陳熙霖++朱逸天++趙輝

摘要：本文主要介紹了某設(shè)備數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括壓力信號(hào)采集、電源管理、溫度補(bǔ)償?shù)奶幚?、中央控制等。具有精度高、讀數(shù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。提高了某設(shè)備的保障效率。某設(shè)備作為某型飛機(jī)地面維修和飛行保障的主要資源，是直接影響某型飛機(jī)各項(xiàng)作戰(zhàn)功能發(fā)揮的重要因素。由于某型飛機(jī)具有微量保障特點(diǎn)，現(xiàn)有的機(jī)械壓力表量程一般較大，且精度低，讀數(shù)容易出現(xiàn)偏差，將對(duì)某設(shè)備的正常保障產(chǎn)生一定影響。因此需要設(shè)計(jì)一款符合某設(shè)備保障需求的數(shù)字壓力表，能夠準(zhǔn)確、有效地對(duì)某型飛機(jī)實(shí)施保障，對(duì)飛行訓(xùn)練和作戰(zhàn)任務(wù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：壓力表 壓力傳感器 壓力模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0145-01

1 壓力傳感器測(cè)壓原理

傳統(tǒng)壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型器件為主，尺寸大，精度低，無(wú)電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的壓力傳感器逐漸被半導(dǎo)體壓力傳感器所替代。半導(dǎo)體壓電式壓力傳感器是在薄片表面形成半導(dǎo)體變形壓力，通過(guò)外界壓力使薄片發(fā)生形變從而產(chǎn)生壓電阻抗效果，然后使阻抗產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多，如電阻應(yīng)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(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。

壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，常用于壓力、拉力、壓力差和其他物理量（如液位、加速度、重量、應(yīng)變、流量、真空度）的測(cè)量和控制。

當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于金屬應(yīng)變計(jì)，前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化，而且前者靈敏度比后者大50～100倍。

2 數(shù)字壓力表總體設(shè)計(jì)

數(shù)字壓力表總體分為壓力模塊和主機(jī)兩個(gè)部分。二者通過(guò)數(shù)字通訊實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)測(cè)量與信號(hào)的傳輸。

壓力模塊由壓力傳感器、單片機(jī)、A/D、電源管理系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償?shù)葞撞糠謽?gòu)成。在傳感器有效范圍內(nèi)，輸出電壓U與和輸入壓力成正比。符合線性關(guān)系。輸出的電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的處理后被送至主機(jī)。

主機(jī)由電源管理電路和精密電測(cè)電路構(gòu)成。主要作用是將從壓力模塊收到的電信號(hào)以壓力值的形式顯示出來(lái)并和微機(jī)通訊，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

3 數(shù)字壓力表詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 壓力模塊設(shè)計(jì)

其中，電源管理部分負(fù)責(zé)把主機(jī)供電電源+5 V轉(zhuǎn)換為A/D模塊和溫度補(bǔ)償器件所要求的高精度和高穩(wěn)定度的+5V、-5V電源；通過(guò)A/D模塊雙輸入通道實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)溫度補(bǔ)償；中央處理器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并與主機(jī)進(jìn)行通訊。

壓力傳感器內(nèi)部為橋式結(jié)構(gòu)，輸出的信號(hào)隨著溫度變化存在漂移情況，所以需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。選用AD590型傳感器，此傳感器精度高，測(cè)溫范圍寬，需要的外圍器件少，因此適合在壓力模塊中使用。

為保證主機(jī)通訊的可靠性，壓力模塊與校驗(yàn)儀連接線內(nèi)所傳輸?shù)男盘?hào)應(yīng)該越少越好。在此采用6芯有屏蔽層的電纜傳輸線，傳輸?shù)男盘?hào)分為DC+5V、GNDI、DC+24V、RXD、GND2、TXD幾種。其中，DC+24V為模塊內(nèi)的恒流源的工作電源，而DC+5V為模塊其它各個(gè)芯片工作電源，RXD、TXD則作為模塊和主機(jī)通訊數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換器AD7710和AD590所要求的電源是高精度的直流+5V、5V電壓源。模塊和主機(jī)連接線進(jìn)行傳輸?shù)?5V電壓源難以滿(mǎn)足要求，最終通過(guò)芯片MAX660、REF02、OP07、ICL7660轉(zhuǎn)換出了AD7710和AD590所要求的電源，從而保證了壓力計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

壓力模塊使用的微控制器為20管腳的AT89C4051。該控制器內(nèi)部由4K字節(jié)EPROM、128bit RAM和1個(gè)比較器組成，具有I2C總線方式的管腳數(shù)是13個(gè)。AT89C4051具有較強(qiáng)抗干擾性，無(wú)論從體積還是從性能上來(lái)說(shuō)都適用于壓力模塊。

3.2 主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)的主要作用包括接收信號(hào)，顯示壓力值、電壓電流精密信號(hào)的測(cè)量、直流24V電壓的輸出、和微機(jī)進(jìn)行通訊、顯示控制和鍵盤(pán)控制等。

電源管理電路的作用主要有兩個(gè)。一是當(dāng)電池單獨(dú)供電時(shí)，壓力表能夠正常工作，電池和交流適配器同時(shí)供電時(shí)，優(yōu)先選擇交流適配器為壓力表進(jìn)行供電。二是對(duì)于電池的充、放電進(jìn)行管理，當(dāng)電池即將欠壓時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示或者自動(dòng)關(guān)機(jī)。當(dāng)交流適配器給電池充電時(shí)，充滿(mǎn)8小時(shí)后自動(dòng)終止充電。

主機(jī)能對(duì)壓力模塊進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳送，信號(hào)的幅值為T(mén)TL電平，有較強(qiáng)的抗干擾性。主機(jī)中使用AT89C52微控制器，不僅要和壓力模塊進(jìn)行通訊，主機(jī)還要求和微機(jī)進(jìn)行通訊。微機(jī)、主機(jī)和壓力模塊三方通訊協(xié)調(diào)是要解決的主要問(wèn)題，主機(jī)將數(shù)據(jù)要分時(shí)發(fā)送給微機(jī)及壓力模塊。實(shí)際上，這種主從關(guān)系的多機(jī)通訊常常是主機(jī)先發(fā)送從機(jī)地址，然后發(fā)送數(shù)據(jù)信息，從機(jī)識(shí)別地址后，再接收數(shù)據(jù)。因此，需要主機(jī)、從機(jī)的軟件配合。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了某設(shè)備數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)，采用壓阻式壓力傳感器，總體上分為壓力模塊和主機(jī)部分的設(shè)計(jì)。前者具體說(shuō)包括壓力信號(hào)的采集、溫度補(bǔ)償?shù)奶幚?、電源管理、中央控制模塊幾部分的設(shè)計(jì)，后者中最重要的則是電源管理電路和與壓力模塊及微機(jī)間的數(shù)字通訊的設(shè)計(jì)。通過(guò)該設(shè)計(jì)，可提高某設(shè)備保障的精確性和保障效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王幸之，王雷，翟成，王閃.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]孫梓鋒，李軍，李稷芳.精密數(shù)字壓力表多機(jī)通信的實(shí)現(xiàn).工礦自動(dòng)化，2010.endprint