智能压力测量仪课程设计1.pdf

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1、智能仪器课程设计任务书一、题目智能压力传感器系统设计二、指导思想和目的要求1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；2.培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。三、主要技术指标1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；2.培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作

2、风；3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。三、主要技术指标本设计主要设计一个智能压力传感器的设计，要求如下：被测介质：气体、液体及蒸气量程：0Pa500pa综合精度：0.25%FS供电：24V Dc（1236VDC）介质温度：-20150环境温度：-2085过载能力：150%FS响应时间：10mS稳定性：0.15%FS/年能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。所需要完成的工作：1.系统地掌握控制器的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述；2.进行系统设计方案的论

3、证和总体设计；3.从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计；4.进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；四、进度和要求第 01 天-第 02 天：查阅相关资料；进行市场调查，给出系统详细的设计任务和功能，进行系统设计方案的论证和总体设计；第 02 天-第 03 天：完成硬件电路设计，并用 PROTEL 画出硬件电路图；完成软件模块设计与调试；第 03 天-第 04 天：进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；第 04 天-第 05 天：撰写课程设计论文；五、主要参考书及参考资料1.单片机原理及应用，张鑫等，电子工业出版社2.MCS51 单片机应用设计，张毅刚等，哈尔

4、滨工业大学3.MCS51 系列单片机实用接口技术，李华等，北京航天航空大学4.PROTEL2004 电路原理图及 PCB 设计，清源科技，机械工业出版社学，200556.单片机应用技术选编，何立民，北京航空航天大学出版社，20007.检测技术与系统设计，张靖等，中国电力出版社，20015.基于 MCS-51 系列单片机的通用控制模块的研究，曹卫芳，山东科技大摘要摘要压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成智能化功能

5、。介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计,并根据硬件进行了软件编程。本次设计是基于 AT89C51 单片机的测量与显示。是通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至 8 位 AD 转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成 LED 显示器可以识别的信息，最后显示输出。而在显示的过程中通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，显示需要的值。本论文根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬件，应用单片机技术测量电路简单，成本低，应用面广，但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差。关键词关键

6、词:压力；AT89C51 单片机；压力传感器；A/D 转换器；LCD 显示；AbstractAbstractPressure is one of the important parameters in the process of industrial production.Pressuredetection or control is an essential condition to ensure production and the equipment to safelyoperating,which is of great significance.The single-chip is

7、 infiltrating into all fields of our lives,so it is very difficult to find the area in which there is no traces of single-chip microcomputer.Inthis graduation design,primarily through by using single-chip and dedicated chip,handling ofanalog signal measured by the sensor to complete intelligent func

8、tion.This design illustratesexternal hardware circuit design of intelligent pressure sensor,and conduct software developmentto the hardware.The design is based on measurement and display of AT89C51 single-chip.Thisis the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals.After using

9、operationalamplifier,the signal is amplified,and transferred to the 8-bit A/D converter.Then the analogsignal is converted into digital signals which can be identified by single-chip and then convertedby single-chip into the information which can be displayed on LED monitor,and finally displayoutput

10、.In the course of show,through the keyboard to input all kinds of data and commands intothe computer,the single-chip will locate in a predetermined function step to display requiredvalues.In addition，based sensor thermal drift and nonlinearity principle，this paper has designedIntelligent sensor hard

11、ware circuit and edited a C51Program.The circuit with micro-Process issimple and cheap，though the result has still a little error.KeyKey wordswords:pressure;AT89C51 single-chip;pressure sensor;A/D converter;LCDmonitor;目录目录第一章第一章 绪绪 论论.1 11.11.1 前言前言.11.21.2 选题的背景和意义选题的背景和意义.11.31.3 智能压力传感器的发展方向智能压力传

12、感器的发展方向.21.41.4 本文研究的内容本文研究的内容.3第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计.4 42.12.1 系统任务描述系统任务描述.42.1.12.1.1 控制系统要求控制系统要求.42.1.22.1.2 主要仪器的比较选择主要仪器的比较选择.42.1.32.1.3 总体方案的选择总体方案的选择.52.22.2 系统总体设计系统总体设计.62.2.12.2.1 系统组成系统组成.62.2.22.2.2 基于单片机的智能压力检测的原理基于单片机的智能压力检测的原理.6第三章第三章压力传感系统硬件设计压力传感系统硬件设计.7 73.13.1 压力传感器压力传感器.73.1

