青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）
2 基于单片机的压力检测系统的硬件设计
2.1 压力传感器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
2.1.1压力传感器的选择
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。 而电阻应变式传感器具有悠久的历史。由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移加速度、力、力矩、压力等各种参数。
2.1.2 电阻应变片的基本结构
电阻应变片主要由四部分组成。如图 2-1所示 ,电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引 出线用以连接测量导线。
图 2-1 电阻应变片的基本结构
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2.1.3 电阻应变片的测量电路
应变片可以将应变转换为电阻的变化，为了显示于记录应变的大小，还要将电阻的变化再转换为电压或电流的变化，因此需要有专用的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。
2.1.3.1电桥电路的工作原理
由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2-2所示。
图2-2 直流电桥
设电桥的各臂的电阻分别为R1R3R2R4 它们可以全部或部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多，因此可将电桥输出端看成开路，这种电桥成为电压输出桥，输出电压U0 为
R1R3?R2R4 U0= U S （2-7）
(R1?R2)(R3?R4)
由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。
平衡电桥的平衡条件为：
R1R3=R2R4
应变片工作时，其电阻变化ΔR，此时有不平衡电压输出。
U?R? 1 （2-8） U 0 4R1
由式（2-8）表明：ΔR<< R1 时，电桥的输出电压于应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变活压应变时，输出电压为两者之差，若不同时，则输
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出电压为两者之和。若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。
电桥供电电压U越高，输出电压U0 越大，但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。 2.1.3.2 非线性误差及温度补偿
由式（2-8）的线性关系是在应变片的参数变化很小，极ΔR<< R1 的情况下得出的，若应变片承受的压力太大，则上述假设不成立，电桥的输出电压应变之间成非线性关系。在在这种情况下，用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来非线性误差。为了消除非线性误差，在实际应用中，常采用半桥差动或全桥差动电路，如图2-3所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度。
(a)半桥差动电路 （b） 全桥差动电路
图2-3 差动电桥
图2-4（a）为半桥差动电路，在传感器这中经常使用这种方法。粘贴应变片时，使两个应变片一个受压，一个受拉。应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻两臂。设电桥在初始时所示平衡的，且为等臂电桥，考虑到ΔR=ΔR1=ΔR2 则得半桥差动电路的输出电压为
?R U ? ? U （2-9）
2R?
由上式可见，半桥差动电路不仅可以消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度提高了一倍，同时还能起到温度补偿的作用。如果按图2.4（b）所示构成全桥差动电路同样考虑到 ΔR=ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时得全桥差动电路的输出电压为
?R U ? ? U （2-10）
R?-6-
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可见，全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了4倍非线性误差也得到了消除，同时还具有温度补偿的作用，该电路也得到了广泛的应用。
2.2 信号放大电路
2.2.1放大器的选择
被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器，因为在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。
2.2.2三运放大电路
本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。它由三个集成运算放大器组成，如图2-4所示。
图2-4 三运放高共摸抑制比放大电路
其中A1和A2为两个性能一致(主要指输入阻抗，共模抑制比和增益)的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，A3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1和A2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。 这种连接有另
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外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6，R1＝ R3和R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)（R2/R1）。
由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍。
最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。
2.3 A/D转换器
模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。本次设计的中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。
2.3.1 A/D转换模块器件选择
目前单片机在电子产品中已得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路，但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多，我们采用一个普通的单片机加上一个A/D转换器，实现A/D转换的功能，这里A/D转换器可选ADC0832、ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分类中的一种，但却是应用中器件选择的一个重要指标。在同样的转换分辨率及转换速度的前提下，不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影响。对A/D转换器的选择我们通过比较ADC0809和ADC0832来决定。这两个转换器都是常见的A/D转换器，其中ADC0809的并行接口A/D转换器，ADC0832是串行接口A/D转换器。我们所做的设计选择ADC0832，A/D转换在单片机接口中应用广泛 ,串行 A/D转换器具有功耗低、性价比较高、芯片引脚少等特点。
2.3.2 配置位说明
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