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基于STM8S單片機(jī)的數(shù)字壓力表的設(shè)計

發(fā)布時間:2018-04-18 11:17:29 瀏覽:

壓力是重要的熱工參數(shù)之一,各種氣體、液體的壓力測量在生產(chǎn)生活、工業(yè)現(xiàn)場、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域有著廣泛的 應(yīng)用。這里采用STM8S單片機(jī)作為主控制單元,提出一種新型數(shù)字壓力表的設(shè)計方法。介紹壓阻式壓力傳感器的測量原理 和系統(tǒng)的整體框架,并描述相應(yīng)的軟硬件設(shè)計的方法,特別是在軟件方面的處理,包括壓力采集和標(biāo)定校準(zhǔn)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 顯示,壓力數(shù)據(jù)顯示較為穗定,能夠滿足基本的精度要求。設(shè)計的數(shù)字壓力表簡單,易用,便于攜帶。

在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動中,壓力計量往往是重要環(huán) 節(jié),甚至成為了保證產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)安全的決定因 素。傳統(tǒng)的數(shù)字壓力表是沿用機(jī)械壓力表來顯示的,在 光線弱煙霧多的環(huán)境中,不僅難以識別具體壓力值,而 且靈敏度,可視度,誤差范圍以及機(jī)械指針表普遍存在 的滯針,跳針,機(jī)械器件自然磨損等通病。所以設(shè)計一種 簡單、可視度高的便捷式數(shù)字壓力表是很有實(shí)際意義的。

1.壓阻式壓力傳感器的測量原理

壓力傳感器可以把壓力信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信 號,特點(diǎn)是精度高、線性一致、重復(fù)性好' 將壓力的變 化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器被稱為壓阻式壓力傳感器, 當(dāng)需要進(jìn)行高精度測量時,通常采用此種傳感器,其內(nèi) 部是一個惠斯通電橋,電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

壓阻式壓力傳感器是集成電路丁藝技術(shù)在硅片上 制造出4個等值的薄膜電阻,并組成電橋電路。當(dāng)不受力作用時,電橋處于平衡狀態(tài),無電壓輸出;當(dāng)受到力作 用時,電橋失去平衡,輸出與應(yīng)力成正比的電壓。不同 類型的壓力傳感器輸出信號大小是不一樣的,一般常用 的有2~3種,凈輸出2 mV/V10 mV/V等。設(shè)計中采用 的是凈輸出2 mV/V的硅壓阻式壓力傳感器BYP100,信 號輸出較為穩(wěn)定。

2.系統(tǒng)整體框圖

本系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示,系統(tǒng)主要包括了 STM8S單片機(jī)模塊和外圍電路,外圍電路有液晶顯示模 塊、按鍵電路以及放大器電路。系統(tǒng)電源供電采用5 V的穩(wěn)壓電壓。

STM8S單片機(jī)系列是8位的低功耗的單片機(jī),丁作 的電壓范圍為2.95~5.5 V,可支持干電池供電丁作,并 提供真正的E2PROM數(shù)據(jù)寫人操作,可達(dá)30萬次擦寫極 限,有利于數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。該系列單片機(jī)有10 ADC,最多有16個采集通道。

3.硬件設(shè)計

3.1放大器電路

放大器電路主要采用的是MCP6022芯片,內(nèi)部結(jié) 構(gòu)如圖3所示。MCP6022是高性能的軌對軌輸人/輸出 運(yùn)算放大器,帶寬為10 MHz,噪聲為8.7(10 kHz),低失 調(diào)電壓為±500~ ±250 pV,總諧波失真為0.000 53%,電 源電壓范圍為2.5 - 5.5 V,滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

MCP6022的2腳和3腳接收傳感器的壓力輸人信 號,MCP6022的1腳出來的就是放大后的傳感器壓力輸 出信號,供給單片機(jī)AD通道采集。MCP6022的8腳和4 腳分別接電源和地,給MCP6022芯片供電。

3.2 LCD顯示模塊

LCD顯示電路是采用的是HT1621芯片來驅(qū)動LCD 段碼液晶進(jìn)行顯示。HT1621是128點(diǎn)內(nèi)存映象和多功 能的LCD驅(qū)動器,HT1621的軟件配置特性使它適用于 多種LCD應(yīng)用場合包括LCD模塊和顯示子系統(tǒng),用于 連接主控制器和HT1621的管腳只有4或5條,重要的是 HT1621還有一個節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。