13、.13.1.1 金属应变片的工作原理金属应变片的工作原理.73.1.23.1.2 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构.83.1.33.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路.83.1.43.1.4 电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理.93.1.53.1.5 非线性误差及温度补偿非线性误差及温度补偿.103.23.2 信号放大电路信号放大电路.113.2.13.2.1 三运放放大电路三运放放大电路.113.33.3 A/DA/D 转换器转换器.123.3.1 A/D3.3.1 A/D 转换器的简介转换器的简介.123.3.23.3.2 配置位说明配置位说明.133.3.33.3

14、.3 工作时序图工作时序图.133.3.43.3.4 单片机对单片机对 ADC0832ADC0832 的控制原理的控制原理.143.43.4 单片机单片机.153.4.1 AT89C513.4.1 AT89C51 单片机简介单片机简介.163.4.23.4.2 主要特性主要特性.163.4.33.4.3 管脚说明管脚说明.173.4.43.4.4 振荡器特性振荡器特性.183.4.53.4.5 芯片擦除芯片擦除.183.53.5液晶屏液晶屏 LCDLCD 简介简介.193.5.13.5.1 液晶显示器原理液晶显示器原理.193.5.23.5.2 液晶显示器分类液晶显示器分类.193.5.33.

15、5.3 字符的显示字符的显示.193.5.4 LM016L3.5.4 LM016L 引脚功能说明引脚功能说明.203.63.6 报警模块报警模块.21第四章第四章压力传感系统软件设计压力传感系统软件设计.2 22 24.14.1 软件编程软件编程.224.24.2 软件程序组成软件程序组成.224.2.14.2.1 系统的主程序系统的主程序.224.34.3 系统子程序设计系统子程序设计.254.3.1 A/D4.3.1 A/D 转换器的软件设计转换器的软件设计.254.3.2ADC08324.3.2ADC0832 芯片接口程序的编写芯片接口程序的编写.264.3.3 LCD4.3.3 LCD

16、 数码管显示程序设计数码管显示程序设计.27第五章第五章PROTEUSPROTEUS 仿真调试仿真调试.3 30 05.15.1 仿真软件了解仿真软件了解.305.1.1 proteus5.1.1 proteus 软件介绍软件介绍.305.1.2 proteus5.1.2 proteus 功能和特点功能和特点.305.25.2 本次设计仿真过程本次设计仿真过程.315.2.15.2.1 创建原理图创建原理图.315.2.25.2.2 绘制仿真原理图绘制仿真原理图.315.2.35.2.3 系统调试系统调试.325.2.45.2.4 开始仿真开始仿真.32第六章第六章 总结总结.3 34 46.

17、16.1 设计总结设计总结.346.26.2 展望和不足展望和不足.346.36.3 自我小结自我小结.35参考文献参考文献.3 36 6附录一附录一 PROTELPROTEL 图图.3 37 7附录二附录二源程序源程序.3 38 8第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 前言前言在信息高速发展的今天，传感器检测系统的智能化和集成化成为其发展的两个重要方向，而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于与之相结合的微处理器的性能。具有数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统已成为国内外开发和研究的热点。传感器技术是现代测量和自动化

18、技术的重要技术之一。从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。例如在日本传感器技术被列为六大核心技术（传感器、通信、激光、半导体、超导和计算机）之一，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90 年代看作是传感器时代，将传感器技术列为 90 年代 22 项关键技术之一。我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就。目前，在科学技术就是第一生产力的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来

19、越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实践远未成熟，离实际应用需求差距很大，尤其是用于压力测量的高性能、小体积、低成本智能压力传感器系统更是有待于进一步开发。因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。1.21.2 选题的背景和意义选题的背景和意义近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个

20、重要应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来。压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。为了测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机智能压力测量系统。通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至 8 位 AD 转换器，然后将模拟信号转换成单片机可

