壓力變送器的原理及應(yīng)用(壓力變送器作用)
大氣壓強(qiáng)變送器采用STM32作為核心處理器,利用傳感器輸出的信號作為輸入,用運(yùn)算放大器LM321放大經(jīng)STM32 D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號,并利用XTR111 V/I轉(zhuǎn)換芯片輸出4-20毫安電流信號。
大氣壓強(qiáng)變送器主要由單片機(jī)、運(yùn)算放大器、V/I轉(zhuǎn)換芯片和傳感器組合而成,其具有補(bǔ)償性好、測量精確度高、通信簡單、調(diào)試方便的特點(diǎn),并且還有數(shù)據(jù)處理和控制的功能。目前其主要應(yīng)用在有氣壓要求的實(shí)驗(yàn)室、氣象天氣預(yù)報(bào)的監(jiān)測、消防實(shí)驗(yàn)用的室內(nèi)氣壓力測試等領(lǐng)域。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,尤其是電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,將變送器的發(fā)展引入了新的領(lǐng)域,目前,國內(nèi)外變送器發(fā)展的特點(diǎn)是集成化、無線化、智能化、小型化。它使用了很多高新技術(shù),如微電子數(shù)字處理技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)等,相對于傳統(tǒng)的變送器來說,現(xiàn)代的變送器具有量程比較大、可靠性較高、精度較高、穩(wěn)定性較好、采集區(qū)間較寬等等這些特點(diǎn)。
本文主要介紹基于STM32的大氣壓強(qiáng)變送器的設(shè)計(jì),主要包括硬件電路以及單片機(jī)采集大氣壓強(qiáng)傳感器值的程序的設(shè)計(jì)。
總體設(shè)計(jì)方案
變送器是實(shí)現(xiàn)自動化過程的重要組成部分。它用來實(shí)現(xiàn)物理信號量的測量和變換處理。隨著容量大,參數(shù)高的設(shè)備的出現(xiàn)以及復(fù)雜工藝的過程。由于越來越依賴自動化技術(shù),以及變送器的使用量在不斷地上升,對其性能的要求也就不斷的提高。
伴隨著快速發(fā)展的微電子技術(shù),特別是近年來由于多功能、低功耗單片機(jī)的出現(xiàn)以及高精度的傳感器的出產(chǎn),為開發(fā)通用型的精確度高的變送器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),大氣壓強(qiáng)變送器是以單片機(jī)處理器為核心的傳送裝置,其工作原理如圖1所示。
圖1 大氣壓強(qiáng)變送器的工作原理圖大氣壓強(qiáng)變送器采用CPU后,不僅可以對溫度、大氣壓強(qiáng)進(jìn)行測量和變送,還能大大提高系統(tǒng)的精確度和可靠性,外部引線減少。
本系統(tǒng)采用4-20毫安電流信號作為輸出,由于電流信號不容易受干擾且電流源內(nèi)阻是無限大,導(dǎo)線在電路回路中以串聯(lián)的形式并不影響其精度,在普通線上可以傳輸至數(shù)百米。大于20毫安的電流在通斷情況下會引起電火花,其電火花的能量可以引燃瓦斯,產(chǎn)生爆炸,所以最大設(shè)計(jì)為20毫安;為了檢測線路中是否斷線,所以系統(tǒng)最小沒有取0毫安??傮w設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。
圖2 總體設(shè)計(jì)原理圖硬件電路的設(shè)計(jì)
1 單片機(jī)的選擇
本設(shè)計(jì)選擇STM32單片機(jī)。單片機(jī)原理圖如圖3所示。
圖3 STM32單片機(jī)原理圖#p#分頁標(biāo)題#e#2 放大電路的設(shè)計(jì)
STM32單片機(jī)接收的數(shù)字信號經(jīng)過計(jì)算處理,然后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號,其輸出電壓信號范圍為0-3.3V,而0-3.3V經(jīng)XTR111轉(zhuǎn)換后的電流范圍為0-16.5毫安,由于設(shè)計(jì)要求輸出的電流范圍為4-20毫安,而且電壓量與電流量是線性比例關(guān)系,所以需要放大單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)化輸出的電壓信號來達(dá)到目標(biāo)。在此電路中我們選擇的是LM321運(yùn)算放大器。
LM321它是一種單運(yùn)算放大器。LM321具有低功耗的特點(diǎn)。它還具有很高的單位增益頻率,靜態(tài)電流僅為430μA/amplifier(5V),具有保證0.4V/μs擺率。該器件單、雙電源供電下都可以工作。總而言之,LM321是一款低功耗,供電范圍較寬的運(yùn)算放大器,高性價(jià)比使其被普遍的應(yīng)用,占用電路板的空間小。原理圖如圖4所示。
圖4 LM321原理圖3 V/I轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
輸出4-20毫安電流有兩種方案,一種是使用集成芯片,另一種是使用分立元件搭建電路,而其中最可行的方案為使用XTR111 V/I轉(zhuǎn)換芯片。
XTR111是一款精密電壓-電流轉(zhuǎn)換器,用于輸出0-20毫安或4-20毫安的模擬信號,最大的源極電流可提升到36毫安。輸入電壓與輸出電流之間的轉(zhuǎn)換比率是靠Rset電阻來設(shè)置,一個(gè)外部的P-MOSFET晶體管確保了高輸出阻抗和寬范圍的電壓輸出(2V到電源電壓V-vsp均可輸出)和電壓良好的穩(wěn)定性??烧{(diào)電壓3-15V的校準(zhǔn)輸出端可為輔助電路提供電源。原理圖如圖5所示。
