文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)01-0068-04
壓力變送器是工程實踐中最為常用的一種檢測器件之一，其廣泛應用于各種工業自控環境中，包括智能建筑、工業控制、儀表檢測、航空航天、油氣管道等眾多領域。壓力變送器把壓力信號轉換為標準信號傳到電子設備，進而在計算機上顯示壓力值，主要有電容式、擴散硅式、陶瓷式、應變式等。
本文介紹了一種高精度量程可調的電阻應變式無線壓力變送器。設計采用電阻應變片作為壓力感應元件，線性度好，重復性好；使用程控放大電路實現量程可調，實現寬量程壓力測量，提高測量精度；運用藍牙模塊實現中短距離無線傳輸，提高了使用安全性；上位機采用C++ Builder 6.0軟件進行設計編制，完善了遠距離人機交互操作。
1 系統組成
系統組成如圖1所示。壓力變送器主要由信號采集模塊、信號放大模塊、控制模塊、液晶顯示模塊、藍牙通信模塊、上位機軟件模塊6部分組成。
信號采集模塊感應測量點壓力變化，將機械性變量轉化為電壓量；通過信號放大模塊將微小的電壓差放大到0~2.2 V之間輸入到單片機模擬信號輸入端；使用單片機內置的12位A/D轉換電路進行模數轉換，計算得到的當前壓力值；設備安裝處液晶模塊顯示當前壓力值；將通過藍牙模塊遠程傳輸到PC客戶端，用戶也可以通過上位機應用程序實現壓力的實時監控。
2 模塊化設計
2.1 信號采集模塊
信號采集模塊由電阻式應變片組成。電阻應變片由敏感器(電阻絲)、覆蓋層、基底、引線四部分組成。將應變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件受到外施壓力作用時，將產生形變，電阻應變片將它們轉換成電阻變化，再通過惠斯通電橋電路(如圖2)及補償電路輸出電信號。
其中，U1為電橋電路供電電源，取12 V；R1為應變電阻(型號為BF350-3AA的康銅金屬箔電阻應變片，初始阻值350 Ω，靈敏系數：2.0~2.20，精度等級：0.02級，應變極限：2.0%，單片尺寸：7.1 mm×4.5 mm，溫度范圍：-30 ℃~+150 ℃，溫度自補償系數：16)；R2、R3、R4阻值均為350 Ω。應變片受到壓力形變，電橋不平衡，在輸出端產生與壓力成一定正比關系的不平衡電壓U2。
2.2 信號放大模塊
信號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。
集成運算放大器選擇LM358，設計采用直流±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個可選阻值：10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。
當R5=R6，R7=R8時，差分放大倍數A1=R7/R5。通過繼電器進行R7、R8阻值的同步選擇,實現4個檔位10、50、100、500的倍數放大。C1減小系統的響應時間。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，主要是將電壓值進行二次放大，實現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放的兩輸入端對地直流電阻相等，從而保證偏置電流不會產生附加的失調電壓。
比例放大倍數A2為：A2=R12/R10。通過繼電器進行R12、R13阻值的同步選擇，實現1、2、4、10的倍數放大和平衡輸入電阻。C3減小系統的響應時間。R14取10 Ω，C4取0.01μF，R14和C4組成輸出RC濾波電路。D4、D5為鉗位保護電阻， 使得輸出電壓值箝位在0~3.3 V之間，保護芯片不受損壞。
信號放大模塊共有11個檔位，放大倍數分別為：10、20、40、50、100、200、400、500、1 000、2 000、5 000。單片機軟件實現自動量程選擇與切換，盡量將所測量值位于當前量程的中間1/3的數值范圍內，提高分辨率和測量精度。
2.3 控制模塊
單片機選擇C8051F040,具有64個數字I/O引腳，片內集成了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；64 KB的Flash存儲器，5個通用定時器；具備SPI、SMBus/I2C及兩個UART。資源豐富，性能穩定，滿足應用。
