【文章內(nèi)容簡介】 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 壓設(shè)定 功能。 繼電器輸出，驅(qū)動能力 5A/220V。 （三）畢業(yè)設(shè)計（論文）應(yīng)完成的工作 根據(jù)設(shè)計要求，查閱資料選定傳感器。 根據(jù)設(shè)計要求，擬訂控制方案，確定元器件型號、參數(shù)。 原理圖及 PCB 設(shè)計，單片機軟件、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，進行機箱及操作面板、輸出面板設(shè)計（出圖）。 編寫該電路板工藝文件。 完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）；在畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中必須包括詳細的 300～ 500 個單詞的英文摘要； 完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定 英文資料翻譯（附英文原文）； 完成畢業(yè)論文的撰寫。 導師所指定的其它工作。 設(shè)計思路 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書的設(shè)計要求，可以將此設(shè)計簡單理解為，應(yīng)用純硬件電路通過當前壓力值和設(shè)定值來自動控制輸出。這個方案是一種純硬件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)點再于速度快，抗干擾能力強，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，擴展等功能困難。 具體電路部分如下： 當前壓力值的采集。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 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 44 頁 集當前壓力值。 輸出控制的實現(xiàn)。因為各路輸出是上限或下限輸出，因此我 們可以采用設(shè)定極限值與當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)計多路設(shè)定比較值，因此需要通道選擇。 人機通訊部分，需顯示出當前壓力值和各通道設(shè)定值。 電源部分。 主要電路設(shè)計原理與計算 、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)運而生，對選用傳感器帶來了很大的靈活性。根據(jù)前面各章內(nèi)容可知，對于同種被測物理量，可以用各種不同的傳感器測量，為了選擇適合于測定目的的傳感器，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，傳感器選擇時應(yīng)考慮的事項很多，但不必都要一一加以考慮，根據(jù)傳感器實際使用的目的、指標、環(huán)境和成本等限制條件，從不同的側(cè)重點，優(yōu)先考慮幾個重要的條件就可以了。例如，測量某一對象的溫度適應(yīng)性，要求適應(yīng) 0～ 150 ℃溫度范圍，測量精度為士 1 ℃，且要多點 (128 點 )測量，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、半導體 PN 結(jié)溫度傳感器、 IC 溫度傳感器器等，它們都能滿足測量范圍、精度等條件。在這種情況下，我們側(cè)重考慮成本低，測量電路、相配設(shè)備是否簡單等因素進行 取舍。相比之下選用半導體結(jié) (PN)溫度傳感器最為恰當。倘若上述測量范圍為 0～ 400176。 C，其他條件不變，此時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，需要長時間連續(xù)使用傳感器時，就必須重點考慮那些經(jīng)得起時間變化等方面長期穩(wěn)定性好的傳感器 。而對化學分析等時間比較短的測量過程，則需要考慮靈敏度和動態(tài)特性均好的傳感器?？傊?，選擇使用傳感器時，應(yīng)根據(jù)幾項基本標準，具體情況具體分析，選擇性能價格比高的傳感器。 (1)選擇傳感器時應(yīng)從如下幾方面的條件考慮 : 一、與測量條件有關(guān)的因素 (1)測量的目的 。 (2)被測試量的選擇 。 (3)測量范圍 。 XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 44 頁 (4)輸人信號的幅值、頻帶寬度 。 (5)精度要求 。 (6)測量所需要的時間。 二、與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標 (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)對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng) 。 (7)校正周期 。 (8)超標準過大的輸人信號保護。 三、與使用環(huán)境條件有關(guān)的因素 (1)安裝現(xiàn)場條件及情況 。 (2)環(huán)境條件 (濕度、溫度、振動等 )。 (3)信號傳輸距離 。 (4)所需現(xiàn)場提供的功率容量。 四、與購買和維修有關(guān)的因素 (1)價格 。 (2)零配件的儲備 。 (3)服務(wù)與維修制度、保修時間 。 (4)交貨日期。 以上是有關(guān)選擇傳感器時主要考慮的因素。為了提高測量精度，應(yīng)注意平常使用時的顯示值應(yīng)在滿量程的 50%左右來選擇測量范圍或刻度范圍。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)系被測對象中可能會產(chǎn)生的負載效應(yīng)問題，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，通過對電阻值的測量達到對上述非電量測量的目的。電阻式傳感器主要分為兩大類 :電位計(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)制造的一種測量微小變化量 (機械 )的理想傳感器。所以此設(shè)計選擇應(yīng)變式電阻傳感器。 XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 44 頁 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，它非常堅固具有抗腐蝕，抗磨損，抗沖擊和振動性能，該傳感器由廠采用了最新技術(shù)和材料，可在 － 40～ 125℃ ，的工作范圍實現(xiàn)高精度及高穩(wěn)定性 ， 幾平任何流體都可被直接地測量。 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 單位 技術(shù)指標 靈敏度 Mv/v 177。 非線性 % 177。 滯后 重復(fù)性 % 177。 蠕變 %177。 零點輸入 % 177。 2 零點溫度系數(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) 溫度補償范圍 ℃ － 10～ ＋ 50 允許溫度范圍 ℃ － 20～ ＋ 60 允許過負荷 % 120 (2)正確使用傳感器的技術(shù) 傳感器的匹配技術(shù) XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 44 頁 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 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。