压力传感器应用论文

压力传感器

成员： 班级： 指导老师

压力传感器

摘要：压力传感器以 stc11f04e 单片机为中心控制系统. 主要由弹性体、电阻 应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形 时，电阻应变片受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化，从而使 电桥失去平衡，产生相应的差动信号，再经相应的测量电路把这一电阻变化转 换为电信号，然后用放大器将此信号放大。用双积分型 A/D 转换电路转换，将 转变的数字量经单片机处理。最后由 LCD 将其显示。 关键词：stc11f04e；传感器；双积分型 A/D 转换电路。

一．系统设计

1.总体设计思路:

本设计主要由压力传感器，运算放大器，双积分型 A/D 转换电路，单片机，LCD 显示屏构成。总体框架如下图 1。

图 1 总体电路框图

二.各个单元电路设计

1.压力传感器的设计

采用电阻应变式压力传感器。是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件 组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表 面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化 为电阻应变片阻值的变化。把 4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施

加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或 者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出 共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

2. 输入放大电路的设计

由于所测出的微压力传感器两端的电压信号较弱，所以电压在进行 A/D 转 换之前必须经过放大电路的放大。输入放大的主要作用是提高输入阻抗和，本 设计采用 OP07 集成运算放大器构成同相比例放大电路，以提高电路的输入阻 抗，以达到设计要求。

3.双积分式 A/D 转换器的设计

A／D 转换电路是数据采集系统中的重要部分，也是计算机应用系统中一种 重要的功能接口。目前市场上有两种常用的 A／D 转换芯片，一类是逐次逼近式 的，如 AD1674，其特点是转换速度较高，功率较低。另一类是双积分式的，如 ICL7135，其特点是转换精度高、抗干扰能力强。但高位数的 A／D 转换器价格 相对较高。本文介绍的一种基于单片机的高精度、双积分型 A／D 转换电路，具 有电路体积小、成本低、性价比高、结构简单、调试容易和工作可靠等特点， 有很好的实际应用价值。

4.显示电路

本设计采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。液晶显示器显示功能强大， 可显示各种字体的数字、图像，还可以自定义显示内容，增加了显示的美观性 与直观性。最重要的是提供了友好的

人机界面。

三.理论分析及计算

1.压力传感器主要组成部分及基本电路

一、电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为 一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数 K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为 L，横截面是半径为 r 的圆形，其面积记作 S， 其电阻率记作ρ ，这种材料的泊松系数是μ 。当这根电阻丝未受外力作用时， 它的电阻值为 R：

R = ρ L/S（Ω ） （2—1） 当他的两端受 F 力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长Δ L，其横 截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δ r。此外，还可用实验证明，此金属电 阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δ ρ 。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们 有： Δ R = Δ ρ L/S + Δ Lρ /S –Δ Sρ L/S2 （2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 Δ R/R = Δ ρ /ρ + Δ L/L – Δ S/S （2—3） 另外，我们知道导线的横截面积 S = π r2，则 Δ s = 2π r*Δ r，所以 Δ S/S = 2Δ r/r （2—4） 从材料力学我们知道 Δ r/r = -μ Δ L/L （2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ 是表示材料横向效应泊松系 数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 Δ R/R = Δ ρ /ρ + Δ L/L + 2μ Δ L/L =（1 + 2μ （Δ ρ /ρ ）/（Δ L/L））*Δ L/L = K *Δ L/L （2--6） 其中 K = 1 + 2μ +（Δ ρ /ρ ）/（Δ L/L） （2--7） 式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长 率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的 一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的 K 值一般在 1.7—3.6 之间；其次 K 值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中Δ L/L 称作为应变，记作ε ，用它来表示弹性往往显得太大，很 不方便 常常把它的百万分之一作为单位，记作μ ε 。这样，式（2--6）常写作： Δ R/R = Kε 二、弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感 器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个 高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电 信号的转换任务。 (2—8)

以托利多公司的 SB 系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分 布。 设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主 应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉 伸而阻值

增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中 心点的应变表达式，而不再推导。 ε = （3Q（1+μ ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/ （B（H3-h3）+bh3） （2-9） 其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ —泊松系数；B、b、H、h—为梁的 几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的 是“平均”状态。 三、检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥 具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较 方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了 广泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互 抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 最普遍的电子秤是使用桥式压力传感器实现的，压力传感器的输出电压直 接与放在其上的重量成比例。图2示出了典型的称重电桥；它是一个具有至少两 个可变桥臂的4电阻结构的电电桥，其中由所称重量引起的电阻变化可产生一个 叠加在2.5 V（电源电压的一半）共模电压之上的差分电压。典型的电电桥通常 使用300Ω 的电阻器。

