《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于LM331和單片機的壓力數(shù)據(jù)采集
電子發(fā)燒友
摘要: 1引言A/D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于單片機控制數(shù)據(jù)采集的模擬信號轉(zhuǎn)換。而對于長距離數(shù)據(jù)傳輸,高精確度應(yīng)用,使用一般A/D轉(zhuǎn)換器則存在諸多缺點,可使用V/F轉(zhuǎn)換器代替A/D轉(zhuǎn)換器。V/F轉(zhuǎn)換器與單片機的接口只需一個I/O端口,輸入頻率信號,且接口簡單,占用硬件資源少。以單片機和V/F轉(zhuǎn)換器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),能夠?qū)崟r測量由傳感器檢測的壓力,并滿足系統(tǒng)測量精度要求。2系統(tǒng)基本原理結(jié)構(gòu)壓力傳感器將被測壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號,通過V/F轉(zhuǎn)換器把傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的頻率信號,采用光電耦合器將頻率信號傳輸?shù)絾纹瑱C,利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器測量信號頻率,采用單片機強運算功能,根據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系計算壓力值。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1壓力傳感器MPXV50014G模塊集成硅壓力傳感器MPXV5004G內(nèi)部除傳感單元外,還包含信號調(diào)理器、溫度補償器和壓力修正電路,特別適用于由單片機構(gòu)成的檢測系統(tǒng)。MPXV5004G壓力傳感器采用額定5V供電電壓,最大測量壓差為3.92kPa,最大耐受壓力為16kPa,溫度補償范圍為一30℃~100℃。在工作溫度為10℃~60℃,壓力范圍為0~4kPa時,該壓力傳感器具有
Abstract:
Key words :

1 引言
   
A/D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于單片機控制數(shù)據(jù)采集的模擬信號轉(zhuǎn)換。而對于長距離數(shù)據(jù)傳輸,高精確度應(yīng)用,使用一般A/D轉(zhuǎn)換器則存在諸多缺點,可使用V/F轉(zhuǎn)換器代替A/D轉(zhuǎn)換器。V/F轉(zhuǎn)換器與單片機的接口只需一個I/O端口,輸入頻率信號,且接口簡單,占用硬件資源少。以單片機和V/F轉(zhuǎn)換器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),能夠?qū)崟r測量由傳感器檢測的壓力,并滿足系統(tǒng)測量精度要求。

2 系統(tǒng)基本原理結(jié)構(gòu)
   
壓力傳感器將被測壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號,通過V/F轉(zhuǎn)換器把傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的頻率信號,采用光電耦合器將頻率信號傳輸?shù)絾纹瑱C,利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器測量信號頻率,采用單片機強運算功能,根據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系計算壓力值。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
 


3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 壓力傳感器MPXV50014G模塊
   
集成硅壓力傳感器MPXV5004G內(nèi)部除傳感單元外,還包含信號調(diào)理器、溫度補償器和壓力修正電路,特別適用于由單片機構(gòu)成的檢測系統(tǒng)。MPXV5004G壓力傳感器采用額定5 V供電電壓,最大測量壓差為3.92 kPa,最大耐受壓力為16 kPa,溫度補償范圍為一30℃~100℃。在工作溫度為10℃~60℃,壓力范圍為0~4 kPa時,該壓力傳感器具有良好的線性,輸出關(guān)系:


   
式中:VOUT是輸出電壓,VS是工作電壓,P是壓力值,誤差為0.045 V。
   
使用該傳感器時,要在供電與地之間加去耦電容,濾除器件本身產(chǎn)生和電源所含的高頻信號干擾;在信號輸出與地之間加去耦電容,濾除輸出信號的噪聲成分。圖2為去耦電容配置。
 



應(yīng)用中,考慮到壓力傳感器因溫度變化或器件老化等導(dǎo)致的零點漂移,必須通過校正零點,修正輸出值,以使其輸出值在較長工作時間內(nèi)都能保持足夠的正確性和精確度。

3.2 V/F轉(zhuǎn)換器LM331模塊
   
LM331是通用型V/F轉(zhuǎn)換器,頻率范圍為1~100 kHz,最大非線性誤差為0.01%,最大溫漂為50 ppm/℃,電源范圍為4~40 V,輸入電壓范圍為一2.O V~VS。當4.5 V≤VS≤10 V時.電源電壓對增益的影響為0.1%V;當10 V≤VS≤40 V時,電源電壓對增益的影響為0.06%V。LM331的V/F轉(zhuǎn)換外部電路,如圖3所示。
 



圖3中,輸出頻率fout=KVIN,其中K=Rs/(2.09RtCtRL)。選用典型值Rt=6.8 kΩ,RL=100 kΩ,Ct=0.0lμF。系統(tǒng)中,取K=1000,故Rs=14.212 kΩ。電路中Rs用一只12 kΩ的固定電阻和一只5 kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)組成,用于調(diào)整LM33l的增益偏差和RL,Rt,Ct所引起的偏差。CIN為濾波電容,一般取在0.01~0.1μF,在濾波效果較好的情況下,CIN采用lμF的電容。為了提高精度及穩(wěn)定性,以上阻容元件選用低溫度系數(shù)的器件,最好是金屬膜電阻和聚苯乙烯或聚丙稀電容器。