圖5 XTR111原理圖4 晶振電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用的是8MHZ和32.768KHZ晶振,8M頻率晶振提供單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號,32.768kHz晶振為單片機(jī)中的時(shí)鐘提供了一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘源。內(nèi)置復(fù)位電路。晶振電路原理圖如圖6所示,復(fù)位電路原理圖如圖7所示。
圖6 晶振電路原理圖圖7 復(fù)位電路原理圖5 大氣壓強(qiáng)傳感器BMP085模塊設(shè)計(jì)
BMP085是以壓阻效應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的大氣壓強(qiáng)傳感器。包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓力傳感器以及操控單元,其中操控單元包括IIC接口和EEPROM。,它具有的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、線性失真率低、精確度高以及很好的電磁兼容性。BMP085傳輸沒有經(jīng)過補(bǔ)償?shù)拇髿鈮簭?qiáng)值,電可擦可編程只讀存儲器儲存了176bit的獨(dú)立的數(shù)值,這些獨(dú)立的數(shù)值用來補(bǔ)償依賴的參數(shù)以及別的參數(shù)。
BMP085是新研發(fā)出來的具有很高的精確度的大氣壓傳感器, 它的低電壓、低功耗的電學(xué)特性使它可以很好的適用于GPS 導(dǎo)航器、PDA、手機(jī)以及戶外裝備上。在較低的高度噪聲(merely 0.25)快速轉(zhuǎn)換的運(yùn)行環(huán)境下,大氣壓傳感器運(yùn)行正常。Bosch 公司具有多年開發(fā)氣壓傳感器經(jīng)驗(yàn),在傳感器這塊,該公司是全球市場上的佼佼者。#p#分頁標(biāo)題#e#
傳感器模塊設(shè)計(jì)包括BMP085大氣壓強(qiáng)傳感器、兩個(gè)10K電阻。原理圖如圖8所示。
圖8 傳感器模塊原理圖IIC總線上拉10K的電阻接+3.3V電源。當(dāng)IIC閑置時(shí),SDA、SCL都為高電平。連到IIC線上的任何元件輸出的低電平,IIC總線信號都將變?yōu)榈碗娖?,即各元器件的SDA和SCL關(guān)系是“與”(&)。
系統(tǒng)主程序圖
本軟件采用的是高級編程語言C語言,并采用模塊化設(shè)計(jì)方法,使其便于程序設(shè)計(jì)和調(diào)試。主要模塊有采集模塊、處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。
數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括BMP085傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大模塊。單片機(jī)上配置兩個(gè)模擬IIC,PB6配置為SCL,PB7配置為SDA。通過單片機(jī)來控制SCL、SDA的高低電平來傳輸數(shù)據(jù),BMP085讀取數(shù)值并通過IIC傳輸給單片機(jī)處理數(shù)據(jù),大氣壓傳感器模塊執(zhí)行單片機(jī)通過IIC發(fā)送來的讀取大氣壓強(qiáng)指令,并將采集到的信號傳輸給單片機(jī)。
模擬信號輸出模塊主要是將單片機(jī)內(nèi)數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出。如圖9主程序流程圖所示。
圖9 主程序流程圖所示系統(tǒng)測試
1 測試準(zhǔn)備工作
(1)在給系統(tǒng)供電前,應(yīng)先依據(jù)系統(tǒng)原理圖,用萬用表二極管檔位檢查電路中電源的走線,防止電源與其他引腳產(chǎn)生短路;
(2)在單片機(jī)通電后檢查各個(gè)模塊器件的I/O引腳的電位是否正常,特別是單片機(jī)上各引腳的電位。
2 輸出信號的測試
調(diào)試方法為在XTR111的輸入端送入模擬量的值,由數(shù)字萬用表測量電路的輸出電流,測試的結(jié)果如表1所示。
表1 4-20 毫安輸出信號測試表3 測試總結(jié)
經(jīng)過系統(tǒng)測試后,系統(tǒng)預(yù)期的功能要求達(dá)到了,實(shí)現(xiàn)了對物理信號的采集、處理和傳輸,說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可靠的。
總結(jié)
本論文詳細(xì)介紹了電流型三線制大氣壓強(qiáng)變送器的設(shè)計(jì),數(shù)字信號經(jīng)過STM32采樣處理后轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后通過XTR111輸出4-20毫安的電流信號。本設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件、軟件、系統(tǒng)的整體調(diào)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)各模塊達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
本文編自《電氣技術(shù)》,標(biāo)題為“基于STM32的大氣壓強(qiáng)變送器設(shè)計(jì)”,作者為趙靜龍。
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