21、以识别的数字信号，再经单片机转换成 LCD 显示器可以识别的信息，最后显示输出。基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于 AT89C51 单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放大为标准信号为 0-5V 的电压信号，然后进入 A/D 转换器将模拟量转换为数字量，我们所采样的 A/D 转换器为 ADC0832，ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数

22、据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。为了提高单片机系统 I/O 口线的利用效率,利用单片机 AT87C51 的串行口和液晶显示屏 LM016L 来显示。1.31.3 智能压力传感器的发展方向智能压力传感器的发展方向（1）向高智能高精度发展:随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也

23、在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产最也远远不能满足要求。（2）向高可靠性、宽温度范围发展:传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在一2070，在军用系统中要求工作温度在一 40OC 一 85OC 范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在一20OC1200C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很有前途。（3）向微型化发展:

24、各种控制仪器设备的功能越来越人，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积己经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。（4）高智能化：将压力传感器和单片机联系在一起，使其能够在实际应用中能更好地实现人机互换交流，增加仪器的数字化和智能化。1.41.4 本文研究的内容本文研究的内容研究开发一个智能压力传感器，要实现的主要目标是：1.系统地掌握单片机的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等

25、，进行设计任务和功能的描述。2.进行系统设计方案的论证和总体设计。3.从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计。4.进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调。第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计2.12.1 系统任务描述系统任务描述该系统的任务是能够测量出被测物的压力并能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。2.1.12.1.1 控制系统要求控制系统要求该控制系统要求满足以下几点要求：（1）被测介质：气体、液体及蒸气（2）量程：0Pa500pa（3）综合精度：0.25%FS（4）供电：24V Dc（1236VDC）（5

26、）介质温度：-20150（6）环境温度：-2085（7）当压力超过一定范围是可以报警（8）能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。2.1.22.1.2 主要仪器的比较选择主要仪器的比较选择1 1、压力传感器的选择、压力传感器的选择压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。而电阻应变式传感器具有悠

27、久的历史。由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量各种参数。2 2、放大器的选择、放大器的选择被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行 A/D 转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器，因为在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很

28、微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。3 3、A/DA/D 转换器的选择转换器的选择目前单片机在电子产品中已得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D 转换电路，但此类单片机会比无 A/D 转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多，我们采用一个普通的单片机加上一个 A/D 转换器，实现 A/D 转换的功能，这里 A/D 转换器可选 ADC0832、ADC0809 等；串行和并行接口模式是 A/D 转换器诸多分类中的一种，但却是应用中器件选择的一个重要指标。在同样的转换

29、分辨率及转换速度的前提下，不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影响。对A/D 转换器的选择我们通过比较 ADC0809 和 ADC0832 来决定。这两个转换器都是常见的 A/D 转换器，其中ADC0809 的并行接口 A/D 转换器，ADC0832 是串行接口A/D 转换器。我们所做的设计选择 ADC0832，A/D 转换在单片机接口中应用广泛,串行 A/D 转换器具有功耗低、性价比较高、芯片引脚少等特点。4 4、主控制器的选择、主控制器的选择单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。

30、它拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51 的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。2.1.32.1.3 总体方案的选择总体方案的选择经过上述总结，本设计采用 89C51 单片机作为控制芯片，采用电阻应变片压力传感器采集压力信号。通过压力传感器将采集的压力信号转换成与之对应的电信号，经过 ADC0832 放大处理，通过 89C51 在 LCD 屏幕上显示压力数据，在超过压力限制时由蜂鸣器报警。2.22.2 系统总体设计系统总体设计2.2.12.2.1 系统

31、组成系统组成压力传感器放大器显示单片机A/D 转换报警图图 2.12.1 智能压力传感器原理方框图智能压力传感器原理方框图2.2.22.2.2 基于单片机的智能压力检测的原理基于单片机的智能压力检测的原理本次设计是以单片机组成的压力测量，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经放大并经 A/D 转换为数字量后才能由计算机进行有效处理。然后用 LCD 进行显示。我们这次主要做的是 A/D 转换，单片机和显示，我们选用的 A/D 转换器是ADC0832，单片机为 AT89C51，显示为液晶显示 LCD。根据硬件电路编程

