【正文】 為 。由此式可以看出,負(fù)載電流的大小與負(fù)載本身的大小無關(guān),而是與21UIiL?電阻 的大小有關(guān)。21R 電壓電流轉(zhuǎn)換圖通過V／I轉(zhuǎn)換級，使輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號4～20mA輸出。由于電壓信號是1～5V變化，所以求得電阻 的值為 。21R??2501 兩線制輸出 兩線制是指現(xiàn)場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，又是信號線。兩線制變送器的原理是利用了 4～20mA 信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于 4mA，那么將不可能輸出下限 4mA 值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于 。這是兩線制變送器的設(shè)計根本原則之一。采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，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。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。變送器在電路中相當(dāng)于一個特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4～20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接兩根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此，只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計成為可能。在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去兩根導(dǎo)線意味著成本降低近百元。因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。圖 壓 力 變 送 器 接 線 圖5 MPU 最小系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計1. 硬件電路供電電源設(shè)計作為高精度的數(shù)據(jù)采集和通信電路，必須滿足較高的分辨率指標(biāo)，因而要求儀器輸出的模擬電信號有著較高的信噪比。儀器電源因有較大的功率消耗，電容濾波不完全所產(chǎn)生的紋波電壓和熱噪聲將直接作用于其供電的器件上，這就對供電電源有著嚴(yán)格的要求。另外，在儀器的小型化方面，對供電電源也有較高的要求。圖 硬件電路供電電源2．MCU 系統(tǒng)及設(shè)定電路設(shè)計圖 STC12C2052AD 單片機電路 MCU 小系統(tǒng)由集成度較高的 STC12C2052AD 單片機及其復(fù)位電路和設(shè)定電路組成 ,單片機采用內(nèi)部晶振，簡化了外圍電路的設(shè)計，降低了整機系統(tǒng)的功耗；STC12C2052AD是單時鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051 單片機，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。MCU 的間歇工作周期可由鍵盤輸入，如果單片機進入掉電模式，可通過 S1 外部中斷 0 喚醒 MCU 進入正常工作模式。STC12C2052AD單片機有一個全雙工的串行通訊口，單片機和PC之間進行串行通訊時可通過MAX487與RS485 連接。3．串行接口設(shè)計圖 串行接口CH341 是一個USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的2線和4線等同步串行接口。在異步串口方式下，CH341提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號以及常用的MODEM 聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB 總線。是 USB 端口，USB 總線包括一對 5V 電源線和一對數(shù)據(jù)信號線，通常+5V 電源線1P是紅色的，接地線是黑色的，D+信號線是綠色的， D信號線是白色。USB 總線提供的電源電流最大可以達(dá) 500mA，一般情況下，CH341 芯片和低功耗的 USB 產(chǎn)品可以直接使用USB 總線提供的 5V 電源。如果 USB 產(chǎn)品通過其他供電方式提供常備電源，那么 CH341也應(yīng)該使用該常備電源，如果需要同時使用 USB 總線的電源，那么可以通過阻值約為 1Ω的電阻連接 USB 總線的 5V 電源線與 USB 產(chǎn)品的 5V 常備電源，并且兩者的接地線直接相連接。和 是獨石或高頻瓷片電容， 容量為 4700pF 到 ，用于 CH341 內(nèi)部電源3C4 3C節(jié)點退耦， 容量為 ，用于外部電源退耦。晶體 Y，電容 和 用于時鐘振蕩電路。1CY 的頻率是 12MHZ， 和 的容量為 15pF~30pF 的獨石或高頻瓷片電容。