基于LM331和單片機(jī)的壓力數(shù)據(jù)采集

l 引言
    A／D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。而對(duì)于長(zhǎng)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(diǎn)，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(jī)的接口只需一個(gè)I/O端口，輸入頻率信號(hào)，且接口簡(jiǎn)單，占用硬件資源少。以單片機(jī)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(shí)測(cè)量由傳感器檢測(cè)的壓力，并滿足系統(tǒng)測(cè)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(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器把傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)，采用光電耦合器將頻率信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器測(cè)量信號(hào)頻率，采用單片機(jī)強(qiáng)運(yùn)算功能，根據(jù)電壓與頻率的線性關(guān)系計(jì)算壓力值。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(hào)調(diào)理器、溫度補(bǔ)償器和壓力修正電路，特別適用于由單片機(jī)構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)。MPXV5004G壓力傳感器采用額定5 V供電電壓，最大測(cè)量壓差為3．92 kPa，最大耐受壓力為16 kPa，溫度補(bǔ)償范圍為一30℃～100℃。在工作溫度為10℃~60℃，壓力范圍為0~4 kPa時(shí)，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(shí)，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(hào)干擾；在信號(hào)輸出與地之間加去耦電容，濾除輸出信號(hào)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(diǎn)漂移，必須通過(guò)校正零點(diǎn)，修正輸出值，以使其輸出值在較長(zhǎng)工作時(shí)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(dāng)4．5 V≤VS≤10 V時(shí)．電源電壓對(duì)增益的影響為0．1％V；當(dāng)10 V≤VS≤40 V時(shí)，電源電壓對(duì)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(jī)的接口(光電耦合器6N137)
    在采用兩點(diǎn)以上接地的檢測(cè)或控制系統(tǒng)中，為了抑制地電位差形成的干擾，運(yùn)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(gè)電路問(wèn)加入一個(gè)光電耦合器，光電耦合器的線性范圍有限，用于數(shù)字信號(hào)傳輸。同時(shí)，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(jī)構(gòu)成的檢測(cè)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(jī)，增強(qiáng)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(jī)死機(jī)或程序跑飛，同時(shí)對(duì)單片機(jī)也起到電氣保護(hù)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(hào)輸入端，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，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(mén)，與門(mén)的另一輸入端(引腳7)為使能端，當(dāng)使能端為高電平時(shí)，信號(hào)輸出端(引腳6)輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，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(jī)AT89C51模塊
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需用單片機(jī)的一個(gè)中斷．一個(gè)定時(shí)器。一個(gè)計(jì)數(shù)器。這里選用AT89C51，其包含2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器和5個(gè)中斷。當(dāng)MCS-51內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器選定為定時(shí)模式時(shí)，計(jì)數(shù)輸入信號(hào)是內(nèi)部時(shí)鐘脈沖，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖使計(jì)數(shù)器加l；一個(gè)機(jī)器周期為外部時(shí)鐘振蕩頻率的1／12，采用12 MHz的晶體振蕩器，機(jī)器周期為1μs。當(dāng)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器被選定為計(jì)數(shù)模式時(shí)計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自外部輸入引腳P3．4(T0)或P3．5(T1)。輸入信號(hào)產(chǎn)生由1到O的負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。由于一次負(fù)跳變要用兩個(gè)機(jī)器周期，所以選用12MHz晶體振蕩器時(shí)，為確保電平在變化之前被采樣一次，外部計(jì)數(shù)輸入信號(hào)不能超過(guò)500 kHz。16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)值為65 535，在這里已滿足設(shè)計(jì)需要。系統(tǒng)設(shè)置AT89C51的T0為定時(shí)器，T1為計(jì)數(shù)器，當(dāng)單片機(jī)接收到中斷信號(hào)時(shí)，定時(shí)、計(jì)數(shù)同時(shí)開(kāi)始，定時(shí)結(jié)束，計(jì)數(shù)也隨之結(jié)束。再利用單片機(jī)的運(yùn)算功能將計(jì)數(shù)值除以定時(shí)值，就能得到所測(cè)信號(hào)的頻率。通過(guò)頻率與電壓，電壓與所測(cè)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(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil C51語(yǔ)言編寫(xiě)，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括測(cè)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(shí)器，基本定時(shí)時(shí)間為50 ms，Tl為計(jì)數(shù)器。IE=Ox8a，TMOD=Ox51。當(dāng)P3．2口為低電平時(shí)，狀態(tài)標(biāo)志位flag變?yōu)镺，開(kāi)始測(cè)量，利用中斷，每當(dāng)定時(shí)滿500 ms時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成測(cè)量，狀態(tài)標(biāo)志位flag變?yōu)?，讀取計(jì)數(shù)值，以計(jì)算頻率，并通過(guò)頻率求得壓力。當(dāng)P3．2口為高電平時(shí)，進(jìn)入依據(jù)測(cè)量所得壓力值而進(jìn)行的對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)象的控制階段。以下給出測(cè)量函數(shù)的程序代碼和T0中斷子程序：

   

   
5 結(jié)語(yǔ)
    該測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，如汽車(chē)電子控制、工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、安全防護(hù)以及家用電器等；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精確度高，性能穩(wěn)定，適合那些對(duì)測(cè)量精度要求準(zhǔn)確，并有一定抗干擾能力的場(chǎng)合。