對于高阻抗的傳感器，通常采用場效應(yīng)管或運算放大器來實現(xiàn)匹配。對阻抗特別低的傳感器 ,在交變信號輸入時，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)，能實現(xiàn)無畸變地輸出電信號。具體電路應(yīng)該根據(jù)傳感器輸出信號的情況而定。 傳感器非線性處理方法 無論設(shè)計、制造或使用儀表時，都希望輸出量和輸人量之間具有線性關(guān)系，但是對于傳感器來說，其輸出量與被測量之間的關(guān)系大多數(shù)是非線性的。因此，需要對傳感器的非線性特性進 行線性化處理。在實際使用中，傳感器的輸出、輸人特性曲線是多種多樣的，對其線性處理的方法很多，歸納起來不外乎兩大類 :硬件法和軟件法。 抗干擾的處理方法 傳感器使用場合是多種多樣的。有些是在研究室中使用，相對而言，使用環(huán)境比較優(yōu)越，往往不需作嚴格的抗干擾處理，但是，如果要使傳感器作精密的測量，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，例如在強輻射、強電場和強磁場等環(huán)境中使用，在設(shè)計傳感器系統(tǒng)時，若不精心進行抗干擾處理，傳感器準確測量是無法保證的。歸納起來，干擾可能來自外部的電磁干擾，可能來自供電電路， 也可能是器件自身的性能引起的。因此，在傳感器電路設(shè)計中，往往從如下幾個方面采用抗干擾措施。 從元器件方面來采取措施 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，在實際電路設(shè)計時，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、延時功能中。電感器既是一個干擾源，同時也是抑制干擾的重要元件。 電感器工作時，它發(fā)出的磁力線會影響周邊電路 。同時電感 器也容易接收外來電磁干擾。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，使干擾電壓信號消除或減弱。 RC 去耦 電路是一種簡單易行的方法。該 RC 去 耦 電路既能對電源干擾電壓 US進行有效抑制，又能消除各電路間的 耦 合。當然去 耦 電路中也可用電感 L 代替電阻 R，然而它 XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 44 頁 們各有優(yōu)缺點，電阻會消耗能量，降低供電電壓 。電感雖然不會明顯降低電壓，但它兩端有輻射噪聲，也會對其他電路產(chǎn)生干擾。因此，應(yīng)根 據(jù)具體情況進行選擇使用。 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，確當?shù)卦O(shè)計線路板也很重要。通常在線路板布局設(shè)計時，要考慮如下幾個措施 : (1)布線時，干擾源與易受干擾的元件要盡可能遠離。 (2)模擬電路與數(shù)字邏輯電路應(yīng)盡可能分開，且兩者不共地線。 (3)非輻射元件或單級元件應(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)盡可能避免窄長的平行線，當不得不采用平行線時，可用地線隔開。 (6)電源線和地線線徑不得小于 1 mm，地線可適當加粗。 (7)當頻率小于 1 MHz 時，可采用單點接地 。當頻率在 1～ 10 MHz 時，如果地線長度小于λ / 20，則可采用單點接地，否則應(yīng)采用多點接地 。當頻率高于 10MHz 時，應(yīng)采用多點接地。 (8)當線條需要轉(zhuǎn)彎時，或用圓弧連接，或向兩個方向各轉(zhuǎn) 45176。 (9)如果采用多層板時，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。在電源進線處應(yīng)布有濾波網(wǎng)絡(luò)。 、傳感器信號處理及放大電路 一般情況下壓 力傳感器檢測的壓力轉(zhuǎn)為電壓的參數(shù)為毫伏級，必須要放大電壓參數(shù)相應(yīng)的電路工作，所以必須要有一個放大電路（必要時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 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 44 頁 路的放大倍數(shù)。該電路相對簡單，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漂移，因此在電路中我們通過 W101 和 R10 R103 對傳感器輸出調(diào)零。放大電路我們應(yīng)用經(jīng)典傳感器放大電路。 ICL7650 是利用動態(tài)校零技術(shù)和 CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運 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、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。所以常常被用在熱電偶、電阻應(yīng)變電橋、電荷傳感器等測量微弱信號的前置放大器中。傳感器的兩個輸出端分別接到 7650 的兩個輸入端，微弱信號經(jīng)放大后從第 10 腳輸出，放大信號經(jīng)過一系列的處理后送入顯示器進行顯示。 D D2 是保護二極管，通常采用硅二極管，當同相與反相輸入端之間的電壓高于 時， D D2 分別導通，從而使運放兩端間電壓被鉗制在 177。 ，起到保護作用。 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 因為各路輸出是上限或下限輸出，因此我們可以采用設(shè)定極限值與當前值比較的方法控制各路的輸出。電路圖如下： XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 44 頁 在此 我采用 四電壓比較器 LM339， LM 339 是比較器集成電路。比較器是一種運算放大器，有一個同相輸入端“ +”、一個反相輸入端“ ”和一個輸出端。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)計要求極限輸出，在此，我用電位器來設(shè)定參數(shù)并輸入到 LM339 的“－”輸入端，以傳感器的檢測值輸入到 LM339 的“＋”輸入端，當傳感器檢測數(shù)值大于設(shè)定值時，系統(tǒng)輸出，后電路工作。以此起到自動控制。 LM339 集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是： 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）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； 4）共模范圍很大，為 0～ （ ） Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，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)展起來的一種半導體光電器件，由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，被廣泛地應(yīng)用在電子技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)自動控制領(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，是具有很高的輸入輸出絕緣性能，頻率響應(yīng)可達 300kHz，開關(guān)時間數(shù)微秒。 4N33 結(jié)構(gòu)如圖所示： XXX 大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 14 頁 共 44 頁