1C如果 USB 產(chǎn)品使用 USB 總線的電源，并且在 VCC 和 GND 之間并聯(lián)了較大的電容，使得電源上電過程較慢并且電源斷電后不能及時放電，那么 CH341 將不能可靠復(fù)位。5C建議在 RSTI 引腳與 VCC 之間跨接一個容量為 或者 的電容 延長復(fù)位時間。6C發(fā)光二極管 和限流電阻 是可選器件，通常被省去。外部串行配置芯片 是可選1L1R 2U器件，當(dāng) 被省去時，可以通過 SCL 和 SDA 引腳連接組合選擇芯片功能。2U4．USB轉(zhuǎn)RS485 總線接口電路設(shè)計在工業(yè)控制及測量領(lǐng)域較為常用的網(wǎng)絡(luò)之一就是物理層采用RS485通信接口所組成的工控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)。從目前解決單片機之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離遠(yuǎn)和數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點而被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓字控制、監(jiān)控報警等領(lǐng)域。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)，它擴展了RS422A的性能，允許雙導(dǎo)線上一個發(fā)送器驅(qū)動32個負(fù)載設(shè)備。負(fù)載設(shè)備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器(發(fā)送器和接收器的組合)。RS485 為半雙工，在某一時刻，一個發(fā)送另一個接收。當(dāng)用于多站互聯(lián)時，可節(jié)省信號線，便于高速距離傳送。RS485只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性而沒有規(guī)定接插件傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議，使用時傳輸?shù)木嚯x短，數(shù)據(jù)的容錯沒有考慮。485總線系統(tǒng)更適合于應(yīng)用在小型的對于速度要求不是很高，數(shù)據(jù)傳輸量不是很大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。其容錯和應(yīng)用層的協(xié)議，可以自己通過軟件來實現(xiàn)，比較靈活。在通信距離為幾十米到上千米時，RS485 收發(fā)器被廣泛使用。TNOW 用于控制 RS485 總線半雙工收發(fā)器 U3 的收發(fā)狀態(tài)。RS485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá) 200mv 的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS485采 用 差 分 信 號 負(fù) 邏 輯 ， ＋ 2V～ ＋ 6V表 示 “0”， 6V～ 2V表 示 “1”。RS485有 兩 線 制 和 四 線 制 兩 種 接 線 ， 四 線 制 只 能 實 現(xiàn) 點 對 點 的 通 信 方 式 ， 現(xiàn) 很 少 采 用 ，現(xiàn) 在 多 采 用 的 是 兩 線 制 接 線 方 式 ， 這 種 接 線 方 式 為 總 線 式 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 在 同 一 總 線 上 最 多可 以 掛 接 32個 結(jié) 點 。 在 RS485通 信 網(wǎng) 絡(luò) 中 一 般 采 用 的 是 主 從 通 信 方 式 ， 即 一 個 主 機 帶多 個 從 機 。 很 多 情 況 下 ， 連 接 RS485通 信 鏈 路 時 只 是 簡 單 地 用 一 對 雙 絞 線 將 各 個 接 口的 “A”、 “B”端 連 接 起 來 。 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計主要完成數(shù)據(jù)采集與通訊。在軟件設(shè)計時，為了系統(tǒng)擴充和移植方便，采用了模塊化設(shè)計，對一些特征參數(shù)設(shè)置為全局變量，各模塊之間采用子程序調(diào)用連接。軟件設(shè)計的關(guān)鍵是對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。數(shù)據(jù)采集采用查詢方式，進入子程序模塊后先關(guān)中斷，模塊執(zhí)行完后再開中斷。1．主程序模塊主程序主要完成初始化，采集系統(tǒng)基準(zhǔn)校核，進行STC12C2050AD端口識別和設(shè)置、讀取采集的數(shù)據(jù)并進行計算和判斷．為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)計了看門狗電路，根據(jù)調(diào)試，在STC12C2050AD采樣頻率設(shè)置為2 Hz時，故主程序每個循環(huán)都應(yīng)清看門狗一次。