数字压力计的设计外文翻译资料

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数字压力计的设计

郭英彦

中国 陕西 汉中 陕西理工学院机械工程学院

摘要：本文提出了一种设计数字压力计的新方法，它利bpr-2/100数字压力计测量压力，使用单片机作为模数转换器，并利用LED显示压力数值。主要包括硬件电路和软件程序。由于其具有高精度，可以符合目前的国际单位和满足数字时间的需要。

关键词：压力传感器；单片机；数字压力计；电路设计；LED显示

引言

bpr-2 / 100压力计在上世纪七八十年代液体压力的测量上是应用最为广泛的。压力表的压力范围为0～100kgf／cm2，精度等级为1%。其内部结构相对简单。压力传感器是一种薄壁筒鼓，双应变计的值为300Omega;，贴在筒壁。双应变计连接结构为半桥结构。工作时，他们连接到外接桥箱，电阻值通过桥箱被输入到动态应变计并使用平衡旋钮的调节和电容的平衡旋钮来平衡测量电桥。输出指示器仪器为示波器（一般用介质余辉示波器观察波形，并使用示波器记录压力值）。当液体压力变化时，应变测量桥将改变压力表的值，桥电路输出应变通过动态应变计被放大和纠正。应变将输入数据以示波器电流变化的方式显示。对SC-16光线示波器感光纸的宽度是12cm。以光点偏转的方式记录在敏感的纸张显示压力变化。用尺子测量记录线的偏差以获得压力值。然而，此压力测量系统操作复杂，操作难度高，精度低。此外，敏感纸是由上海感光胶片厂生产的，所以很难获得。随着在上世纪90年代的国际单位制的实施，所有的新的压力发射机使用国际单位，以及光示波器和智能化数字显示的发展，新的压力传感器也出来了，所以该压力计淘汰了。

在实验室中，我们有很多这样的传感器，但问题是如何有效地利用。我们试图用压力传感器和单片机设计了一种新的数字压力计。实践表明，它有良好的性能。

数字压力计的结构

数字压力计是由bpr-2 / 100计和仪表电路组成并且连接专用电缆的传感器。

设计思路如下：首先，数据采集：放大电路放大测量电桥的输出信号。然后，将输出信号通过A/D转成数字信号，传输到单片机，经过单片机处理由LED显示。当压力超过范围时，它会报警。

设计要求如下：输入电压：plusmn;12V

压力测量范围：0～10Mpa

测量精度：1%。

主要组成部分包括传感器、输入电路、数据采集部分、数据处理部分、显示部分、报警电路部分、复位电路部分等。

其基本结构框图如图1所示：

硬件电路设计

硬件电路的核心采用AT89C52单片机，数据采集采用查询方式，显示部分使用LED显示。

图1基本结构框图

测量电桥和输入电路：数字压力计首先分布由一双半臂测量电桥和水准电位器，及300Omega;电阻应变计组成的两bpr-2 / 100计。

输入电路的功能是制定测量电桥到电压输出信号的规则完成A / D转换器的要求。作为测量电桥输出的微弱电压信号0～5mV，但A / D转换器需要一个0～ 5V的输入电压。所以必须有一个信号放大

放大电路输出信号的电路。然后，信号可以被发送到一个A / D转换器。

该设计需要在计算1000次放大输出电压信号，但是该放大太大。因此，采用两级放大，并使用ha17741操作放大器，如图2所示。

在图2中的电路中，A1和A2构成反相放大电路：

Uo1 = R3/R2 Ui = -100UiUo = -R4/R5Uo1 = -10*(-100Ui) = 1000Ui

来自传感器的0～5mV信号通过放大电路变为0～ 5V信号，因此它可以输入ADC0809，符合设计要求。

图2放大电路

数据采集：输入信号为0-5V转换工业标准信号，需要选择一个合适的A/D转换器（ADC）分散的输入信号以足够的精度转换为二进制代码。设计要求精度等级为1精度等级（误差为0.1）。A/D转换过程需要1/2^N-1（N为A/D转换器的位数）。计算表明，8位模数转换器转换精度为1 / 27 = 0.0078，可以满足要求。

AD0809是一个8位转换器，其精度可以满足要求。此外，它具有很大的转换速度。AD0809是中高速、中高档的A / D转换器。该芯片具有三段三态门输出。它可以连接8位或16位的数据总线。AD0809在很宽的温度范围内不会线性丢码。它有一个高稳定时钟和稳定的齐纳二极管的功率（VREF = 5V）。它也是一种常用的模数转换装置。因此，在这个设计中由AD0809作为A /D转换器。

数据处理：数据处理包括数字滤波器和尺度变换。

从外部环境中采集的信号往往与其它干扰信号混合，产生一些干扰。因此，我们必须从有用的信号过滤干扰信号。

经常使用过滤器有两种：模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波采用了一种简单的硬件设计方法，但增加了硬件电路的成本。数字滤波器是通过软件实现的。这是一个计算，不需要硬件，所以它具有低成本，但高可靠性，而且，阻抗匹配等问题不会发生。因此，本设计