通過設(shè)置對應(yīng)的占空比、偏壓比、以及LCD驅(qū)動電 壓等驅(qū)動LCD段碼液晶顯示。本系統(tǒng)采用占空比為 1/4,偏壓比1/3LCD驅(qū)動電壓為5 V來驅(qū)動4段6位的 LCD段碼液晶。

4.軟件設(shè)計

4.1壓力采集算法設(shè)計

為了保證采集的壓力數(shù)據(jù)在壓力表上能夠顯示穩(wěn) 定,波動范圍較小,滿足能夠外界壓力變化下壓力值的 連續(xù)變化,并且消除由于一些干擾引起的采樣值的偏 差,需要設(shè)計對應(yīng)的壓力采集處理算法' 壓力處理過 程如圖4所示。

壓力采集通過定時器控制50 ms采集1次。定義一 個包含10個數(shù)據(jù)元素的浮點(diǎn)型緩沖區(qū)數(shù)組buf, 來存放采集的A/D值value,并返回10個數(shù)據(jù)元素的平 均值avervalue作為標(biāo)定計算中的電壓值。

當(dāng)填滿緩沖區(qū)的值后,下一次采集之前先將數(shù)組中 的元素用上一次的平均值填滿,然后采集到的一個A/D 值利用先進(jìn)先出的方法存人緩沖區(qū)數(shù)組中。其中,如果 當(dāng)前采集到的A/D值,與當(dāng)前顯示的A/D值之間的差值 10個范圍之內(nèi),差值大于10的,將當(dāng)前的A/D值加 0.2再存人數(shù)組中;差值小于10的,將當(dāng)前壓力值減0.2 存人數(shù)組。

程序部分代碼如下:

if ( ( value>avervalue-10) &&( value<avervalue+110))

{

if((value>avervalue-10)&& (value<=avervalue))

{

for(i=0; i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value+0.2;

}

if ( (value<avervalue+10)&&(value>=avervalue))

{

for(i=0; i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value-0.2;

}

}

else

{

for(i=0;i<9; i++) buf[i]=buf[i+1]; buf[9]=value;

}

4.2標(biāo)定校準(zhǔn)設(shè)計

為了減少誤差,保證數(shù)字壓力表的精度,可以采用 多點(diǎn)校準(zhǔn),也就是利用多條線段來模擬接近真實(shí)的壓 力傳感器的輸出曲線[4]。本文采用的是三點(diǎn)校準(zhǔn)的方 法,分別是在零點(diǎn),半量程和滿量程這三個點(diǎn),設(shè)計精度 0.5%左右。具體標(biāo)定過程如圖5所示。

利用按鍵1和按鍵2之間的配合來采集多個點(diǎn)的壓 力值。通過標(biāo)定過程采集各個點(diǎn)的電壓A/D值作為標(biāo) 定值。標(biāo)定采用的公式為:

P = (p[i +1] - P[i])/iV[i + 1] - V盼- V[i]) + p[i]

式中:P[i]是多點(diǎn)校準(zhǔn)中對應(yīng)的i點(diǎn)的壓力值;V[i]是多點(diǎn) 校準(zhǔn)中對應(yīng)的i點(diǎn)的電壓值;V是經(jīng)過壓力算法處理過 的值。

對于獲得更加精確的壓力值顯示,可以采用繼續(xù)增 加校準(zhǔn)的點(diǎn)數(shù)的方法來標(biāo)定。另外已經(jīng)標(biāo)定過的電壓 值可以存儲到單片機(jī)的E2PROM中,提供掉電數(shù)據(jù)的保 護(hù),避免重復(fù)標(biāo)定。

5.測試與結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試,在5 V穩(wěn)壓電源供電下,設(shè)計使用 量程在1 000 kPa下,采用3點(diǎn)標(biāo)定校準(zhǔn)的情況下,數(shù)字 壓力表顯示的數(shù)據(jù)跳動范圍為1~4 kPa,數(shù)據(jù)顯示較為 穩(wěn)定,能夠達(dá)到0.5級的精度要求。如表1所示的壓力 數(shù)據(jù)。


6.結(jié)語

設(shè)計的數(shù)字壓力表采用的是STM8S系列單片機(jī)作 為控制單元,滿足一定的測量精度,5更件電路簡單,軟件 設(shè)計可靠,對于便捷式、可視化、誤差小的數(shù)字壓力表的 設(shè)計具有一定的參考意義。