摘要：本文主要介绍了某设备数字压力表的设计思路以及设计内容,包括压力信号采集、电源管理、温度补偿的处理、中央控制等。具有精度高、读数简单等特点。提高了某设备的保障效率。某设备作为某型飞机地面维修和飞行保障的主要资源,是直接影响某型飞机各项作战功能发挥的重要因素。由于某型飞机具有微量保障特点,现有的机械压力表量程一般较大,且精度低,读数容易出现偏差,将对某设备的正常保障产生一定影响。因此需要设计一款符合某设备保障需求的数字压力表,能够准确、有效地对某型飞机实施保障,对飞行训练和作战任务具有重要意义。
关键词：压力表 压力传感器 压力模块
1 压力传感器测压原理
传统压力传感器以机械结构型器件为主,尺寸大,精度低,无电学输出。随着半导体技术的发展,传统的压力传感器逐渐被半导体压力传感器所替代。半导体压电式压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力,通过外界压力使薄片发生形变从而产生压电阻抗效果,然后使阻抗产生的变化转换成电信号。
力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器,常用于压力、拉力、压力差和其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。
当力作用于硅晶体时,晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化,扰动了载流子纵向和横向的平均量,从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异,因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计,前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化,后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化,而且前者灵敏度比后者大50～100倍。
2 数字压力表总体设计
数字压力表总体分为压力模块和主机两个部分。二者通过数字通讯实现压力自动测量与信号的传输。
压力模块由压力传感器、单片机、A/D、电源管理系统、温度补偿等几部分构成。在传感器有效范围内,输出电压U与和输入压力成正比。符合线性关系
输出的电压通过A/D转换和单片机的处理后被送至主机。
主机由电源管理电路和精密电测电路构成。主要作用是将从压力模块收到的电信号以压力值的形式显示出来并和微机通讯,最终实现自动测量。
3 数字压力表详细设计
3.1 压力模块设计
其中,电源管理部分负责把主机供电电源+5 V转换为A/D模块和温度补偿器件所要求的高精度和高稳定度的+5V、-5V电源;通过A/D模块双输入通道实现传感器数据的采集和自动温度补偿;中央处理器负责处理数据并与主机进行通讯。
压力传感器内部为桥式结构,输出的信号随着温度变化存在漂移情况,所以需要对传感器的输出信号进行温度补偿,以保证结果的准确性。选用AD590型传感器,此传感器精度高,测温范围宽,需要的外围器件少,因此适合在压力模块中使用。
为保证主机通讯的可靠性,压力模块与校验仪连接线内所传输的信号应该越少越好。在此采用6芯有屏蔽层的电缆传输线,传输的信号分为DC+5V、GNDI、DC+24V、RXD、GND2、TXD几种。其中, DC+24V为模块内的恒流源的工作电源,而DC+5V为模块其它各个芯片工作电源,RXD、TXD则作为模块和主机通讯数字信号。转换器AD7710和AD590所要求的电源是高精度的直流+5V、5V电压源。模块和主机连接线进行传输的+5V电压源难以满足要求,最终通过芯片MAX660、REF02、OP07、ICL7660转换出了AD7710和AD590所要求的电源,从而保证了压力计量结果的准确性。
压力模块使用的微控制器为20管脚的AT89C4051。该控制器内部由4K字节EPROM、128bit RAM和1个比较器组成,具有I2C总线方式的管脚数是13个。AT89C4051具有较强抗干扰性,无论从体积还是从性能上来说都适用于压力模块。
3.2 主机设计
主机的主要作用包括接收信号,显示压力值、电压电流精密信号的测量、直流24V电压的输出、和微机进行通讯、显示控制和键盘控制等。
电源管理电路的作用主要有两个。一是当电池单独供电时,压力表能够正常工作,电池和交流适配器同时供电时,优先选择交流适配器为压力表进行供电。二是对于电池的充、放电进行管理,当电池即将欠压时,进行报警提示或者自动关机。当交流适配器给电池充电时,充满8小时后自动终止充电。
主机能对压力模块进行自动识别,通过数字信号传送,信号的幅值为TTL电平,有较强的抗干扰性。主机中使用AT89C52微控制器,不仅要和压力模块进行通讯,主机还要求和微机进行通讯。微机、主机和压力模块三方通讯协调是要解决的主要问题,主机将数据要分时发送给微机及压力模块。实际上,这种主从关系的多机通讯常常是主机先发送从机地址,然后发送数据信息,从机识别地址后,再接收数据。因此,需要主机、从机的软件配合。
4 结语
本文主要介绍了某设备数字压力表的设计,采用压阻式压力传感器,总体上分为压力模块和主机部分的设计。前者具体说包括压力信号的采集、温度补偿的处理、电源管理、中央控制模块几部分的设计,后者中最重要的则是电源管理电路和与压力模块及微机间的数字通讯的设计。通过该设计,可提高某设备保障的精确性和保障效率。