經過信號放大后得到0~2.2 V的模擬電壓信號，輸入到單片機的模擬輸入端口進行A/D轉換，基準電壓選擇單片機內部的2.2 V基準源。
2.3.1 數字濾波[2]
為了減少測量過程中的干擾信號，除了在硬件上選擇高性能的集成運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，A=A1×A2，A1為前置放大電路的放大倍數，A2為電壓放大電路的放大倍數。單片機根據采集到的數據自動選擇合適的檔位，以此提高測量的精度。根據設置的不同設置矯正點，帶入式(3)得出實際的壓力值P。
2.4 液晶顯示模塊
液晶顯示模塊選用LCD1602，工業字符點陣型液晶，能夠同時顯示32個字符(16列2行)。該器件比較常用，基于篇幅，在此不贅述。
2.5 藍牙通信模塊
貼片式藍牙通信模塊支持BlueTooth V1.2藍牙協議，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100 m。
藍牙模塊預裝SPP01串口通信固件，可以通過串口AT指令方式進行參數配置，使藍牙模塊工作于從模塊、主模式或配置兩個藍牙模塊成一對一透明串口模式。本次配置為透明串口模式，串口波特率115 200 b/s、數據位8、停止位1、奇偶校驗位N、流控制N。
在實際測試中，通信距離實際可以達到110 m。藍牙模塊與單片機之前通過RS232接口進行連接，在PC用戶端只需USB藍牙適配器即可接受來自遠程端的監測信息，實現實時數據通信與控制。
2.6 上位機軟件模塊
上位機應用軟件界面如圖4所示。通過C++ Builder 6.0編制的上位機軟件，包括串口設置、倍數選擇(手動/自動模式可選)、壓力上下限報警設置、顯示當前壓力值等參數。握手按鈕，是用來確定上位機軟件與下位機的單片機設備通信狀態是否正常。界面最底端實時顯示串口以及監測的運行狀態，方便用戶及時獲取重要信息及提示。整個應用軟件內容詳實，簡潔明了，極大地方便了用戶使用。
3 誤差分析與矯正
在實際的電橋電路應用中，必然存在著由于溫度漂移、接線電阻、零點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，盡量選用應變線性度好、重復性好、回差小、蠕變小的應變片。同時應變片的貼粘方位不準確是造成應變測量誤差的重要原因。
3.1 溫度補償
應變片電阻值會隨著溫度的變化而變化，另外試件之間熱膨脹系數的不同，也會造成應變片阻值的變化，需要對其進行溫度補償，以此減小誤差，提高精度。常用溫度補償法有：熱敏電阻補償法、串入溫度補償片法。本文采用在電橋的適當橋臂串入溫度補償片，其阻值的計算方法為：
盡管如此補償，單純通過硬件也很難完全克服零位誤差。本設計加入軟件輔助矯正，在系統初始化后，對微小的初始測量值進行記憶，在正式運行監測中自動減去初始非零值，進行了軟件的清零矯正，保證輸出零位。
4 軟件程序設計
軟件的設計主要在于量程的選擇和補償矯正算法的實現。程序流程圖如圖5所示。量程的選擇以A/D轉換(包含了溫度補償、零點補償和非線性矯正程序)測量值N為判斷對象，當4 095/3＜N＜(4 095×2)/3 時，視為有效量程。當量程選擇方式設置為自動擋，由量程優化處理程序將量程縮至為最優量程范圍內，當量程超出時進行報警同時在上位機軟件界面中給出提示。當選擇為手動擋，超出量程給出報警提示，不進行自動量程調整。程序代碼較為復雜冗長，在此不再詳述。
在分析壓力變送器原理的基礎上，設計了一種量程可調的高精度電阻應變式壓力變送器。設計點考慮全面，實際方案可行，經過多次實測證明，量程范圍跨度可達到0~40 MPa，由于量程可調，測量精度基本可以穩定保持在±0.3%FS~±0.5%FS，按照如上方案改進后的線性度比未改進前的±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。該壓力變送器測量精度高，運行穩定可靠。另外，使用無線藍牙通信方式，抗干擾能力強，便捷安全，上位機軟件的人機界面，使得遠程控制更靈活。整體設計思路新穎，用于實際工程應用中效果良好。
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