開始程序初始化 參數(shù)設(shè)定有按鍵否A/D 轉(zhuǎn)換獲取壓力 壓力校正 顯示壓力 電流輸出鍵處理YN圖 主程序流程圖6 實驗實測數(shù)據(jù)與誤差分析 擴散硅壓力變送器的測量圖 擴散硅壓力變送器實物圖（1）圖 擴散硅壓力變送器實物圖（2）如圖 所示的擴散硅壓力變送器實物圖，A 側(cè)將固定在壓力測量儀上，集成的電路板放在殼體內(nèi)，并通過引線連接到 B 側(cè)的端子上，用來與電源或顯示儀表連接。在此課題的實際測量中，將電源接到 B 側(cè)的接線端子上，并將萬用表串聯(lián)進去，不斷增加壓力，萬用表上顯示的電流也逐漸增加。具體測量數(shù)據(jù)如表 所示。表 壓力變送器整機測量結(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 % % % % % 輸出電流實測值（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。 擴散硅壓力變送器的誤差分析對于擴散硅壓力變送器，產(chǎn)生測量誤差的主要原因有：傳感器的溫度漂移、傳感器安裝傾斜、信號源的幅值不穩(wěn)定、運算電路不理想等。具體分析如下：1. 溫度漂移產(chǎn)生的誤差 1?這是一項以復(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，通常把它視為隨機誤差來處理。根據(jù)實際觀測到的漂移情況，此項測量誤差約為 初 始 值????410?2. 傳感器安裝傾斜產(chǎn)生的測量誤差 2若傳感器在安裝時端面的法線與間隙的變動方向不一致，也會產(chǎn)生一個測量誤差。如圖 所示， 若二者之間的傾角為 ?，則當(dāng)測頭移動 時，實際的間隙變化量為 。d?,d?由圖中的幾何關(guān)系可以得到 （ ）cos,d??圖 傳感器的安裝誤差所產(chǎn)生的測量誤差因此，由傳感器的安裝誤差而產(chǎn)生的測量誤差為 ())cos1(,2 ?????d一般 很小， ，所以?21cos??? （ ）d??2?此項誤差隨著間隙變化量的增加而增加，因此從性質(zhì)上仍屬于變值系統(tǒng)誤差。但由于標(biāo)定儀器及實際測量時的 具有隨機性， 故通常把它按隨機誤差來處理。由于 越大，? ?越大，因此應(yīng)對傳感器安裝時的 加以限制。如果 ?1?? （ rad） ，則 的大小不2? 2?會超過 d???4105.。當(dāng) 達(dá)到滿量程 時，此項誤差也達(dá)到其極限值 。.SF SF./??3. 信號源信號幅值不穩(wěn)定產(chǎn)生的測量誤差 3?這是一項隨機誤差。信號源是用來給運算電路提供載波信號的，它的幅值穩(wěn)定性直接對放大器輸出的調(diào)幅波產(chǎn)生影響。由運算電路的輸出電壓表達(dá)式可以看出，若信號源的幅值有一相對誤差 ，則它將使輸出調(diào)幅波的幅值產(chǎn)生一同樣大小的相對誤差，當(dāng)傳感器間SV5?隙變化 ?h時， 所產(chǎn)生的絕對測量誤差為 （）h??3??此壓力變送器的 約為 。3?410??在進行定量的誤差分析時，主要考慮上述誤差中不可忽略的誤差項，對于變化規(guī)律難以確切掌握的變值系統(tǒng)誤差，可當(dāng)做隨機誤差來處理。因此，壓力變送器總的測量誤差為系統(tǒng)誤差+ 隨機誤差。7 總 結(jié)本論文完成了對“ 擴散硅壓力傳感變送器 ”的研制與改進。在對該產(chǎn)品進行設(shè)計的過程中，通過親自動手完成焊接以及調(diào)試等過程，我解決很多的實際問題，學(xué)習(xí)到了很多實踐方面的知識。通過對本課題的研究，我已經(jīng)熟練掌握了擴散硅壓力傳感變送器的設(shè)計過程以及壓力變送器的工作原理和工作過程。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械原理和工作原理。2．初步建立變送器的各個系統(tǒng)，熟悉各個系統(tǒng)的概念、組成、功能。3．針對實際測量過程中會出現(xiàn)的各種干擾，對壓力傳感器測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率、精度進行統(tǒng)一量化及非線性數(shù)據(jù)補償。使得在使用時提高了測量的精度和靈敏度。 4．對傳感器和信號處理電路的供電采用 LM334 恒流源，使得當(dāng)傳感器橋臂電阻發(fā)生變化時，供電電源仍保持恒定的電流供電。同時，恒流源供電要比恒壓源供電更能消除溫度對傳感器的影響。5．信號處理電路采用 LM124 集成運算放大器，它是高增益的，帶內(nèi)部頻率補償?shù)?，輸入偏置電流是溫度補償?shù)那覇挝辉鲆鎺捠菧囟妊a償?shù)倪\算放大器,它既可以單電源使用,也可以雙電源使用。6．由于采用了專用數(shù)據(jù)采集模塊與計算機聯(lián)機通信，可通過計算機對變送器內(nèi)部參數(shù)進行遠(yuǎn)程組態(tài)和調(diào)整，也可通過變送器上的量程遷移設(shè)置按鈕和調(diào)零遷移按鈕，進行現(xiàn)場調(diào)整。7．對調(diào)零和調(diào)滿電路等其他的各個系統(tǒng)進行詳細(xì)的討論和可行性的論證。8．對本課題的研究是以濟南亞民自動化儀表有限公司的產(chǎn)品為基礎(chǔ)，對該儀器的小型化做了進一步的改進，將壓力變送器中的所有功能模塊都集中到了一個 PCB 板上，使壓力變送器成為了一臺便攜的測量儀器。9．最終完成了一臺可用于遠(yuǎn)距離測量的擴散硅壓力傳感變送器。智能化擴散硅壓力傳感變送器可以在實際生產(chǎn)過程中進行實時測量，把壓力參