陳龍彪 張加齊 張樂x

摘要：為通過應(yīng)變片設(shè)計一個可以自行調(diào)節(jié)量程并使用的壓力傳感器，使其達到能精確測量壓力，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，使其可直接在LCD屏上顯示輸出數(shù)值，本文設(shè)計了一個基于AT89C52的壓力測試系統(tǒng)。該壓力傳感器能夠?qū)π×砍谭秶鷥?nèi)的壓力進行準確測量，并可通過調(diào)節(jié)增益大小，來控制傳感器的量程。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;數(shù)模轉(zhuǎn)換;LCD屏

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0243-02

一般的壓力傳感器中都存在應(yīng)變片，而所謂的應(yīng)變片，指的是受到應(yīng)力作用時電阻會發(fā)生明顯變化的器件[1～3]。通過電學的方法可以測得電阻的變化值，進而可以測得壓力的大小。因此，如何精確高效地將壓力轉(zhuǎn)換為形變成為決定器件測量靈敏度的關(guān)鍵因素。而應(yīng)變片可簡單地分為金屬應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片，綜合考慮靈敏度、價格等多方面的優(yōu)勢，選擇采用半導體應(yīng)變片作為本系統(tǒng)傳感器的核心構(gòu)成部件。

1 傳感器分析

1.1 半導體靈敏度分析

在大多數(shù)情況下，應(yīng)變片的形變而產(chǎn)生的電阻值的變化可以用下式（1）所示：

其中，[R]為應(yīng)變片電阻值;[ΔR]為應(yīng)變所引起的電阻值的變化大小;[K]為應(yīng)變率，[λ]為應(yīng)變量;[μ]為泊松比，即應(yīng)變片因受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生的橫向尺寸的變化和縱向尺寸的變化之比;[δ]為應(yīng)變片的電阻率;[Δδ]為應(yīng)力引起的應(yīng)變片電阻率的變化。[（1+2μ）]部分由應(yīng)變片的尺寸大小決定，而[Δδδ]由應(yīng)變片電阻率的變化決定。

在金屬應(yīng)變片情況下，電阻只有尺寸發(fā)生改變，應(yīng)變率[K]不超過2.而在半導體應(yīng)變片的情況下，除電阻尺寸改變外，還會有由于壓阻效應(yīng)而產(chǎn)生的電阻率更大的變化，會使得應(yīng)變率[K]高達100以上。

1.2 壓力傳感器的構(gòu)建

將半導體應(yīng)變片制成膜片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會在受到應(yīng)力時發(fā)生形變，進而轉(zhuǎn)化為膜片的電阻值的改變[4]。通過構(gòu)建一個如圖1所示的惠斯通電橋，將應(yīng)變片放置在橋臂上，當應(yīng)變片受到壓力時，膜片上的壓力使得電橋不平衡，從而產(chǎn)生一個差動的輸出信號，再將該差動信號放大，就能測得壓力大小，系統(tǒng)采用恒電壓的工作模式。

1.3 恒電壓傳感器的基本電路

恒電壓工作模式下的傳感器基本電路圖如圖3所示。圖中使用的為測量絕對壓力的壓力傳感器KP100A，恒定電壓為7.5V，由運算放大器電源提供。

2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

將模擬信號為數(shù)字信號是模擬量的輸入通道的目的，而能夠達成這一目的的器件為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是AD公司生產(chǎn)的16位AD 7705，它的任務(wù)是將放大器的輸出模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行輸出。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。其與單片機的連接如圖4所示：

AD7705 使用SP I Q SP I兼容的三線串行接口，能夠方便地與各種微控制器以及DSP 連接， 相比于并行接口方式，能大大節(jié)省了CPU的 I O口。這種器件還具有分辨率高、動態(tài)范圍寬、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低功耗低電壓等諸多特點， 非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 顯示模塊設(shè)計

電路中采用AT89C52單片機[5]，是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，單片機內(nèi)含8kBISP的Flash只讀程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，1個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器;同時由于單片機本身所提供的PO、Pl、P2、和P3口不能夠滿足本單片機系統(tǒng)的需要，因此必須擴展I/O口，這里選用了基本的I/O口擴展芯片8155，擴展芯片直接與MCS.51系列單片機連接，無須增加硬件電路，將其與LGM12641BS1R進行連接，如圖5所示。

x顯示子程序是以字符形式顯示，開始調(diào)用提前編碼好的LCD顯示子程序。初始化命令，然后輸出顯示的命令。在顯示過程中務(wù)必記得調(diào)用延時子程序。當輸入通道中采集了一個新的過程參數(shù)，有壓力信號輸入，最后調(diào)用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示。

4 總結(jié)

通過設(shè)計一個基于AT89C52的壓力測試裝置，能夠簡單地進行一些壓力測量工作，并在LCD屏上進行顯示，使用方便，且該系統(tǒng)的高性能與低功耗進一步提高了它的可行性和應(yīng)用價值，具有較大的市場優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] 王維果，朱世國，饒大慶，鄒旭敏，胡再國.應(yīng)變式電阻壓力傳感元件靈敏度的測定[J].物理實驗，2018，38（11）：24-27.

[2]袁明.電阻應(yīng)變式傳感器誤差原因以及補償方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（09）：227.

[3]李焰，張敏，史國凱.應(yīng)變片粘貼因素對壓桿測壓的影響[J].中國測試，2018，44（10）：130-133+144.

[4]張玉葉.基于應(yīng)變?nèi)珮虻蔫F質(zhì)懸臂梁傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2018，26（14）：125-129.

[5]梅孝安，周旭陽，朱玉軍，楊中華，范春波，趙艷杰.基于AT89C52單片機的智能沖擊電流計的設(shè)計與開發(fā)[J].電子技術(shù)，2014，43（01）：52-54.

【通聯(lián)編輯：梁書】