基于單片機控制的數字壓力傳感器的畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 能承受高達 8 kV 的靜電放電沖擊，片內集成 4個瞬時過壓保護管，可承受高達 400 V 的瞬態脈沖電壓。因此，它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環境比較惡劣的現場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設計，當輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統的正常工作。另外，它的輸入阻抗為 RS485 標準輸入阻抗的 2 倍（≥ 24 kΩ），故可以在總線上連接 64 個收發器。芯片內部設計了限斜率驅動，使輸出信號邊沿 不會過陡，使傳輸線上不會產生過多的高頻分量，從而有效扼制電磁干擾。在圖 1 中，四位一體的光電耦合器 TLP521 讓單片機與 SN75LBC184 之間完全沒有了電的聯系，提高了工作的可靠性?；驹頌椋寒攩纹瑱C =0 時，光電耦合器的發光二極管發光，光敏三極管導通，輸出高電壓（＋ 5 V），選中 RS485 接口芯片的 DE 端，允許發送。當單片機 =1 時，光電耦合器的發光二極管不發光，光敏三極管不導通，輸出低電壓（ 0 V），選中 RS485 接口芯片的 RE端，允許接收。 SN75LBC184 的 R 端（接收端）和 D端（發送 端）的原理與上述類似。 RS485 的 DE 控制端設計 在 RS485 總線構筑的半雙工通信系統中，在整個網絡中任一時刻只能有一個節點處于發送狀態并向總線發送數據，其他所有節點都必須處于接收狀態。如果有 2個節點或 2個以上節點同時向總線發送數據，將會導致所有發送方的數據發送失敗。因此，在系統 29 各個節點的硬件設計中，應首先力求避免因異常情況而引起本節點向總線發送數據而導致總線數據沖突。以 MCS51 系列的單片機為例，因其在系統復位時， I/O 口都輸出高電平，如果把 I/O 口直接與 RS485 接口芯片的驅動器使能端 DE相連，會在 CPU 復位期間使 DE 為高，從而使本節點處于發送狀態。如果此時總線上有其他節點正在發送數據，則此次數據傳輸將被打斷而告失敗，甚至引起整個總線因某一節點的故障而通信阻塞，繼而影響整個系統的正常運行?？紤]到通信的穩定性和可靠性，在每個節點的設計中應將控制 RS485 總線接口芯片的發送引腳設計成 DE 端的反邏輯，即控制引腳為邏輯“ 1”時， DE 端為“ 0”；控制引腳為邏輯“ 0”時， DE 端為“ 1”。在圖 1 中 ,將 CPU 的引腳 通過光電耦合器驅動 DE 端，這樣就可以使控制引腳為高或者異常復位時使SN75LBC184 始終處于接收狀態，從而從硬件上有效避免節點因異常情況而對整個系統造成的影響。這就為整個系統的通信可靠奠定了基礎。 此外，電路中還有 1片看門狗 MAX813L，能在節點發生死循環或其他故障時，自動復位程序，交出 RS485 總線控制權。這樣就保證整個系統不會因某一節點發生故障而獨占總線，導致整個系統癱瘓。 避免總線沖突的設計 當一個節點需要使用總線時，為了實現總線通信可靠，在有數據需要發送的情況下先偵聽總線。在硬件接口上，首先將 RS485 接口芯片的數據接收引腳反相后接至 CPU 的中斷引腳 INT0。在圖 1 中， INT0 是連至光電耦合器的輸出端。當總線上有數據正在傳輸時， SN75LBC184 的數據接收端（ R端）表現為變化的高低電平，利用其產生的 CPU 下降沿中斷（也可采用查詢方式），能得知此時總線是否正“忙”，即總線上是否有節點正在通信。如果“空閑”，則可以得到對總線的使用權限，這樣就較好地解決了總線沖突的問題。在此基礎上，還可以定義各種消息的優先級，使高優先級的消息得以優先發送，從而進一步提高系統的實時性。采用這種工作方式后，系統中已經沒有主、從節點之分，各個節點對總線的使用權限是平等的，從而有效避免了個別節點 通信負擔較重的情況?？偩€的利用率和系統的通信效率都得以大大提高，從而也使系統響應的實時性得到改善，而且即使系統中個別節點發生故障，也不會影響其他節點的正常通信和正常工作。這樣使得系統的“危險”分散了，從某種程度上來說增強了系統的工作可靠性和穩定性。 RS485 輸出電路部分的設計 在圖 1中， VD1～ VD4 為信號限幅二極管 ,其穩壓值應保證符合 RS485 標準， VD1 和 VD3取 12 V,VD2 和 VD4 取 7 V,以保證將信號幅度限定在 7～ +12 V 之間，進一步提高抗過壓的能力?？紤]到線路的特殊情況（如 某一節點的 RS485 芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機的通信受到影響，在 SN75LBC184 的信號輸出端串聯了 2個 20 Ω的電阻R1 和 R2，這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應用系統工程的現場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為 120 Ω左右，所以線路設計時，在 RS485 網絡傳輸線的始端和末端應各接 1個 120 Ω的匹配電阻（如圖 1 中的 R3），以減少線路上傳輸信號的反射。 系統的電源選擇 對于由單片機結合 RS485組建的測控網絡，應優先采用各節點獨立供電的方案，同時 電源線不能與 RS485 信號線共用同一股多芯電纜。 RS485 信號線宜選用截面積 mm2 以上的雙絞線而不是平直線 ,并且選用線性電源 TL750L05 比選用開關電源更合適。