在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域中，都必須進(jìn)行相關(guān)的壓力檢測與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測量壓力值并把它由非電量轉(zhuǎn)變成電量這一過程中，要求精度非常高，本文介紹了一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，在高性能單片機(jī)AT89S52的控制下，放大調(diào)理后的模擬電量通過高精度、高性能芯片ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)采集精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，使用壽命長。系統(tǒng)采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。PLD技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)省了硬件電路的開銷。
一、系統(tǒng)的硬件組成及工作原理
高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)被放大調(diào)理后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，經(jīng)過標(biāo)定、運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚恚谝壕э@示模塊上顯示出來，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換，鍵盤提供人機(jī)交互的手段。
1、壓力數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理電路
壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電流/電壓的器件，可用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多，其中硅半導(dǎo)體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴(kuò)散或離子注入法形成四個(gè)阻值相等的電阻條，并將它們接成一個(gè)惠斯登電橋。當(dāng)沒有外加壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零。當(dāng)有外加壓力時(shí)，電橋失去平衡而產(chǎn)生輸出電壓，該電壓大小與壓力有關(guān)，通過檢測電壓，即可得到相應(yīng)的壓力值。但這種傳感器由于四個(gè)橋臂電阻不完全匹配而引起測量誤差，零點(diǎn)偏移較大，不易調(diào)整。
Motorola公司生產(chǎn)的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點(diǎn)。如圖2所示，與惠斯登電橋不同，Motorola專利技術(shù)采用單個(gè)X型電阻元件，而不是電橋結(jié)構(gòu)，其壓敏電阻元件呈X型，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計(jì)算機(jī)控制的激光修正技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)，使Motorola硅MPX系列壓力傳感器的精度很高，其模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長期重復(fù)性好。此系列中的MPX2100DP壓力傳感器是一種高精度硅壓式壓力傳感器，本系統(tǒng)采用MPX2100DP作為壓力傳感器，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求，它具有如下特點(diǎn)：
①由于采用激光微調(diào)技術(shù)，使電橋零漂輸出很小，一般小于±1mV;
②傳感器靈敏度較高，為40mV±1.5mV;
③傳感器由熱敏電阻組成溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在-40℃"+125℃范圍內(nèi)有較好的溫度補(bǔ)償效果，從而提高了傳感器的精度;
④具有極好的線性度(±0.25%F.S);
⑤有較寬的工作溫度范圍(-40℃"+125℃);
⑥允許過載大(400%)。
(2)信號(hào)調(diào)理電路
電路圖如圖3所示(圖中只以一路傳感器輸出信號(hào)為例，未畫出多路開關(guān)CD4051)。
信號(hào)經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100DP變?yōu)殡娦盘?hào)，通過CMOS型8選1多路開關(guān)CD4051選擇之后，再送入放大電路，進(jìn)行調(diào)理后輸出到A/D模塊ICL7135進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。MPX2100DP的供電電壓取為8V，它的滿量程輸出x由下式確定：
x=40mV×8V/10V=32mV(1)
對(duì)于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?
放大器采用MC33274四運(yùn)算放大器，它組成一個(gè)儀表放大電路，具有高差模增益和高共模抑制比，輸入阻抗高，可調(diào)節(jié)偏置電路。差模放大主要由U1A完成，U1B為電壓跟隨器，用來防止運(yùn)放的反饋電流流入傳感器的負(fù)端。零壓力時(shí)，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設(shè)2端和4端的共模電壓各為4V(傳感器電源電壓的一半)，則U1A的端電壓也是4V，該電壓經(jīng)U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R4和RP1引入。R7值的選擇從13端看過去的阻抗約為1kW，放大器的增益為：
(2)
選擇125的增益使傳感器滿量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032=4V(為電源電壓的一半)。
