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1、附件2：智能压力表设计与制作专业测控技术与仪器课程名称智能仪器仪表教学任务智能压力表设计与制作地点测控实验室301教学对象测控专业1441组员韩庆张慧男陈利峰一、设计要求内容：智能压力表设计与制作。（拓展部分：键盘输入电路）要求：1、运用单片机设计 台智能压力表电路原理图，测量介质为气体，传感器为 一体化压力变送器，压力表性能指标如下：（1）测量范围：0200kpa（2）测量精度：1% FS（3）显示方式：4位数码管（LED）数字显示（4）报警方式:上限和下限光闪烁报警（5）压力变送器:输入0-200kpa，变送输出1-5V。2、每组制作一台智能压力表，并测试性能指标。二、工作原理1 压阻式传
2、感器压力测量原理压力传感器可以把压力信号转换成可测量的电信号，特点是精度高、线性一致、重 复性好。将压力的变化转换成电阻变化的传感器被称为压阻式压力传感器，当需要 进行高精度测量时，通常采用此种传感器，其内部电路结构如图1所示。1）图1压阻式压力传感器电路结构图由上图可以看出，传感器内部是电阻电桥式结构，压敏电阻为一桥臂，还有R11、R12、R213个精密电阻，其中R11=R12二R。当将压力作用于压敏电阻时，相应的Rp 阻值增大。于是精密电流源I即流入电桥电路。输出电压与压敏电阻Rp的关系如 下式所示：U= R R 21-Rp RR IR21+Rp+2R压力输入为大气压时，即R21=RP时，
3、UOmV。 建议的输入电流为I1.5mA，通过对3个精密电阻的选择，达到满压力输入时电 压输出归一化的目标，当为满量程压力输入时，输出电压达到100 mV。2智能数字压力表总体设计仪表的结构原理如图2所示。(1) 压力模块包括压阻式压力传感器、A/D、单片机、电源管理电路、恒流源、温度补偿电路 几部分。在传感器允许压力范围内，输出电压和压力成线性关系，即VOUT=aPIN+b。 输出的电压和温度补偿电压经过A/D和单片机数字处理为P =a，V， +b之 后，将结果P发送OUT到主机上。(2) 主机主机根据接收的数据将压力值显示出来，并能校准压力模块。主机有电源管理电 路和精密电测电路，显示被测
4、电量并和微机通讯，最终实现自动测量。三、智能压力表详细设计1智能压力模块设计压力模块的原理框图如图3所示。图3压力模块的原理梅图压力模块的主要部分包括模块的电源管理、传感器的数据采集、传感器的自动温 度补偿以及中央处理器。电源管理部分主要负责把主机供电电源+5 V转换为A/D 模块和温度补偿器件所要求的高精度、高稳定度的+5 V、-5 V电源；在高品质的 电源管理保证下，通过A/D模块双输入通道实现传感器数据的采集过程、压力传感 器的自动温度补偿过程，最终由中央处理器进行数据的处理及与主机的通讯OA/D模 块的第一输入通道作为主通道，通常用于电信号的转换；作为辅助通道，第二通道 则用于监测环境
5、温度，利用微控制器可以修正压力传感器信号的温度漂移。（2）压力信号采集模块采用AD公司的高精度双通道模/数转换器AD7710。此种转换器为双通道、24 bit、采用工-原理的电荷平衡式模/数转换器，运用了工-过采样转换的技术来 实现24位无误码模拟信号的调制过程。由模拟调制器及数字滤波器2部分构成， 能通过控制寄存器命令的操作，完成数字滤波器截止频率及设置时间的调整；从控 制调制器进行增益、通道、信号极性输入，通过芯片内部的自动校准方式（系统校 准、自校准、背景校准），能使温度漂移、零点、满程误差消除；还能通过内、外时 钟同步连接的工业标准串行口和微处理器完成连接。转换器能在电荷平衡的过程中，
6、 消除基带频率中高速传输所形成的高频带量化噪声。而在低频测量的应用当中，该 种转换器是作为一个功能完整的高分辨率ADC器件，从原理来说适于作为直流小电 压信号放大的转换器件。(3) 压力信号采集温度补偿压阻式传感器内部为电桥式结构，因此传感器输出的电信号随着温度变化有所漂 移，需对压力传感器输出信号进行温度自动补偿，以保证压力计量结果的准确性。 在此采用的温度传感器为美国AD公司生产的AD590,用于完成将环境温度变化转 换为电信号变化的过程。该种传感器测温精度高且范围广，要求的外围器件少，因 此适合应用于压力模块，其温度系数为1卩A/K，即当T=25 =298.2 K时，1=298.2 卩
7、A；当 T=50 =323.2 K 时，则 1=323.2 卩 A。(4) 电源管理为保证主机通讯的可靠性，压力模块与校验仪连接线内所传输的信号应该越少越 好。在此采用6芯有屏蔽层的电缆传输线，传输的信号分为DC+5V、GND1； DC+24 V、RXD、GND2； TXD几种；其中，DC+24 V为模块内的恒流源工作电源，而DC+5 V 为模块其他各个芯片工作电源，RXD、TXD则作为模块和主机通讯数字信号。转换器 AD7710和AD590要求的是高精度直流+5 V、-5 V电源，模块和主机连接线进行 传输的+5 V电源难以满足要求，必须通过芯片MAX660、REF02、OPO7、ICL76
8、60 转换出AD7710和AD590所需电源，从而保证压力计量结果的准确性。(5) 中央控制模块压力模块使用的微控制器是20管脚的AT89C4051。该控制器内部由4 K字节 EEPROM、128 bitRAM和1个比较器组成，具有I2C总线方式的管脚数是13个， 具有全双工通讯接口。无论从体积还是性能来讲，AT89C4051都十分适用于压力模 块，其与主机的数字通讯有较强的抗干扰能力，能使压力计量更精确。(6) 智能主机设计主机有6个主要功能：1、接收数据，显示压力数值，校准压力模块；2、交直流 供电电源的管理，防止出现电池的过放和过充；3、直流电压、电流信号的精密测量; 4、直流精密电压源24 V输出；5、显示控制和键盘控制；6、进行与压力模块、微 机的数字通讯。主机包括了电源管理电路、与压力模块、微机进行数字通讯的电路、 24 V电压源输出电路、直流电压电流测量电路和中央控制电路等，如图4所示。四、总结本文给出了智能数字压力表的设计方案。该设计采用压阻式压力传感器，总体 上分为压力模块和主机2部分。前者具体说包括压力信号的采集、温度补偿的处理、 电源管理、中央控制模块几部分的设计，后者中最重要的则是电源管理电路和与压 力模块、微机间数字通讯的设计。
