【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0～ 200MPa，數(shù)顯，分辨率 。 10 路壓力設(shè)定輸出， 7 路上限輸出， 3 路上限輸出，設(shè)定范圍 0～ 200MPa。 補(bǔ) 壓設(shè)定 功能。 繼電器輸出，驅(qū)動(dòng)能力 5A/220V。 （三）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱資料選定傳感器。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬訂控制方案，確定元器件型號(hào)、參數(shù)。 原理圖及 PCB 設(shè)計(jì)，單片機(jī)軟件、硬件調(diào)試。 根據(jù)提供安裝窗口的大小及輸出接口的規(guī)定，進(jìn)行機(jī)箱及操作面板、輸出面板設(shè)計(jì)（出圖）。 編寫該電路板工藝文件。 完成二萬(wàn)字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）中必須包括詳細(xì)的 300～ 500 個(gè)單詞的英文摘要； 完成與課題相關(guān)，不少于四萬(wàn)字符的指定 英文資料翻譯（附英文原文）； 完成畢業(yè)論文的撰寫。 導(dǎo)師所指定的其它工作。 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求，可以將此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單理解為，應(yīng)用純硬件電路通過(guò)當(dāng)前壓力值和設(shè)定值來(lái)自動(dòng)控制輸出。這個(gè)方案是一種純硬件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)再于速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，但控制精度低，靈活性小，線路復(fù)雜，調(diào)試安裝不方便，擴(kuò)展等功能困難。 具體電路部分如下： 當(dāng)前壓力值的采集。由于采集的是液體壓力，我們可以選擇液體壓力傳感器采 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 44 頁(yè) 集當(dāng)前壓力值。 輸出控制的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楦髀份敵鍪巧舷藁蛳孪掭敵觯虼宋?們可以采用設(shè)定極限值與當(dāng)前值比較的方法控制各路的輸出。 由于要求多路輸出，需設(shè)計(jì)多路設(shè)定比較值，因此需要通道選擇。 人機(jī)通訊部分，需顯示出當(dāng)前壓力值和各通道設(shè)定值。 電源部分。 主要電路設(shè)計(jì)原理與計(jì)算 、傳感器的選擇 、傳感器的正確選用原則 由于傳感器技術(shù)的研制和發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)選用傳感器帶來(lái)了很大的靈活性。根據(jù)前面各章內(nèi)容可知，對(duì)于同種被測(cè)物理量，可以用各種不同的傳感器測(cè)量，為了選擇適合于測(cè)定目的的傳感器，有必要討論傳感器的正確選擇，并定出幾條選用 傳感器的原則。雖然，傳感器選擇時(shí)應(yīng)考慮的事項(xiàng)很多，但不必都要一一加以考慮，根據(jù)傳感器實(shí)際使用的目的、指標(biāo)、環(huán)境和成本等限制條件，從不同的側(cè)重點(diǎn)，優(yōu)先考慮幾個(gè)重要的條件就可以了。例如，測(cè)量某一對(duì)象的溫度適應(yīng)性，要求適應(yīng) 0～ 150 ℃溫度范圍，測(cè)量精度為士 1 ℃，且要多點(diǎn) (128 點(diǎn) )測(cè)量，那么選用何種溫度傳感器呢 ?能勝任這一要求的溫度傳感器有 :各種熱電偶、熱敏電阻、半導(dǎo)體 PN 結(jié)溫度傳感器、 IC 溫度傳感器器等，它們都能滿足測(cè)量范圍、精度等條件。在這種情況下，我們側(cè)重考慮成本低，測(cè)量電路、相配設(shè)備是否簡(jiǎn)單等因素進(jìn)行 取舍。相比之下選用半導(dǎo)體結(jié) (PN)溫度傳感器最為恰當(dāng)。倘若上述測(cè)量范圍為 0～ 400176。 C，其他條件不變，此時(shí)只能選用熱電偶中的鎳鉻一考銅或鐵一康銅等熱電偶。又如，需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用傳感器時(shí)，就必須重點(diǎn)考慮那些經(jīng)得起時(shí)間變化等方面長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的傳感器 。而對(duì)化學(xué)分析等時(shí)間比較短的測(cè)量過(guò)程，則需要考慮靈敏度和動(dòng)態(tài)特性均好的傳感器。總之，選擇使用傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)幾項(xiàng)基本標(biāo)準(zhǔn)，具體情況具體分析，選擇性能價(jià)格比高的傳感器。 (1)選擇傳感器時(shí)應(yīng)從如下幾方面的條件考慮 : 一、與測(cè)量條件有關(guān)的因素 (1)測(cè)量的目的 。 (2)被測(cè)試量的選擇 。 (3)測(cè)量范圍 。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 44 頁(yè) (4)輸人信號(hào)的幅值、頻帶寬度 。 (5)精度要求 。 (6)測(cè)量所需要的時(shí)間。 二、與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(biāo) (1)精度 。 (2)穩(wěn)定度 。 (3)響應(yīng)特性 。 (4)模擬量與數(shù)字量 。 (5)輸出幅值 。 (6)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng) 。 (7)校正周期 。 (8)超標(biāo)準(zhǔn)過(guò)大的輸人信號(hào)保護(hù)。 三、與使用環(huán)境條件有關(guān)的因素 (1)安裝現(xiàn)場(chǎng)條件及情況 。 (2)環(huán)境條件 (濕度、溫度、振動(dòng)等 )。 (3)信號(hào)傳輸距離 。 (4)所需現(xiàn)場(chǎng)提供的功率容量。 四、與購(gòu)買和維修有關(guān)的因素 (1)價(jià)格 。 (2)零配件的儲(chǔ)備 。 (3)服務(wù)與維修制度、保修時(shí)間 。 (4)交貨日期。 以上是有關(guān)選擇傳感器時(shí)主要考慮的因素。為了提高測(cè)量精度，應(yīng)注意平常使用時(shí)的顯示值應(yīng)在滿量程的 50%左右來(lái)選擇測(cè)量范圍或刻度范圍。選擇傳感器的響應(yīng)速度，目的是適應(yīng)輸人信號(hào)的頻帶寬度，從而得到高信噪比。精度很高的傳感器一定要精心使用。此外，還要合理選擇使用現(xiàn)場(chǎng)條件，注意安裝方法，了解傳感器的安裝尺寸和重量等，并且注意從傳感器的工作原理出發(fā)，聯(lián)系被測(cè)對(duì)象中可能會(huì)產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)問(wèn)題，從而選擇最合適的傳感器。 由以上原則，在此我選用電阻式液體壓 力傳感器。電阻式傳感器是將非電量 (如力、位移、形變、速度和加速度等 )的變化量，變換成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化，通過(guò)對(duì)電阻值的測(cè)量達(dá)到對(duì)上述非電量測(cè)量的目的。電阻式傳感器主要分為兩大類 :電位計(jì)(器 )式電阻傳感器以及應(yīng)變式電阻傳感器。應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。它具有悠久的歷史，但新型應(yīng)變片仍在不斷出現(xiàn)，它是利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小變化量 (機(jī)械 )的理想傳感器。所以此設(shè)計(jì)選擇應(yīng)變式電阻傳感器。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 44 頁(yè) 查資料得， CFBP 型壓力傳感器符合要求。 該壓力傳感器是 壓阻敏感 器 件，它非常堅(jiān)固具有抗腐蝕，抗磨損，抗沖擊和振動(dòng)性能，該傳感器由廠采用了最新技術(shù)和材料，可在 － 40～ 125℃ ，的工作范圍實(shí)現(xiàn)高精度及高穩(wěn)定性 ， 幾平任何流體都可被直接地測(cè)量。 量程可在 1～ 300MPa 之間任意選擇。 結(jié)構(gòu)尺寸與參數(shù)如下表： 主要技術(shù)指標(biāo) 單位 技術(shù)指標(biāo) 靈敏度 Mv/v 177。 非線性 % 177。 滯后 重復(fù)性 % 177。 蠕變 %177。 零點(diǎn)輸入 % 177。 2 零點(diǎn)溫度系數(shù) %℃ 177。 額定輸出溫 度系數(shù) %℃ 輸入電阻 Ω 385177。 10 輸出電阻 Ω 350177。 3 絕緣電阻 MΩ ≥ 5000 拱橋電壓 V 10(DC/AC)MAX:15(DC/AC) 溫度補(bǔ)償范圍 ℃ － 10～ ＋ 50 允許溫度范圍 ℃ － 20～ ＋ 60 允許過(guò)負(fù)荷 % 120 (2)正確使用傳感器的技術(shù) 傳感器的匹配技術(shù) XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 44 頁(yè) 傳感器種類繁多，其輸出阻值也就不相同。有的傳感器的輸出阻抗特別大，例如，壓電陶瓷傳感器，其輸出阻值高達(dá) 100MΩ；有的傳感器的阻抗較小，如電位器式傳感器，總電阻為 。有的傳 感器更小，其輸出阻抗只有幾歐。對(duì)于高阻抗的傳感器，通常采用場(chǎng)效應(yīng)管或運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配。對(duì)阻抗特別低的傳感器 ,在交變信號(hào)輸入時(shí)，往往采用變壓器匹配。 變壓器匹配 使用變壓器與傳感器低阻抗輸出的交變信號(hào)匹配是十分方便和有效的。這種匹配方法在一定的帶寬范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)畸變地輸出電信號(hào)。具體電路應(yīng)該根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的情況而定。 