采用数字滤波器。

在设计中，传感器的输入和输出是线性的，所以它使用线性缩放变换。这个转换公式如下：

Y＝（Ymax－Ymin）（X-Nmin）／（Nmax－Nmin）＋Ymin

其中：Y参数测量；Ymax是参数的最大值；Ymin是参数的最小值；Nmax是相应的A/D转换值Ymax;Nmin是相应的A/D转换值Ymin；X是相应的A/D转换值Y。

复位电路的设计：像其他的单片机，AT89C52系统有操作复位和电源复位。电源复位是指RST引脚产生积极的脉冲的宽度大于10 ms的flash启动计算机,并使计算机进入复位状态。操作复位装置指用户按“重置”按钮，使计算机进入复位状态。在本设计中使用的是电源复位。

报警电路设计：报警装置是一种压力表，当液体压力超过测量范围内时会报警的设备。实施方法：将A / D转换器采集的数据作为参考值，并将其与最大值比较。如果基准值超过最大值，则会报警。该设计使用声光报警。当测得的液体压力超过了设备测量范围10MPa时，

二极管发光和蜂鸣器会发出声音。蜂鸣器需要大电流报警，所以它必须要与三极管连接放大电流。确保单片机输入/输出端口在低水平状态。这可以通过软件来完成。

振荡电路设计：MCS-51单片机包含一个高增益反相放大器，它

可以形成由XTAL1、XTAL2自激振荡器提供的单片机时钟控制信号。可直接使用单片机内部提供的时钟发生器。在本设计中，频率值为12MHz，每两电容为30 pF。XTAL1和XTAL2引脚构成冲击接地。

数据显示电路的设计：在本设计中，选择LED数码管可以满足

设计要求。

智能仪表显示装置一般是由N-LED数字显示。通常，我们把每一个显示器的引线连接在平行的位选择导线中，并将每一个导线称为显示段对准导线。因此，N - LED显示屏包括共有n位选择导线和8N段对准导线。智能仪表的CPU可以使N-LED数字显示工作在静态或动态的相应的硬件接口。

在静态显示状态下工作时，中位数越高，所占的输入/输出资源越高。同时还需要N锁存器。

在动态显示状态下工作时，所有的位选代码都是并行的，由8位输入输出端口控制。而共同的阴极或阳极点由另一个端口的端口控制，因此8位的动态显示电路只需要2个8位的输入/输出端口：一个控制部分选举代码，另一个控制位选择代码。这个动态显示的优点在于它可以节省硬件，而缺点则是中央处理器必须定期扫描显示的每一段。在本设计中采用的是动态方法。动态显示电路必须定期扫描数码管显示，驱动电流为静态显示的N倍。由于驱动的一般需要，在本设计中74LS245作为段驱动器，74LS244作为位驱动器。

输入/输出电路的设计：本设计采用AT89C52作为监测和控制外部电路的核心部件。数字压力计具有以下功能：从外部环境、采集数据，处理数据，数字显示。AT89C52单片机的接口，特别是I/O接口是有限的，不能满足各种功能的要求，所以用74ls573来扩展I/O接口。74ls573和74LS373的性能相似，但74ls573的输入和输出比74LS373的更标准。4ls573的一端输入，另一侧输出，便于以后接线。因此，本设计采用74ls573为I/O接口的扩展。

系统软件设计

一个完整的单片机应用系统应包括硬件和软件的设计。因此，数字压力计的设计，除了硬件，必须有适当的软件监控硬件实现其功能，否则它本身不会做任何事情。

数字压力计系统软件包括主程序、AD0809的启动和数据读取、数据处理、数据显示（LED显示和动态扫描）等。然后，设计可根据主程序和各子程序的功能进行。

图3主程序流程图

主程序实现P0、P1的主要功能，P2的I / O功能，采样值存储单元的初始化，ADC0809的触发，流体压力超过数字压力计的最大范围的判断及子程序的调用等。

流程图见图3。

系统校准

当系统的硬件和软件设计完成后，系统必须在ys-600活塞压力计进行校准。ys-600活塞压力计的压力范围为1～60MPa，精度为0.05，单位压力为1MPa。根据从1至10MPa压力的变化，分别按区间5增压和减压，记录系统的输出值，绘制标准曲线，并修改部分程序进行数字压力计显示达到所要求的精度范围。

总结

经过几年的实际应用，由bpr-2 / 100计改进的数字压力计能正确显示被测压力并且具有高精度、性能稳定。

致谢

该课题为陕西重点实验室项目资助项目资助的课题（05js14）。

参考文献

[1]刘桦，《单片机的理论与应用》，北京电子工业出版社，2003.8

[2]童师白 华成英，《基础模拟电子技术》，北京高等教育出版社，2001

[3] [美] DH石德撰写，由徐刘德炳翻译。《传感器接口和信号调制电路》。北京国防工业出版社，1984

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