TL750L05 必須有輸出電容，若沒有輸出電容，則其輸出端的電壓為鋸齒波形狀，鋸齒波的上升沿隨輸入電壓變化而變化，加輸出電容后，可以抑制該現象。 3． 2． 2 方案二 壓電傳感器 30 壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化 、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用 1 、應變片壓力傳感器原理與應用 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號 的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉換和 CPU ）顯示或執行機構。 金屬電阻應變片 的內部結構 如圖 1 所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。 電阻應變片的工作原理 金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱 為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示： 式中： ρ——金屬導體的電阻率（ Ω。 cm2/m ） S ——導體的截面積（ cm2 ） L ——導體的長度（ m ） 我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲 的應變情 2 、陶瓷壓力傳感器原理及應用 抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為 / / mV/V 等，可 31 以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償 0 ～ 70℃ ，并可以和絕大多數介質直接接觸。 陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達 40 ～ 135 ℃ ，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度 2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。 傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出（ 05 ， 420mA 或 05V）。在絕壓壓力傳感器和 變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。 3 、壓電壓力傳感器原理與應用 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的 “居里點 ”）。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸 鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。 現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、 PZT 、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。 壓電傳感器主要應用在加速 度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導 管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛 。 壓電壓力傳感器的測量電路 壓電元件在承受外力作用時，表面就產生電荷，因此它相當于一個電荷發生器或電荷源 Q。壓電元件的符號如圖 所示。 圖 壓電元件的符號 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，因此壓電傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，所以壓電 32 傳感器只適用于動態測量。 電荷放大器 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量 Q 成 正比的電荷 /電壓轉換器，它與壓電傳感器配套使用，可測量振動、沖擊、壓力等機械量，電荷放大器的輸入端可配接長電纜，而不會受引線電纜分布電容的影響。電荷放大器電路如圖 63a 所示。 圖 電荷放大器 a）電路 b）外形 1－壓電傳感器 2－屏蔽電纜線 3－電纜分布電容 4－電荷放大器 SC－靈敏度選擇開關 SR－帶寬選擇開關 VD VD2－ 輸入端保護二極管 電荷放大器的輸出電壓的有效值可由式 得到 式中 Q—— 壓電傳感器產生的電荷 ； Cf —— 并聯在放大器輸入端和輸出端之間的反饋電容。 圖 壓電傳感器接電壓放大器的等效電路 三運放大器 本次課程設計中，需要一個放大電路，我們將采用三運放大電路，主要的元件就是三運放大器。 在許多需要 用 A/D 轉換和數字采集的單片機系統中， 多數 情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數的放大，才能滿足 A/D轉換器對輸入信號電平的要求， 在此 情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。 33 32148U 2 : ALM 35 856748U 2 : BLM 35 832148U 3 : ALM 35 856748