壓力變送器是工程實(shí)踐中最為常用的一種檢測(cè)器件之一，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境中，包括智能建筑、工業(yè)控制、儀表檢測(cè)、航空航天、油氣管道等眾多領(lǐng)域。壓力變送器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上顯示壓力值，主要有電容式、擴(kuò)散硅式、陶瓷式、應(yīng)變式等。
    本文介紹了一種高精度量程可調(diào)的電阻應(yīng)變式無線壓力變送器。設(shè)計(jì)采用電阻應(yīng)變片作為壓力感應(yīng)元件，線性度好，重復(fù)性好；使用程控放大電路實(shí)現(xiàn)量程可調(diào)，實(shí)現(xiàn)寬量程壓力測(cè)量，提高測(cè)量精度；運(yùn)用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)中短距離無線傳輸，提高了使用安全性；上位機(jī)采用C++ Builder 6.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)編制，完善了遠(yuǎn)距離人機(jī)交互操作。
1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)組成如圖1所示。壓力變送器主要由信號(hào)采集模塊、信號(hào)放大模塊、控制模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊、上位機(jī)軟件模塊6部分組成。

    信號(hào)采集模塊感應(yīng)測(cè)量點(diǎn)壓力變化，將機(jī)械性變量轉(zhuǎn)化為電壓量；通過信號(hào)放大模塊將微小的電壓差放大到0~2.2 V之間輸入到單片機(jī)模擬信號(hào)輸入端；使用單片機(jī)內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到的當(dāng)前壓力值；設(shè)備安裝處液晶模塊顯示當(dāng)前壓力值；將通過藍(lán)牙模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C客戶端，用戶也可以通過上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2 模塊化設(shè)計(jì)
2.1 信號(hào)采集模塊
    信號(hào)采集模塊由電阻式應(yīng)變片組成。電阻應(yīng)變片由敏感器(電阻絲)、覆蓋層、基底、引線四部分組成。將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外施壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過惠斯通電橋電路(如圖2)及補(bǔ)償電路輸出電信號(hào)。

    其中，U1為電橋電路供電電源，取12 V；R1為應(yīng)變電阻(型號(hào)為BF350-3AA的康銅金屬箔電阻應(yīng)變片，初始阻值350 Ω，靈敏系數(shù)：2.0~2.20，精度等級(jí)：0.02級(jí)，應(yīng)變極限：2.0%，單片尺寸：7.1 mm×4.5 mm，溫度范圍：-30 ℃~+150 ℃，溫度自補(bǔ)償系數(shù)：16)；R2、R3、R4阻值均為350 Ω。應(yīng)變片受到壓力形變，電橋不平衡，在輸出端產(chǎn)生與壓力成一定正比關(guān)系的不平衡電壓U2。
2.2 信號(hào)放大模塊
　信號(hào)放大模塊采用程控放大電路，程控放大電路分為前置放大電路和電壓放大電路。
　集成運(yùn)算放大器選擇LM358，設(shè)計(jì)采用直流±15 V雙電源供電，SO-8貼片封裝。放大電路如圖3所示。

