【正文】 ....17 傳感器供電電路 .........................................................................................17 信號(hào)處理供電電路 .....................................................................................20 信號(hào)處理電路 ....................................................................................................21 電路工作原理 .............................................................................................22 濾波電路設(shè)計(jì) .............................................................................................24 調(diào)零和調(diào)滿電路設(shè)計(jì) .................................................................................25 電壓電流轉(zhuǎn)換 ....................................................................................................26 兩線制輸出 ........................................................................................................27 整機(jī)測(cè)量與誤差分析 ......................................................................................275 MPU 最小系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................33 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ....................................................................................................33 系 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ....................................................................................................376 總 結(jié) ...........................................................................................39謝 辭 ...............................................................................................41參考文獻(xiàn) ...........................................................................................42附 錄 ...............................................................................................43摘 要本文介紹了智能化擴(kuò)散硅壓力傳感變送器的研制。1992年，美國(guó)HoneyWell公司又推出了 ST3000900系列智能壓力傳感器，它是在ST3000l00系列的基礎(chǔ)上增加了較完善的自診斷功能，雙向通訊功能。但是從總體來(lái)看，我國(guó)的傳感器技術(shù)的研究和生產(chǎn)還比較落后，與國(guó)外有較大差距；目前的傳感器，無(wú)論在數(shù)量、質(zhì)量和功能上，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會(huì)多方面發(fā)展的需要。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條,兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。這類傳感器隨著硅集成電路平面工藝的完善而得到高度的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用作高靈敏度，高精度的微型真空計(jì)，絕對(duì)壓力計(jì)，流速計(jì)，流量計(jì)，聲傳感器，氣動(dòng)過程控制器等。新型智能式傳感器的發(fā)展及應(yīng)用將導(dǎo)致面向過程檢測(cè)和控制技術(shù)產(chǎn)生新的突破。 在 波 音 客 機(jī) 的 大 氣 數(shù) 據(jù) 測(cè) 量 系 統(tǒng) 中 采 用 了 精 度 高達(dá) ％ 的 配 套 硅 壓 力 傳 感 器 。 隨 著 微 電 子 技 術(shù) 和 計(jì) 算 機(jī) 的 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 ， 壓 阻 式 傳 感 器 的應(yīng) 用 還 將 迅 速 發(fā) 展 。 頻響高 由于敏感膜片硅材料的本身固有頻率高，一般在 50KHZ。 擴(kuò)散硅壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1 小型化重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方，也便于微型儀器儀表的配套使用。 本課題所完成的任務(wù)對(duì)半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和遴選適用的壓力敏感元件。電阻條阻值改變量 與相應(yīng)膜片壓力成正比。這樣在膜片的兩邊加上的差壓產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，它使膜片的一部分壓縮，另一部分拉伸，兩個(gè)應(yīng)變電阻片位于壓縮區(qū)，另兩個(gè)應(yīng)變電阻片位于拉伸區(qū)?，F(xiàn)在大部分壓力傳感器用制造集成電路的方法，形成四個(gè)電阻值相等的電阻條，并將它們連接刻制成惠斯登電橋。由于工藝上的原因，難于使四個(gè)橋臂電阻溫度系數(shù)完全相同，因此，不可避免的要產(chǎn)生零位漂移。在生產(chǎn)應(yīng)用中，直接或間接用作計(jì)量器具的傳感器所面臨的問題是準(zhǔn)確度和可靠性問題。（3）零位溫度漂移：零位隨溫度的變化而變化。且隨著13240R??溫度的變化而變化。溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大，所以當(dāng)溫度升高時(shí)傳感器的靈敏度要降低，溫度降低時(shí)要升高，也就是說(shuō)傳感器的靈敏度溫度系數(shù)是負(fù)的。因?yàn)闃驂荷?，電橋的輸出電壓增大，若其增大的?shù)值與靈敏度下降而引起的輸出電壓減小的數(shù)值相等時(shí)，即達(dá)到了靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹＿@一變化可用零位溫度系數(shù) 反映出來(lái)。于是1? ()1210()()4inPOPOUUTRT?????將補(bǔ)償電阻接入適當(dāng)?shù)臉虮郏顾a(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓 去抵消 ，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)?POPOU?目的。而 的變化可采用零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谙鄳?yīng)的橋臂上串入一個(gè)金TZ POU屬膜電阻即可解決。