基于LM331和單片機的壓力數(shù)據(jù)采集
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(dāng)4．5 V≤VS≤10 V時．電源電壓對增益的影響為0．1％V；當(dāng)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(dāng)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(dāng)使能端為高電平時，信號輸出端(引腳6)輸出低電平。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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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