傳感器非線性處理方法 無(wú)論設(shè)計(jì)、制造或使用儀表時(shí)，都希望輸出量和輸人量之間具有線性關(guān)系，但是對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，其輸出量與被測(cè)量之間的關(guān)系大多數(shù)是非線性的。因此，需要對(duì)傳感器的非線性特性進(jìn) 行線性化處理。在實(shí)際使用中，傳感器的輸出、輸人特性曲線是多種多樣的，對(duì)其線性處理的方法很多，歸納起來(lái)不外乎兩大類 :硬件法和軟件法。 抗干擾的處理方法 傳感器使用場(chǎng)合是多種多樣的。有些是在研究室中使用，相對(duì)而言，使用環(huán)境比較優(yōu)越，往往不需作嚴(yán)格的抗干擾處理，但是，如果要使傳感器作精密的測(cè)量，還是要作一些處理的。有不少傳感器使用的環(huán)境十分惡劣，例如在強(qiáng)輻射、強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境中使用，在設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)時(shí)，若不精心進(jìn)行抗干擾處理，傳感器準(zhǔn)確測(cè)量是無(wú)法保證的。歸納起來(lái)，干擾可能來(lái)自外部的電磁干擾，可能來(lái)自供電電路， 也可能是器件自身的性能引起的。因此，在傳感器電路設(shè)計(jì)中，往往從如下幾個(gè)方面采用抗干擾措施。 從元器件方面來(lái)采取措施 由元器件引起的干擾通常是由制造元器件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝和自熱程度決定的。 電阻的干擾來(lái)自于電阻的電感、電容效應(yīng)以及電阻本身的熱噪聲。而且不同的電阻的效果也不相同。所以，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體要求選擇合適的電阻和電容器。 電感器常用于高頻振蕩、濾波、延時(shí)功能中。電感器既是一個(gè)干擾源，同時(shí)也是抑制干擾的重要元件。 電感器工作時(shí)，它發(fā)出的磁力線會(huì)影響周邊電路 。同時(shí)電感 器也容易接收外來(lái)電磁干擾。因此，應(yīng)該盡量采用閉環(huán)型的電感器。 電源的去 耦 處理 電源是所有所使用電路的能源。如果電源有干擾存在，其干擾電壓必然施加在所有電路上，因此，供電電源與使用電路間必須采用去 耦 電路，使干擾電壓信號(hào)消除或減弱。 RC 去耦 電路是一種簡(jiǎn)單易行的方法。該 RC 去 耦 電路既能對(duì)電源干擾電壓 US進(jìn)行有效抑制，又能消除各電路間的 耦 合。當(dāng)然去 耦 電路中也可用電感 L 代替電阻 R，然而它 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 44 頁(yè) 們各有優(yōu)缺點(diǎn)，電阻會(huì)消耗能量，降低供電電壓 。電感雖然不會(huì)明顯降低電壓，但它兩端有輻射噪聲，也會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生干擾。因此，應(yīng)根 據(jù)具體情況進(jìn)行選擇使用。 印刷電路板的正確布局是去干擾的一種有效方法 在正確選擇了元器件，采用了抗干擾若干措施之后，在制作印刷電路板時(shí)，確當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)線路板也很重要。通常在線路板布局設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮如下幾個(gè)措施 : (1)布線時(shí)，干擾源與易受干擾的元件要盡可能遠(yuǎn)離。 (2)模擬電路與數(shù)字邏輯電路應(yīng)盡可能分開(kāi)，且兩者不共地線。 (3)非輻射元件或單級(jí)元件應(yīng)盡可能靠近，以減少公共地阻抗。 (4)高速元器件應(yīng)盡可能縮小所占布線面積，且采用最短的布線。 (5)應(yīng)盡可能避免窄長(zhǎng)的平行線，當(dāng)不得不采用平行線時(shí)，可用地線隔開(kāi)。 (6)電源線和地線線徑不得小于 1 mm，地線可適當(dāng)加粗。 (7)當(dāng)頻率小于 1 MHz 時(shí)，可采用單點(diǎn)接地 。當(dāng)頻率在 1～ 10 MHz 時(shí)，如果地線長(zhǎng)度小于λ / 20，則可采用單點(diǎn)接地，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地 。當(dāng)頻率高于 10MHz 時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。 (8)當(dāng)線條需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，或用圓弧連接，或向兩個(gè)方向各轉(zhuǎn) 45176。 (9)如果采用多層板時(shí)，所有元件和連接器都應(yīng)安裝在接地平面內(nèi)。 (10)電源和地的布局，應(yīng)減小藕合回路和電源與地間的分布阻抗。在電源進(jìn)線處應(yīng)布有濾波網(wǎng)絡(luò)。 、傳感器信號(hào)處理及放大電路 一般情況下壓 力傳感器檢測(cè)的壓力轉(zhuǎn)為電壓的參數(shù)為毫伏級(jí)，必須要放大電壓參數(shù)相應(yīng)的電路工作，所以必須要有一個(gè)放大電路（必要時(shí)還要有一定的整形電路）。