一种压力数据采集的设计和实现

 

　　1 引言

　　在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测与分析。压力传感器测量误差大小直接影响到测控系统的性能。扩散硅压阻式压力传感器是应用广泛的压力传感器之一，它相当于一个有四只电阻的桥路。半导体电阻有温度系数，会产生温度误差；传感器的压敏特性又有非线性误差。因此，压力传感器在实际应用中会有温度和压力误差存在。利用压力传感器进行高测量时，就要对压力传感器的误差进行补偿。按照实现的条件可以将误差的补偿方法分为用硬件电路补偿和在智能芯片或微机中以软件方法实现补偿。

　　2 系统基本原理结构

　　压力传感器将被测压力转换为电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时/计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算压力值。图1为系统结构图。

 

 

　　3 系统硬件设计

　　3.1 压力传感器MPXV50014G模块

　　压力传感器是工业实践中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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。

　　集成硅压力传感器MPXV5004G内部除传感单元外，还包含信号调理器、温度补偿器和压力修正电路，特别适用于由单片机构成的检测系统。MPXV5004G压力传感器采用额定5 V供电电压，测量压差为3.92 kPa,耐受压力为16 kPa,温度补偿范围为一30℃~100℃。在工作温度为10℃~60℃，压力范围为0~4 kPa时，该压力传感器具有良好的线性，输出关系：

   
　　式中：VOUT是输出电压，VS是工作电压，P是压力值，误差为0.045 V.

　　使用该传感器时，要在供电与地之间加去耦电容，滤除器件本身产生和电源所含的高频信号干扰；在信号输出与地之间加去耦电容，滤除输出信号的噪声成分。图2为去耦电容配置。 

　　应用中，考虑到压力传感器因温度变化或器件老化等导致的零点漂移，必须通过校正零点，修正输出值，以使其输出值在较长工作时间内都能保持足够的正确性和度。

　　3.2 V/F转换器LM331模块

　　LM331是通用型V/F转换器，频率范围为1~100 kHz,非线性误差为0.01%,温漂为50 ppm/℃，电源范围为4~40 V,输入电压范围为一2.O V~VS.当4.5 V≤VS≤10 V时。电源电压对增益的影响为0.1%V;当10 V≤VS≤40 V时，电源电压对增益的影响为0.06%V.LM331的V/F转换外部电路，如图3所示。 

　　图3中，输出频率fout=KVIN,其中K=Rs/（2.09RtCtRL）。选用典型值Rt=6.8 kΩ，RL=100 kΩ，Ct=0.0lμF.系统中，取K=1000,故Rs=14.212 kΩ。电路中Rs用一只12 kΩ的固定电阻和一只5 kΩ的可调电阻串联组成，用于调整LM33l的增益偏差和RL,Rt,Ct所引起的偏差。CIN为滤波电容，一般取在0.01~0.1μF,在滤波效果较好的情况下，CIN采用lμF的电容。为了提高及稳定性，以上阻容元件选用低温度系数的器件，是金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。

　　3.3  V/F转换器和单片机的接口（光电耦合器6N137）

　　在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上，隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路问加入一个光电耦合器，光电耦合器的线性范围有限，用于数字信号传输。同时，光电耦合器的体积小，转换速度快，因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V/F转换器与单片机，增强系统的抗于扰能力，防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞，同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图4为6N137的典型应用电路。 

　　6N137的引脚2为信号输入端，当输入信号为高电平时，发光二极管发光，反向偏置的光敏管光照后被导通，经电流一电压转换送到与门，与门的另一输入端（引脚7）为使能端，当使能端为高电平时，信号输出端（引脚6）输出低电平。当输入信号为低电平时，输出为高电平。Vcc（引脚8）和地（引脚5）之间必须接一只O.1μF高频特性良好的电容，且应尽量靠近引脚8和引脚5放置。发光二极管正向压降1.2~1.7 V,正向电流6.5~15 mA,所以在引脚3和地之间必须加470Ω限流电阻。

　　3.4 单片机AT89C51模块

　　该系统设计需用单片机的一个中断。一个定时器。一个计数器。这里选用AT89C51,其包含2个16位定时/计数器和5个中断。当MCS-51内部的定时/计数器选定为定时模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器加l;一个机器周期为外部时钟振荡频率的1/12,采用12 MHz的晶体振荡器，机器周期为1μs.当内部定时/计数器被选定为计数模式时计数脉冲来自外部输入引脚P3.4（T0）或P3.5（T1）。输入信号产生由1到O的负跳变时，计数器加1.由于负跳变要用两个机器周期，所以选用12MHz晶体振荡器时，为确保电平在变化之前被采样，外部计数输入信号不能超过500 kHz.16位定时/计数器的计数值为65 535,在这里已满足设计需要。系统设置AT89C51的T0为定时器，T1为计数器，当单片机接收到中断信号时，定时、计数同时开始，定时结束，计数也随之结束。再利用单片机的运算功能将计数值除以定时值，就能得到所测信号的频率。通过频率与电压，电压与所测压力的线性关系，即可得到相应的压力值。

　　4 系统软件设计

　　系统软件设计采用Keil C51语言编写，应用模块化设计，主要包括测量函数，中断子程序，控制函数。主程序流程图如图5所示。

　　设定TO为定时器，基本定时时间为50 ms,Tl为计数器。IE=Ox8a,TMOD=Ox51.当P3.2口为低电平时，状态标志位flag变为O,开始测量，利用中断，每当定时满500 ms时，计数器停止计数，完成测量，状态标志位flag变为1,读取计数值，以计算频率，并通过频率求得压力。当P3.2口为高电平时，进入依据测量所得压力值而进行的对传感器监测对象的控制阶段。以下给出测量函数的程序代码和T0中断子程序： 

 

　　5 结语

　　该测量系统设计应用广泛，如汽车电子控制、工业生产监控、安全防护以及家用电器等；结构简单，度高，性能稳定，适合那些对测量要求准确，并有一定抗干扰能力的场合。