VTR?當(dāng)壓力傳感器測(cè)量電路使用恒流源I供電時(shí),（2） ，其輸出信號(hào)為:恒流時(shí) 12U?? ()()TTIIRR????? （）2I?可以看出輸出電壓V與溫度無(wú)關(guān),這就消除了溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。?12SETBIASI??12RDV?? ()?由上式可得： （?），則 ，所以 。送往傳感器的電流只是當(dāng)負(fù)載在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)保持恒定，當(dāng)外部短路或開路時(shí)，電源模塊會(huì)自動(dòng)得到保護(hù)，而減小出現(xiàn)火花的可能性。）和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。運(yùn)放要能達(dá)到將幾十毫伏的微弱信號(hào)放大到有幾伏的輸出的能力,即要求放大器有幾百倍的放大能力。圖 放大電路在第一級(jí)電路中， 、 分別加到A1和A2的同相端， 和兩個(gè) 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，1U2 WR引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運(yùn)放AA2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有 12abU??（） 1212OabWWURR??（）故得 1212()WOUUR????（）根據(jù)式 2022()ORU??（）可得，第二級(jí)減法器放大電路 2211()WORUU???（）由此可見該電路對(duì)差模信號(hào)的增益為 ,對(duì)共模信號(hào)的增益為零，共模抑制WR?21比無(wú)窮大。將運(yùn)算放大器 A1 和 A2 的增益設(shè)置為 21021??WR倍，而 A3 的增益就應(yīng)當(dāng)是 50 倍了。RC 低通濾波電路的頻率響應(yīng)在放大電路的高頻區(qū),影響頻率響應(yīng)的主要因素是管子的極間電容和接線電容等,它們?cè)陔娐分信c其他支路是并聯(lián)的,因此這些電容對(duì)高頻響應(yīng)的影響可用圖 所示的 RC 低通電路來(lái)模擬。加上該濾波電路使得輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，把它改造成接近恒穩(wěn)的直流電。 19R20P （ ）KRU)1(2034??當(dāng) 調(diào)節(jié)到上端時(shí)， ，當(dāng)調(diào)節(jié)到下端時(shí)， 。21R 電壓電流轉(zhuǎn)換圖通過V／I轉(zhuǎn)換級(jí)，使輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20mA輸出。并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。圖 硬件電路供電電源2．MCU 系統(tǒng)及設(shè)定電路設(shè)計(jì)圖 STC12C2052AD 單片機(jī)電路 MCU 小系統(tǒng)由集成度較高的 STC12C2052AD 單片機(jī)及其復(fù)位電路和設(shè)定電路組成 ,單片機(jī)采用內(nèi)部晶振，簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了整機(jī)系統(tǒng)的功耗；STC12C2052AD是單時(shí)鐘／機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但采集速度快 8～12 倍，內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A／D 轉(zhuǎn)換。和 是獨(dú)石或高頻瓷片電容， 容量為 4700pF 到 ，用于 CH341 內(nèi)部電源3C4 3C節(jié)點(diǎn)退耦， 容量為 ，用于外部電源退耦。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。其容錯(cuò)和應(yīng)用層的協(xié)議，可以自己通過軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較靈活。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集與通訊。表 壓力變送器整機(jī)測(cè)量結(jié)果壓力值（kPa） 0 25 50 75 100輸出電流理論值（mA） 百分比% 上行程 下行程 回差 誤差 % % % % % 輸出電流實(shí)測(cè)值（mA） 最大誤差 %,壓力和輸出電流之間是非線性關(guān)系，它們之間存在一定的誤差。如果 ?1?? （ rad） ，則 的大小不2? 2?會(huì)超過 d???4105.。在對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通過親自動(dòng)手完成焊接以及調(diào)試等過程，我解決很多的實(shí)際問題，學(xué)習(xí)到了很多實(shí)踐方面的知識(shí)。5．信號(hào)處理電路采用 LM124 集成運(yùn)算放大器，它是高增益的，帶內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)?，輸入偏置電流是溫度補(bǔ)償?shù)那覇挝辉鲆鎺捠菧囟妊a(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器,它既可以單電源使用,也可以雙電源使用。7．對(duì)調(diào)零和調(diào)滿電路等其他的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的討論和可行性的論證。本課題中我完成的工作如下：1．首先了解了壓力傳感器的機(jī)械原理和工作原理。.SF SF./??3. 信號(hào)源信號(hào)幅值不穩(wěn)定產(chǎn)生的測(cè)量誤差 3?這是一項(xiàng)隨機(jī)誤差。具體分析如下：1. 溫度漂移產(chǎn)生的誤差 1?這是一項(xiàng)以復(fù)雜規(guī)律變化的變值系統(tǒng)誤差，由于其規(guī)律不易掌握，按照一般的經(jīng)驗(yàn)，通常把它視為隨機(jī)誤差來(lái)處理。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)STC12C2050AD的操作，每一次與STC12C2050AD的通訊都應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置控制寄存器、通訊寄存器等。TNOW 用于控制 RS485 總線半雙工收發(fā)器 U3 的收發(fā)狀態(tài)。圖 USB 轉(zhuǎn) RS485 總線接口電路RS485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了RS422A的性能，允許雙導(dǎo)線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備。1CY 的頻率是 12MHZ， 和 的容量為 15pF~30pF 的獨(dú)石或高頻瓷片電容。STC12C2052AD單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，單片機(jī)和PC之間進(jìn)行串行通訊時(shí)可通過MAX487與RS485 連接。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。21R??2501 兩線制輸出 兩線制是指現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號(hào)線。 圖 滿度調(diào)節(jié)電路圖 電壓電流轉(zhuǎn)換 兩線制V/I 變換器是一種可以用電壓信號(hào)控制輸出電流的電路。它由 、 、 、 組成，如圖 所示。可以畫出該 RC 低通電路的頻率響應(yīng)如圖 所示。??????,0,2,101RR在輸出的最后可以接一個(gè)由A4構(gòu)成的電壓跟隨器