摘要：文中研究了傳感器的理論問題，同時(shí)探索并研究了傳感器在測(cè)量方面的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出了一種精度高且集成度相對(duì)較高的基于電容傳感器智能壓力變送器測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案。文中詳細(xì)介紹了電容式智能壓力變送器硬件電路的設(shè)計(jì)問題，并描述了軟件方面的實(shí)現(xiàn)問題，在此過程中，對(duì)遇到的問題及難題給出了相應(yīng)的解決方案。
引言
相比于國(guó)際先金的傳感器技術(shù)，雖然國(guó)內(nèi)傳感器的制造水平與之還有一定差距，但近幾年也有所提高。近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在逐漸成熟，智能變送器不僅擁有傳統(tǒng)智能變送器數(shù)據(jù)采集、變送、通訊、自診斷等功能，同時(shí)也在向多功能化集成和無線遠(yuǎn)程通訊方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)和支持。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是在傳感技術(shù)中的應(yīng)用將促使傳感技術(shù)產(chǎn)生飛躍，而智能壓力變送器的出現(xiàn)就是它們結(jié)合的結(jié)果[1]。
1、智能壓力變送器的定義及其測(cè)量電路設(shè)計(jì)原理
智能壓力變送器在保證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性的前提下，壓力傳感器通過信號(hào)調(diào)理電路與微控制器結(jié)合，在兼有信息處理、信息記憶、故障診斷、數(shù)字總線通訊等功能的同時(shí)，能提高壓力變送器精度。智能壓力變送器的高精度和智能化主要通過對(duì)微控制器的編程來實(shí)現(xiàn)，即智能壓力變送器是硬件和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物[2]。
電容式智能壓力變送器測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)主要包括微控制器ATmega16和ATmega16外圍電路部分。本文使用的微控制器ATmega16片內(nèi)集成了實(shí)現(xiàn)智能壓力變送器系統(tǒng)所需的大部分硬件，是一種完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)，因此簡(jiǎn)化了整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)。
測(cè)量電路的主要組成部分有信號(hào)采集電路，單片機(jī)和電流輸出電路。壓力傳感器的電阻輸出電壓存在對(duì)溫度和電源電壓的交叉靈敏度，即不僅決定于輸入的壓力（差），還與傳感器的工作環(huán)境溫度和電源電壓有關(guān)[3]。測(cè)量電路的核心是ATmega16單片機(jī)，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)后，再把它送到片內(nèi)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行放大并濾波調(diào)理，輸入至ATmega16片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)相應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出4~20mA電流信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)的程序處理，#終將結(jié)果顯示在液晶屏上，實(shí)現(xiàn)電流、電壓的輸出。
2系統(tǒng)方案硬件設(shè)計(jì)
本文提出了一種智能壓力變送器的設(shè)計(jì)方案，其主要特點(diǎn)是集成度高且精度高。電容智能壓力變送器系統(tǒng)主要包括以下三部分：
（1）壓力傳感器的設(shè)計(jì)；
（2）微控制器及其外圍電路的設(shè)計(jì)；
（3）軟件算法的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖１所示。
從圖1可以看到，該系統(tǒng)主要由壓力采集模塊，溫度采集模塊，電源模塊，微控制器模塊和液晶顯示模塊組成。智能壓力變送器系統(tǒng)的控制核心是微控制器模塊，主要運(yùn)行軟件算法并實(shí)現(xiàn)智能管理，它由微控制器ATmega16實(shí)現(xiàn)，包括D/A轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換等。壓力采集模塊的主要作用是壓力傳感器輸出的調(diào)制信號(hào)采集和產(chǎn)生壓力傳感器工作所需的交流激勵(lì)電源。
本設(shè)計(jì)大致由四個(gè)部分構(gòu)成，電容式智能壓力變送器測(cè)量電路如圖２所示。
NE555部分通過改變電容值，在NE555的3腳輸出一個(gè)頻率信號(hào)，通過單片機(jī)外部中斷INT0讀取頻率信號(hào)的頻率，在單片機(jī)內(nèi)部通過定時(shí)計(jì)數(shù)器2轉(zhuǎn)換成PWM波形，經(jīng)PD4輸出后傳入AD694模塊的輸入。測(cè)量AD694輸出部分從而讀取電壓值顯示在液晶顯示器上。相應(yīng)的實(shí)物圖如３所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的主程序是監(jiān)控程序，在程序運(yùn)行時(shí)需要考慮初始化問題。因此需要考慮中斷程序初始化，定時(shí)器初始化及各控制端口的初始化。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用ATmega16作為核心處理器件。上電時(shí)shou先通過PB2、PB3檢測(cè)系統(tǒng)電壓是否異常，若異常則發(fā)出警報(bào)信號(hào)。在電壓正常情況下，其工作流程如圖5所示。
4結(jié)語
本設(shè)計(jì)基于ATmega16單片機(jī)壓力檢測(cè)系統(tǒng)，通過12864液晶實(shí)時(shí)顯示，測(cè)量電路以ATmega16單片機(jī)為核心，高精度儀表放大器放大壓力傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)后，再經(jīng)片內(nèi)信號(hào)調(diào)理單元放大并進(jìn)行濾波處理，輸入至ATmega16片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)相應(yīng)通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出4~20mA的電流信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)程序處理，將#終結(jié)果顯示在液晶屏上，實(shí)現(xiàn)電流、電壓的輸出，通過壓力傳感器的變化反應(yīng)到相應(yīng)顯示波形的改變，從而完成電容傳感器智能壓力變送器測(cè)量電路的研究。
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