2.2.1 前置放大電路
    前置放大電路為差分放大電路，主要是將惠斯通電橋的不平衡電壓差進(jìn)行采集放大。其中R5、R6阻值為1 kΩ，R7、R8為反饋電阻， 分別有4個(gè)可選阻值：10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。
　    當(dāng)R5=R6，R7=R8時(shí)，差分放大倍數(shù)A1=R7/R5。通過繼電器進(jìn)行R7、R8阻值的同步選擇,實(shí)現(xiàn)4個(gè)檔位10、50、100、500的倍數(shù)放大。C1減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。R9、C2用來濾除LM358的斬波尖峰噪聲。
2.2.2 電壓放大電路
       電壓放大電路為比例放大電路，主要是將電壓值進(jìn)行二次放大，實(shí)現(xiàn)多量程寬量程的靈活選擇。其中R10、R11阻值為1 kΩ，R12為反饋電阻，R12、R13分別有四個(gè)可選阻值1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ、10 kΩ。R11//R13組成平衡電阻，滿足R10//R12=R11//R13，平衡電阻使得集成運(yùn)放的兩輸入端對(duì)地直流電阻相等，從而保證偏置電流不會(huì)產(chǎn)生附加的失調(diào)電壓。
     比例放大倍數(shù)A2為：A2=R12/R10。通過繼電器進(jìn)行R12、R13阻值的同步選擇，實(shí)現(xiàn)1、2、4、10的倍數(shù)放大和平衡輸入電阻。C3減小系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。R14取10 Ω，C4取0.01μF，R14和C4組成輸出RC濾波電路。D4、D5為鉗位保護(hù)電阻， 使得輸出電壓值箝位在0~3.3 V之間，保護(hù)芯片不受損壞。
       信號(hào)放大模塊共有11個(gè)檔位，放大倍數(shù)分別為：10、20、40、50、100、200、400、500、1 000、2 000、5 000。單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程選擇與切換，盡量將所測(cè)量值位于當(dāng)前量程的中間1/3的數(shù)值范圍內(nèi)，提高分辨率和測(cè)量精度。
2.3 控制模塊
    單片機(jī)選擇C8051F040,具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)集成了CAN2.0B控制器;具有12位、100 kS/s的ADC；帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；64 KB的Flash存儲(chǔ)器，5個(gè)通用定時(shí)器；具備SPI、SMBus/I2C及兩個(gè)UART。資源豐富，性能穩(wěn)定，滿足應(yīng)用。
    經(jīng)過信號(hào)放大后得到0~2.2 V的模擬電壓信號(hào)，輸入到單片機(jī)的模擬輸入端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的2.2 V基準(zhǔn)源。
2.3.1 數(shù)字濾波[2]
　為了減少測(cè)量過程中的干擾信號(hào)，除了在硬件上選擇高性能的集成運(yùn)放和精密的電子器件以及隔離措施之外，在軟件上采用限幅濾波法和去極值均值濾波法。
 
    其中A為程控放大電路的總倍數(shù)，A=A1×A2，A1為前置放大電路的放大倍數(shù)，A2為電壓放大電路的放大倍數(shù)。單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇合適的檔位，以此提高測(cè)量的精度。根據(jù)設(shè)置的不同設(shè)置矯正點(diǎn)，帶入式(3)得出實(shí)際的壓力值P。
2.4 液晶顯示模塊
      液晶顯示模塊選用LCD1602，工業(yè)字符點(diǎn)陣型液晶，能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符(16列2行)。該器件比較常用，基于篇幅，在此不贅述。
2.5 藍(lán)牙通信模塊
　貼片式藍(lán)牙通信模塊支持BlueTooth V1.2藍(lán)牙協(xié)議，工作電壓為2.7 V~3.3 V，工作電流為6~120 mA，通信距離可達(dá)100 m。
    藍(lán)牙模塊預(yù)裝SPP01串口通信固件，可以通過串口AT指令方式進(jìn)行參數(shù)配置，使藍(lán)牙模塊工作于從模塊、主模式或配置兩個(gè)藍(lán)牙模塊成一對(duì)一透明串口模式。本次配置為透明串口模式，串口波特率115 200 b/s、數(shù)據(jù)位8、停止位1、奇偶校驗(yàn)位N、流控制N。
    在實(shí)際測(cè)試中，通信距離實(shí)際可以達(dá)到110 m。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之前通過RS232接口進(jìn)行連接，在PC用戶端只需USB藍(lán)牙適配器即可接受來自遠(yuǎn)程端的監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信與控制。
2.6 上位機(jī)軟件模塊
    上位機(jī)應(yīng)用軟件界面如圖4所示。通過C++ Builder 6.0編制的上位機(jī)軟件，包括串口設(shè)置、倍數(shù)選擇(手動(dòng)/自動(dòng)模式可選)、壓力上下限報(bào)警設(shè)置、顯示當(dāng)前壓力值等參數(shù)。握手按鈕，是用來確定上位機(jī)軟件與下位機(jī)的單片機(jī)設(shè)備通信狀態(tài)是否正常。界面最底端實(shí)時(shí)顯示串口以及監(jiān)測(cè)的運(yùn)行狀態(tài)，方便用戶及時(shí)獲取重要信息及提示。整個(gè)應(yīng)用軟件內(nèi)容詳實(shí)，簡(jiǎn)潔明了，極大地方便了用戶使用。

