压力传感器特性测量实验的智能化设计

贺长伟，刘增良，王宝林，刘桂媛

（山东建筑大学 理学院，山东 济南 250101）

压力传感器特性测量实验的智能化设计

贺长伟，刘增良，王宝林，刘桂媛

（山东建筑大学 理学院，山东 济南 250101）

针对大学物理实验中的压力传感器特性测量实验存在测量精确度低、计算复杂、特性描述差等问题，文章基于单片机控制与计算机分析相结合的方案，设计了压力传感器特性测量实验系统。通过利用精密仪表放大器 AD620、模数转换器 ADC0809、MCS-51单片机和电平转换电路 MAX232等构成的主体电路采集压力非平衡电桥的电压值，采用计算机对数据进行处理分析，从VB编译的人机交互界面中得到传感器灵敏度，非线性度及滞后误差等特性结果。此系统测量压力传感器特性的准确率更高，特性曲线更直观。

压力传感器；智能化测量；单片机

0 引言

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，已经广泛应用于各种工业自控环境，涉及智能识别、电力、石化等众多行业［1-4］。压力传感器特性测量是大学物理实验中的一项综合性实验，通过测量不同负载的电压值计算传感器的基本特性。现有的仪器设计人工计算过程复杂且误差较大，有待改进和完善。单片机作为一种控制芯片已被广泛应用于测量及检测领域［5-11］。文章中压力传感器特性智能化测量系统采用了单片机采集数据及计算机分析计算的设计思路，压力传感器特性参量可随不平衡电桥输出电压测量完成而同步计算出来，结果更加清晰直观，实验者可以更有效地了解测量值。文章重点介 绍 由 仪表 放 大 器AD620、数 模转 换 器ADC0809、MCS-51单片机、电平转换电路 MAX232以及由它们构成压力传感器智能化测量电路及软件设计。

1 智能化测量系统方案设计

本实验系统使用以康铜电阻丝作为应变电阻构成非平衡电桥压力传感器［12］，非平衡电桥电路如图1所示，其中 R1、R2、R3、R4为应变电阻，R0为传感器平衡器，E为直流稳压电源，U0为电桥输出的不平衡电压。利用电阻丝受外力作用拉长时电阻增加和压缩时电阻减小的“应变效应”，实现将“力”的测量转变为“电压”的测量。

图1 压力传感器非平衡电桥图

假设电桥中 R1=R2=R3=R4=R，受力时应变电阻的变化都为ΔR，由式（1）可知，电桥输出的不平衡电压U0是和应变电阻的变化 ΔR成正比的，这就是不平衡电桥的工作原理。式中：U0为电桥输出的不平衡电压，V；E为直流稳压电源，ΔR为受力时应变电阻的变化量，R1、R2、R3和 R4分别为四个电阻的原电阻值，Ω。

测量系统的设计主要包含硬件和软件两部分。其过程如图2所示，压力传感器非平衡电桥输出的电压首先经仪表放大器放大后送到A／D转换器，将模拟信号转换为数字信号，然后由单片机采集转换后的结果，通过通信模块传送给计算机，利用 VB编程进行相应的数据处理，并通过计算机设计界面显示所需的压力传感器特性的测量结果。

图2 测量系统基本设计图

2 硬件设计

本实验系统硬件部分主要由（1）压力传感器非平衡电桥；（2）信号放大器；（3）A／D转换电路；（4）89C51单片机；（5）串行口电平转换电路；（6）计算机系统组成。其中，把（2）～（5）部分集成在一块线路板上，构成系统设计的主体。下面主要介绍该部分硬件电路。

2.1 信号放大电路

实验中由于电阻的变化是很微小的，导致测量电路中产生的电压差U0很小，仅为几 mV，受A／D转换器精度的影响及考虑到噪声干扰，要得到精确的电压值必须对其进行放大。因此，本设计采用精密仪表放大器 AD620。此仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。它所采用运算放大器的基础部件，在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（CMR），它通常不需要外部反馈网络。

通过AD620要把测量电路的13 mV电压，放大到数模转换器模数转换器的基准电压 4 V，计算得到放大增益G为307.7，由式（2）可计算出电路设计中所需的增益电阻值为161 Ω。

式中：G为放大增益。

2.2 A／D转换电路及与 MCS-51单片机接口电路

本测量电路采用逐次逼近型8路8位 A／D转换器ADC0809，它的性能稳定，转换速度快，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，内部带有输出锁存器，可以与AT89C51单片机直接相连。其缺点是转换精度较低，但是与AD620仪表放大器相配合，根据式（3）可知，在 13 mV量程范围内其精度已达 0.05 mV［13-14］。

A=量程／（级数-1）=13／（28-1）≈0.05（mV）（3）

为了保证 ADC0809在进行模数转换时的精确性，应当用高稳定度的基准电源，我们选用有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源 TL431。它的内部有一个2.5 V基准源，与外部电阻配合可产生2.5 ～6 V精密基准电压。图3为ADC0809的参考电压电路，其中 R1为分压电阻，基准电压可由式（4）计算出来。在选择电阻时必须保证 TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA。

