統(tǒng)電壓是否異常，若異常則發(fā)出警報信號[4]。在電壓正常情況下，其工作流程如圖5所示。

4 結(jié) 語

本設(shè)計基于ATmega16單片機(jī)壓力檢測系統(tǒng)，通過12864液晶實時顯示，測量電路以ATmega16單片機(jī)為核心，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號后，再經(jīng)片內(nèi)信號調(diào)理單元放大并進(jìn)行濾波處理，輸入至ATmega16片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器對相應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出4～20 mA的電流信號，經(jīng)單片機(jī)程序處理，將最終結(jié)果顯示在液晶屏上，實現(xiàn)電流、電壓的輸出，通過壓力傳感器的變化反應(yīng)到相應(yīng)顯示波形的改變，從而完成電容傳感器智能壓力變送器測量電路的研究。

參考文獻(xiàn)

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