32、，调试出来并显示结果。第三章第三章压力传感系统硬件设计压力传感系统硬件设计3.13.1 压力传感器压力传感器3.1.13.1.1 金属应变片的工作原理金属应变片的工作原理应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻

33、值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是 A/D 转换和 CPU）显示或执行机构。其阻值随压力所产生的应变而变化。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。对于金属导体，一段圆截面的导线的金属丝,设其长为 L,截面积为 A（直径为 D）,原始电阻为 R，金属导体的电阻值可用下式表示：R=LA (3.1)式中：金属导体的电阻率（cm2/m）S导体的截面积（cm2）L导体的长度（m）当金属丝受到轴向力 F 而

34、被拉伸或压缩产生形变,其电阻值会随之变化,通过对（3.1）式两边取对数后再取全微分得:dRdLdAd（3.2）RLA式中dLdAdD为材料轴向线应变,且 2跟据材料力学,在金属丝单LAD向受力状态下,有dDdL(3.3)DL式中 为导体材料的泊松比。因此,有d(1 2)dLd(3.4)L试验发现,金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为d cdV(3.5)V式中,c 为常数(由一定的材料和加工方式决定)式(3.5)代入(3.4),且当 R=R 时,可得dVdLdA(1 2)将VLAR(1 2)c(1 2)K(3.6)R式中，k=(1+2)+c(1-2)为金属丝材料的应变灵敏系数。上式

35、表明,金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。电阻变化率 R/R 的表达式为：K=R/R/，式中 材料的泊松系数；应变量。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。3.1.23.1.2 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构电阻应变片主要由四部分组成。电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护

36、电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以连接测量导线。3.1.33.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变片可以将应变转换为电阻的变化，为了显示于记录应变的大小，还要将电阻的变化再转换为电压或电流的变化，因此需要有专用的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。3.1.43.1.4 电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图 3.1 所示。图 3.1 直流电桥设电桥的各臂的电阻分别为 R1R3R2R4它们可以全部或部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多，

37、因此可将电桥输出端看成开路，这种电桥成为电压输出桥，输出电压U0为 U0=R1R3 R2R4US（3.7）(R1 R2)(R3 R4)由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。平衡电桥的平衡条件为：R1R3=R2R4应变片工作时，其电阻变化 R，此时有不平衡电压输出。U0U R1（3.8）4 R1由式（3.8）表明：R R1时，电桥的输出电压于应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变活压应变时，输出电压为两者之差，若不同时，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。电桥供电电压 U 越高，输

38、出电压 U0越大，但是，当 U 大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。3.1.53.1.5 非线性误差及温度补偿非线性误差及温度补偿由式（3.8）的线性关系是在应变片的参数变化很小，R R1的情况下得出的，若应变片承受的压力太大，则上述假设不成立，电桥的输出电压应变之间成非线性关系。在在这种情况下，用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来非线性误差。为了消除非线性误差，在实际应用中，常采用半桥差动或全桥差动电路，如图 3.2 所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度。UU（a

39、a）半桥差动电路）半桥差动电路（b b）全桥差动电路全桥差动电路图图 3.23.2 差动电桥电路差动电桥电路图 3.2（a）为半桥差动电路，在传感器这中经常使用这种方法。粘贴应变片时，使两个应变片一个受压，一个受拉。应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻两臂。设电桥在初始时所示平衡的，且为等臂电桥，考虑到R=R1=R2则得半桥差动电路的输出电压为URU（3.9）2R由上式可见，半桥差动电路不仅可以消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度提高了一倍，同时还能起到温度补偿的作用。如果按图 3.2（b）所示构成全桥差动电路同样考虑到 R=R1=R2=R3=R4时得全桥差动电路的输出电压为UR