以下是放大電路： 該電路的放大倍數(shù)就是 R107+W102 與 R104(R105)的比值，調(diào)節(jié) W102 可以調(diào)節(jié)該電 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) 共 44 頁(yè) 路的放大倍數(shù)。該電路相對(duì)簡(jiǎn)單，放大倍數(shù)好。由于傳感器受環(huán)境溫度等其它因素的影響存在零點(diǎn)漂移，因此在電路中我們通過(guò) W101 和 R10 R103 對(duì)傳感器輸出調(diào)零。放大電路我們應(yīng)用經(jīng)典傳感器放大電路。 ICL7650 是利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和 CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn) 放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。所以常常被用在熱電偶、電阻應(yīng)變電橋、電荷傳感器等測(cè)量微弱信號(hào)的前置放大器中。傳感器的兩個(gè)輸出端分別接到 7650 的兩個(gè)輸入端，微弱信號(hào)經(jīng)放大后從第 10 腳輸出，放大信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的處理后送入顯示器進(jìn)行顯示。 D D2 是保護(hù)二極管，通常采用硅二極管，當(dāng)同相與反相輸入端之間的電壓高于 時(shí)， D D2 分別導(dǎo)通，從而使運(yùn)放兩端間電壓被鉗制在 177。 ，起到保護(hù)作用。 R10 R105 為限流電阻，起限流作用。 ICL7650 結(jié)構(gòu)和參數(shù) ICL7650采用 14腳雙列直插式和 8腳金屬殼兩種封裝形式。圖示是最常用的 14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。各引腳的功能說(shuō)明如下： CEXTB：外接電容 CEXTB； CEXTA：外接電容 CEXTA； IN：反相輸入端； +IN：同相輸入端； V：負(fù)電源端 ,+5V、 5V供電； CRETN： CEXTB和 CEXTA的公共端； OUT CLAMP：箝位端； 、輸出控制 因?yàn)楦髀份敵鍪巧舷藁蛳孪掭敵觯虼宋覀兛梢圆捎迷O(shè)定極限值與當(dāng)前值比較的方法控制各路的輸出。電路圖如下： XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁(yè) 共 44 頁(yè) 在此 我采用 四電壓比較器 LM339， LM 339 是比較器集成電路。比較器是一種運(yùn)算放大器，有一個(gè)同相輸入端“ +”、一個(gè)反相輸入端“ ”和一個(gè)輸出端。同相端電平若高于反相端電平，比較器輸出高電平；反之若反相端電平高于同相端電平，比較器輸出低電平。由于設(shè)計(jì)要求極限輸出，在此，我用電位器來(lái)設(shè)定參數(shù)并輸入到 LM339 的“－”輸入端，以傳感器的檢測(cè)值輸入到 LM339 的“＋”輸入端，當(dāng)傳感器檢測(cè)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)輸出，后電路工作。以此起到自動(dòng)控制。 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： 1）失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； 2）電源電壓范圍寬，單電源為 2～ 36V，雙電源電壓為 177。1V～177。18V； 3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； 4）共模范圍很大，為 0～ （ ） Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； 6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339 結(jié)構(gòu)如圖所示： 考慮到電路前后的壓差和工廠環(huán)境的復(fù)雜性，為避免引 起干擾，在此我借鑒其他資料加了 光電耦合器 4N33。 光電耦合器，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種半導(dǎo)體光電器件，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度寬及無(wú)觸點(diǎn)輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中 。 4N33 由兩部分組成的 ， 其中， 2 端為輸入端，通常由發(fā)光器件構(gòu)成； 6 端接一只光敏三極管構(gòu)成輸出端，當(dāng)接收到發(fā)射端發(fā)出的紅外光后，在三極管集電極中便有電流輸出。 三極管輸出型光電耦合器的特點(diǎn)，是具有很高的輸入輸出絕緣性能，頻率響應(yīng)可達(dá) 300kHz，開(kāi)關(guān)時(shí)間數(shù)微秒。 4N33 結(jié)構(gòu)如圖所示： XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁(yè) 共 44 頁(yè)