图2

压力传感器的基本电路

2.双积分式A/D转换电路

如图3所示，运放A1、R、C构成积分电路，C常取0．22μ F的聚丙烯电容， R常取500kΩ 左右，A2是电压跟随器，为电路提供稳定的比较电压，运放 A3 作为电压比较器，保证A／D转换电平迅速翻转，CD4051是多路选择开关，单 片机P1．0、P1．1、P1．2作为输出端口，控制其地址选择端A、 B、C选择不 同的通道输入到积分器A1，U为将要进行A／D转换的模拟输入电压，Uin为积 分器的输入电压，U0为比较电压，U1为基准电压，为使A／D 转换结果具有更 高的精度，基准电路应该提供精确的电压，建议使用精度为1％的精密电阻， 单片机使用89C51，其内部定时器T0为积分电路提供精确的时间定时，计数器 T1用来记录反向积分时间，INT0用来检测比较器电平变化。所需测量的模拟 输入信号和零点参考电压以及基准电压接到多路选择开关的输入端，通过单 片机中的程序控制，轮流选择接入各路输入信号，通过积分电路分别和固定 电压进行定时或定值积分，积分电路的输出信号作为比较器的输入信号与比 较电压进行比较，当比较器输出翻转信号时，CPU计数器停止计数，从而获得 零点参考电压的计数值，对这个数据进行处理计算后，完成A／D转换。

2)转换过程 为了给积分电路提供积分零点，在系统上电阶段，积分电路先接通GND，待比 较器输出为低电平时，再对积

分电路进行一段时间的放电，以使得积分电容 零电荷。因此双积分电路的工作过程分为三个阶段： (1) 清零阶段：当比较器输出低电平时，积分电容上聚集了大量电荷，必须 对其放电为后续的A／D转换提供精确的零起始点。即对U0进行定值积分，由 由此可见放电时间根据U0、U1、R、C具体值而 定。

(2)积分阶段：对模拟输入电压Uin进行固定时间积分，积分时长T1，由A／D的 精度决定，精度越高积分时间越长，此阶段积分器的输出电压

3)比较阶段：对模拟输入电压进行定时积分后，再对零电平进行反向积分直 到比较器的输出发生翻转，此阶段积分器输出电压为

由比较器原理得U10=U1，由此可得 其中T1、U0、R、C、U1均为常数，即对零电平的积分时间T0与模拟输入电 压U成正比，T0即为所求值。具体转换波形如图4所示。

3.放大电路

高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高 的特点，利用OP07 做成一个差动放大器。如下图5。

图5 OP07差动放大器

4.电路特点分析

由上述分析可知，模拟电压U大于基准电压U1时，在对模拟电压U定时积 分后对零电平进行定值积分，波形图如图4所示。而当模拟电压U小于基准电 压U1时，在对模拟电压U定时积分后应对U0进行定值积分，只需在软件设计上 加以区别或提供负值的基准电压即可。本电路充分利用了单片机成本低廉、 可靠性高的优势，主要元件仅仅为一个单片机89C5 1、一个多通道模拟开关 CD4051、一个四运放LM324，因而结构简单，性价比高。实际应用表明，此双 积分型A／D转换器的特点是工作性能稳定并且抗干扰能力比较强，但从原理 分析可知，该电路存在固有的延迟，因此不适合采集连续快速变化的信号。4

5.提高A／D转换精度的方法

1、扩大计数器容量由于计数器工作方式时的计数脉冲，如：周期为1O，而计数 器只有8位，因此必然会产生积分器计数器溢出的情况。因此必须在RAM中指定 某个单元为计数值的高位存放单元，把计数器内的溢出值不断累加到该单元 内。这相当扩大了计数器的容量，相应提高了A／D转换的分辨率。 2、提高计数时钟频率在采样时间保持不变的情况下，提高计数时的时钟频率也 可使分辨率增加。 3、延长采样周期：这是在牺牲时间的前提下提高分辨率，只适用于静态称量的 电子衡器，如果采样时间太长，将使秤反应迟钝。

四．软件设计

软件流程：

五.系统测试

测试结果分析 对于微压力传感器，在电路设计时只需选择合适的降压电阻，通过 A/D 转换器直接将 电阻上的电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。电路在实际测量

中 存在一定的误差，主要是由于温漂和一些外部干扰造成的，见表 1。

表 1 测量数据

由压力传感器产生电压与放大器形成电压回路，从而在取样电阻上产生一定压降，并 将此电压值输入到放大器 OP07 的 3 脚。OP07 与其相连接的电阻构成可调整电压放大电 路，将压力传感器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过 OP07 的 1 脚输出至模拟数 字转换电路，供单片机 stc11f04e 读入，通过数据处理将压力传感器的电压在屏幕上以 压力值的形式显示出来。

六.结束语

通过对微压力传感器的应用、特点及工作特性等方面的研究，并对微压力传感器接口 电路进行了设计，在电路框图中充实了各个部分的内容。首先采用惠斯通电桥滤出微压力 传感器输出的变量，然后用 INA118 放大器将此信号放大，再用 7715A/D 转换器驱动 LCD 将其显示。完善了微压力传感器接口电路，使电路在功能性、稳定性、可靠性及小型化等 方面都有所增强。

附：