40、U（3.10）R可见，全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了 4 倍非线性误差也得到了消除，同时还具有温度补偿的作用，该电路也得到了广泛的应用。3.23.2 信号放大电路信号放大电路3.2.13.2.1 三运放放大电路三运放放大电路本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。它由三个集成运算放大器组成，如图 3.3 所示。反向输入端VIN1VIN2同向输入端3.33.3 三运放高共摸抑制比放大电路三运放高共摸抑制比放大电路其中 AR1 和 AR2 为两个性能一致(主要指输入阻抗，共模抑制比和增益)的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，AR3 构成双端

41、输入单端输出的输出级，用来进一步抑制AR1 和 AR2 的共模信号，并适应接地负载的需要。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在 RG 两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和 A2 的输出端）的差分电压呈现在 R5，RG 和 R6 这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变 RG 进行调整。如果 R5 R6，R1 R3 和 R2 R4，则 VOUT=(VIN2VIN1)(12R5/RG)（R2/R1）。由于 RG 两端的电压等于 VIN，所以流过 RG 的电流等于 VIN/RG，因此输入信号将通过 A1 和 A2 获得增益并得到放大。然而须注

42、意的是对加到放大器输入端的共模电压在 RG 两端具有相同的电位，从而不会在RG 上产生电流。由于没有电流流过 RG（也就无电流流过 R5 和 R6），放大器 AR1 和 AR2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按1（2 RF/RG）的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了1（2 RF/RG）倍。在理论上表明，得到所要求的前端增益（由 RG 来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率增益（差分输入电压）/（共模误差电压）将增大。因此 CMR 理论上直接与增益成比例增

43、加，这是一个非常有用的特性。最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。3.3 A/D3.3 A/D 转换器转换器模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称 A/D 转换器。本次设计的中 A/D 转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。3.3.1 A/D3.3.1 A/D 转换器的简介转换器的简介本次设计 A/D 转换器选用两通道输入的八位 ADC0832，它是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，

44、性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。有关引脚说明如下：CS 片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/-使用。

45、GND 芯片参考 0 电位（地）。DI 数据信号输入，选择通道控制。DO 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。它的结构示意图如图 3.4 所示。图图 3.4 ADC08323.4 ADC0832结构示意图结构示意图3.3.23.3.2 配置位说明配置位说明ADC0832 工作时，模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择，都取决于输入时序的配置位。当差输入时，要分配输入通道的极性，两个输入通道的任何一个通道都可作为正极或负极。ADC0832

46、的配置位逻辑表如表 3.1 所示。输入格式CH0差分LL单端HH配置位CH1LHLH选择通道号CH0+CH1表表 3.13.1ADC0832ADC0832 的配置位逻辑表的配置位逻辑表表中“+”表示输入通道的端点为正极性；“-”表示输入端点为负极性 H 或L 表示高、低电平。输入配置位时，高位（CH0）在前，低位（CH1）在后。3.3.33.3.3 工作时序图工作时序图当 CS 由高变低时，选中 ADC0832。在时钟的上升沿，DI 端的数据移入ADC0832 内部的多路地址移位寄存器。在第一个时钟期间,DI 为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转

47、换开始。转换开始后，经过一个时钟周期延接着在第一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。ADC0832 紧接着在第 4 个时钟下降沿输出转换数据。数据输出时先输出最高位（D7D0）输出完转换结果后，又以最低位开始重新遍数据（D7D0），两次发送的最低位共用。当片选 CS 为高时，内部所有寄存器清，输出变为高阻态。如果要再进行一次模 数转换，片选 必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。图图 3.5 ADC0833.5 ADC083 工作时序图工作时序图3.3.43.3.4 单片机对单片机对 ADC0832ADC0832 的控制原理的控制原理图图3.6 ADC08323.6 ADC0832与

48、单片机的接口电路与单片机的接口电路正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1

49、 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能。其功能项见表 3.2。MUX AddressMUX AddressSGL/SGL/DIFDIFODD/ODD/SIGNSIGNChannelChannel0 0+-1 1-+1 11 10 01 1表表3.2 ADC08323.2 ADC0832的功能表的功能表如表 3.2 所示，当此 2 位数据为“1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、“1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0”、“0”时，将CH0 作为正输入

50、端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0”、“1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用，此后 DO/DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据。直到第11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 DATD0。随后输出 8位数据，到第 19 个脉冲时数据输