3.3  V/F轉(zhuǎn)換器和單片機的接口(光電耦合器6N137)
   
在采用兩點以上接地的檢測或控制系統(tǒng)中,為了抑制地電位差形成的干擾,運用隔離技術(shù)切斷環(huán)路電流是非常有效的方法。從原理上,隔離技術(shù)可分為電磁隔離和光電隔離。光電隔離是在兩個電路問加入一個光電耦合器,光電耦合器的線性范圍有限,用于數(shù)字信號傳輸。同時,光電耦合器的體積小,轉(zhuǎn)換速度快,因而廣泛應(yīng)用于由微機構(gòu)成的檢測或控制系統(tǒng)。采用光電耦合器隔離V/F轉(zhuǎn)換器與單片機,增強系統(tǒng)的抗于擾能力,防止因外部環(huán)境惡劣而導(dǎo)致的單片機死機或程序跑飛,同時對單片機也起到電氣保護作用。這里選用TOSHIBA的6N137型光電耦合器。圖4為6N137的典型應(yīng)用電路。
 



6N137的引腳2為信號輸入端,當輸入信號為高電平時,發(fā)光二極管發(fā)光,反向偏置的光敏管光照后被導(dǎo)通,經(jīng)電流一電壓轉(zhuǎn)換送到與門,與門的另一輸入端(引腳7)為使能端,當使能端為高電平時,信號輸出端(引腳6)輸出低電平。當輸入信號為低電平時,輸出為高電平。Vcc(引腳8)和地(引腳5)之間必須接一只O.1μF高頻特性良好的電容,且應(yīng)盡量靠近引腳8和引腳5放置。發(fā)光二極管正向壓降1.2~1.7 V,正向電流6.5~15 mA,所以在引腳3和地之間必須加470Ω限流電阻。

3.4 單片機AT89C51模塊
   
該系統(tǒng)設(shè)計需用單片機的一個中斷.一個定時器。一個計數(shù)器。這里選用AT89C51,其包含2個16位定時/計數(shù)器和5個中斷。當MCS-51內(nèi)部的定時/計數(shù)器選定為定時模式時,計數(shù)輸入信號是內(nèi)部時鐘脈沖,每個機器周期產(chǎn)生一個脈沖使計數(shù)器加l;一個機器周期為外部時鐘振蕩頻率的1/12,采用12 MHz的晶體振蕩器,機器周期為1μs。當內(nèi)部定時/計數(shù)器被選定為計數(shù)模式時計數(shù)脈沖來自外部輸入引腳P3.4(T0)或P3.5(T1)。輸入信號產(chǎn)生由1到O的負跳變時,計數(shù)器加1。由于一次負跳變要用兩個機器周期,所以選用12MHz晶體振蕩器時,為確保電平在變化之前被采樣一次,外部計數(shù)輸入信號不能超過500 kHz。16位定時/計數(shù)器的最高計數(shù)值為65 535,在這里已滿足設(shè)計需要。系統(tǒng)設(shè)置AT89C51的T0為定時器,T1為計數(shù)器,當單片機接收到中斷信號時,定時、計數(shù)同時開始,定時結(jié)束,計數(shù)也隨之結(jié)束。再利用單片機的運算功能將計數(shù)值除以定時值,就能得到所測信號的頻率。通過頻率與電壓,電壓與所測壓力的線性關(guān)系,即可得到相應(yīng)的壓力值。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
   
系統(tǒng)軟件設(shè)計采用Keil C51語言編寫,應(yīng)用模塊化設(shè)計,主要包括測量函數(shù),中斷子程序,控制函數(shù)。主程序流程圖如圖5所示。



設(shè)定TO為定時器,基本定時時間為50 ms,Tl為計數(shù)器。IE=Ox8a,TMOD=Ox51。當P3.2口為低電平時,狀態(tài)標志位flag變?yōu)镺,開始測量,利用中斷,每當定時滿500 ms時,計數(shù)器停止計數(shù),完成測量,狀態(tài)標志位flag變?yōu)?,讀取計數(shù)值,以計算頻率,并通過頻率求得壓力。當P3.2口為高電平時,進入依據(jù)測量所得壓力值而進行的對傳感器監(jiān)測對象的控制階段。以下給出測量函數(shù)的程序代碼和T0中斷子程序:
 

 


5 結(jié)語
   
該測量系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用廣泛,如汽車電子控制、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、安全防護以及家用電器等;結(jié)構(gòu)簡單,精確度高,性能穩(wěn)定,適合那些對測量精度要求準確,并有一定抗干擾能力的場合。

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