3 誤差分析與矯正
    在實(shí)際的電橋電路應(yīng)用中，必然存在著由于溫度漂移、接線電阻、零點(diǎn)漂移以及元器件本身的非線性度等帶來的誤差。
    為了盡量減小和消除誤差，盡量選用應(yīng)變線性度好、重復(fù)性好、回差小、蠕變小的應(yīng)變片。同時(shí)應(yīng)變片的貼粘方位不準(zhǔn)確是造成應(yīng)變測(cè)量誤差的重要原因。
3.1 溫度補(bǔ)償
    應(yīng)變片電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化，另外試件之間熱膨脹系數(shù)的不同，也會(huì)造成應(yīng)變片阻值的變化，需要對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以此減小誤差，提高精度。常用溫度補(bǔ)償法有：熱敏電阻補(bǔ)償法、串入溫度補(bǔ)償片法。本文采用在電橋的適當(dāng)橋臂串入溫度補(bǔ)償片，其阻值的計(jì)算方法為：

    盡管如此補(bǔ)償，單純通過硬件也很難完全克服零位誤差。本設(shè)計(jì)加入軟件輔助矯正，在系統(tǒng)初始化后，對(duì)微小的初始測(cè)量值進(jìn)行記憶，在正式運(yùn)行監(jiān)測(cè)中自動(dòng)減去初始非零值，進(jìn)行了軟件的清零矯正，保證輸出零位。
4 軟件程序設(shè)計(jì)
    軟件的設(shè)計(jì)主要在于量程的選擇和補(bǔ)償矯正算法的實(shí)現(xiàn)。程序流程圖如圖5所示。量程的選擇以A/D轉(zhuǎn)換(包含了溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償和非線性矯正程序)測(cè)量值N為判斷對(duì)象，當(dāng)4 095/3＜N＜(4 095×2)/3 時(shí)，視為有效量程。當(dāng)量程選擇方式設(shè)置為自動(dòng)擋，由量程優(yōu)化處理程序?qū)⒘砍炭s至為最優(yōu)量程范圍內(nèi)，當(dāng)量程超出時(shí)進(jìn)行報(bào)警同時(shí)在上位機(jī)軟件界面中給出提示。當(dāng)選擇為手動(dòng)擋，超出量程給出報(bào)警提示，不進(jìn)行自動(dòng)量程調(diào)整。程序代碼較為復(fù)雜冗長(zhǎng)，在此不再詳述。

    在分析壓力變送器原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種量程可調(diào)的高精度電阻應(yīng)變式壓力變送器。設(shè)計(jì)點(diǎn)考慮全面，實(shí)際方案可行，經(jīng)過多次實(shí)測(cè)證明，量程范圍跨度可達(dá)到0~40 MPa，由于量程可調(diào)，測(cè)量精度基本可以穩(wěn)定保持在±0.3%FS~±0.5%FS，按照如上方案改進(jìn)后的線性度比未改進(jìn)前的±0.4%FS提高到±0.1%FS，溫度漂移從±0.8%FS提高到±0.4%FS，零位漂移從±1.5%FS提高到±0.3%FS。該壓力變送器測(cè)量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。另外，使用無線藍(lán)牙通信方式，抗干擾能力強(qiáng)，便捷安全，上位機(jī)軟件的人機(jī)界面，使得遠(yuǎn)程控制更靈活。整體設(shè)計(jì)思路新穎，用于實(shí)際工程應(yīng)用中效果良好。
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