VO=（1+R2／R3）×VREF，VREF=2.5 V （4）

ADC0809与 MCS-51单片机的连接如图4所示。本接口电路主要涉及两个问题：（1）两路模拟信号通道的选择；（2）A／D转换完成后转换数据的传送。对于第一个问题我们是采用单片机的 P2.3接口与ADC0809的ADDA口直接相连的方法，当P2.3口输出低电平时选择 ADC0809的 IN-0口进行模数转换，当P2.3口输出高电平时选择ADC0809的 IN-1口进行模数转换。对于第二个问题我们是采用单片机的P1口直接与 ADC0809 D0-D7口相连的方法，ADC0809 D0口对应单片机 P1.0口，D7对应P1.7口。ADC0809转换后的数据由单片机通过 P1口采集并传给计算机。

图3 ADC0809基准电压电路图

图4 ADC0809与 MCS-51单片机的引脚接口图

2.3 串行口电平转换电路

MCS-51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。把实验所得的数据通过串行口输入到计算机，便可进行最终的数据处理及特性分析。在本系统中我们采用了三线制连接串口，具体连接方式如图5所示。

图5 MAX232电平转换电路图

2.4 总体电路原理图

本系统硬件电路总的设计原理图主要包含5部分：（1）电源电路；（2）51单片机最小系统；（3）ADC0809电路；（4）AD620电路；（5）MAX232电路。这5部分构成了本装置的硬件系统。本电路系统安装在特制的电路箱中，抗干扰能力强，对实验结果没有影响。

3 系统的软件设计

3.1 单片机主程序设计

在本系统中单片机的作用是采集 ADC0809数字化的电压值，然后通过串行通信的方式将这些数据传送给计算机。同时为了保证系统的稳定性，单片机在采集 ADC0809转换的数据和与计算机串行通信时放弃中断方式而采用查询的方式来判断ADC0809是否完成一次模数转换和是否发送或接收完数据，程序流程如图6所示。

3.2 计算机处理数据及结果显示

由于计算机强大的计算能力和友好的人机界面，在对压力传感器特性的测量中它承担了全部的计算内容和结果的显示。计算机负责分析和计算由单片机采集来的数据并以图文的形式显示出来，这样的选择不但简化了单片机的编程而且提高了计算精度和速度。对于计算机编程，用面向对象的VB6.0编写数据处理和结果显示的应用程序［15］，如图7所示：第一部分计算压力传感器的特性：灵敏度、非线性误差、滞后性误差，第二部分计算压力传感器的重复性误差，第三部分用来测量任意物体的重量，第四部分计算电桥电源电压 E与电桥电压 U0的关系，然后以图形的形式显示出来，使测量结果一目了然。

图6 单片机主程序流程图

4 结语

压力传感器特性智能化测量系统在传统大学物理实验仪器的基础上，利用单片机对压力数据进行采集，结合计算机进行数据分析，并且可通过计算机界面观察每一个测量中间数据，计算精确。通过实时了解特性曲线、分析实验结果，更好地掌握了压力传感器的特性，达到实验目的。此电路通过不同的接口电路也可实现温度、湿度等的测量，实现了物理实验与计算机、单片机智能系统的良好结合。

图7 计算机处理数据及结果显示程序人机界面图

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［7］ 聂士忠 物理实验数据采集系统的研制及应用［J］实验科学与技术2010，8（2）：63-65.

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［10］王瑗，余建波，赵铁松计算机数据采集在大学物理实验中的应用［J］大学物理 2007，26（11）：44-46.

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［12］谭金凤，许福运，张慧军.大学物理实验［M］.北京：北京邮电大学出版社，2006.

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［14］万隆.单片机原理与实例应用［M］北京：清华大学出版社，2011.

［15］林卓然.VB语言程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2012.

（学科责编：李雪蕾）

Intelligent design of experiment to measure the pressure transducer's characteristics

He Changwei，Liu Zengliang，Wang Baolin，et al.
（School of Science，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The original experimental instrument for measuring the pressure transducer's characteristics have some problems，such as low accuracy，complexity and poor description.Based on single-chip microcomputer and computer analysis，a system for measuring the characteristics of pressure transducer is designed.The main circuit consists of precision instrument amplifier AD620，ADC0809，MCS-51 SCM and MAX232 etc.By collecting the voltage of non-balanced electric bridge and analyzing the data by computer，characteristic results such as sensitivity，linearity and hysteresis error will show up in the computer interface which is compiled by VB.Results show that the system can give higher accuracy and more intuitive characteristic curve.

pressure transducer；intelligent measurement；micro-control unit

O4-33

A

1673-7644（2015）03-0288-05

2014-06-04

贺长伟（1981-），女，讲师，硕士，主要从事信号与信息处理等方面的研究.E-mail：changweihe＠sdjzu.edu.cn