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(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境中，包括智能建筑,、工業(yè)控制,、儀表檢測、航空航天,、油氣管道等眾多領(lǐng)域,。壓力變送器把壓力信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計算機(jī)上顯示壓力值,，主要有電容式,、擴(kuò)散硅式、陶瓷式,、應(yīng)變式等,。
    本文介紹了一種高精度量程可調(diào)的電阻應(yīng)變式無線壓力變送器。設(shè)計采用電阻應(yīng)變片作為壓力感應(yīng)元件,，線性度好,，重復(fù)性好；使用程控放大電路實現(xiàn)量程可調(diào),，實現(xiàn)寬量程壓力測量,，提高測量精度；運用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)中短距離無線傳輸,，提高了使用安全性,；上位機(jī)采用C++ Builder 6.0軟件進(jìn)行設(shè)計編制，完善了遠(yuǎn)距離人機(jī)交互操作,。
1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)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(lán)牙通信模塊,、上位機(jī)軟件模塊6部分組成,。

    信號采集模塊感應(yīng)測量點壓力變化,，將機(jī)械性變量轉(zhuǎn)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(jī)模擬信號輸入端,；使用單片機(jī)內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，計算得到的當(dāng)前壓力值；設(shè)備安裝處液晶模塊顯示當(dāng)前壓力值,；將通過藍(lán)牙模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)絇C客戶端,，用戶也可以通過上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)壓力的實時監(jiān)控。
2 模塊化設(shè)計
2.1 信號采集模塊
    信號采集模塊由電阻式應(yīng)變片組成,。電阻應(yīng)變片由敏感器(電阻絲),、覆蓋層、基底,、引線四部分組成,。將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外施壓力作用時,，將產(chǎn)生形變,，電阻應(yīng)變片將它們轉(zhuǎn)換成電阻變化，再通過惠斯通電橋電路(如圖2)及補(bǔ)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(yīng)變電阻(型號為BF350-3AA的康銅金屬箔電阻應(yīng)變片,，初始阻值350 Ω，靈敏系數(shù)：2.0~2.20,，精度等級：0.02級,，應(yīng)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(bǔ)償系數(shù)：16)；R2,、R3,、R4阻值均為350 Ω。應(yīng)變片受到壓力形變,，電橋不平衡,，在輸出端產(chǎn)生與壓力成一定正比關(guān)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(shè)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(jìn)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(dāng)R5=R6,，R7=R8時，差分放大倍數(shù)A1=R7/R5,。通過繼電器進(jìn)行R7,、R8阻值的同步選擇,實現(xiàn)4個檔位10、50,、100,、500的倍數(shù)放大。C1減小系統(tǒng)的響應(yīng)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(jìn)行二次放大,，實現(xiàn)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(chǎn)生附加的失調(diào)電壓。
     比例放大倍數(shù)A2為：A2=R12/R10。通過繼電器進(jìn)行R12,、R13阻值的同步選擇,，實現(xiàn)1、2,、4,、10的倍數(shù)放大和平衡輸入電阻。C3減小系統(tǒng)的響應(yīng)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(hù)電阻， 使得輸出電壓值箝位在0~3.3 V之間,，保護(hù)芯片不受損壞,。
       信號放大模塊共有11個檔位，放大倍數(shù)分別為：10,、20,、40、50,、100,、200、400,、500,、1 000、2 000,、5 000,。單片機(jī)軟件實現(xiàn)自動量程選擇與切換，盡量將所測量值位于當(dāng)前量程的中間1/3的數(shù)值范圍內(nèi),，提高分辨率和測量精度,。
2.3 控制模塊
    單片機(jī)選擇C8051F040,具有64個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)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(guān)；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(wěn)定,，滿足應(yīng)用。
    經(jīng)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(jī)的模擬輸入端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，基準(zhǔn)電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的2.2 V基準(zhǔn)源。
2.3.1 數(shù)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(shù),，A=A1×A2，A1為前置放大電路的放大倍數(shù),，A2為電壓放大電路的放大倍數(shù),。單片機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動選擇合適的檔位，以此提高測量的精度,。根據(jù)設(shè)置的不同設(shè)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(yè)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(lán)牙通信模塊
　貼片式藍(lán)牙通信模塊支持BlueTooth V1.2藍(lán)牙協(xié)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(dá)100 m,。
    藍(lán)牙模塊預(yù)裝SPP01串口通信固件,，可以通過串口AT指令方式進(jìn)行參數(shù)配置，使藍(lán)牙模塊工作于從模塊,、主模式或配置兩個藍(lán)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(shù)據(jù)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(dá)到110 m,。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之前通過RS232接口進(jìn)行連接,，在PC用戶端只需USB藍(lán)牙適配器即可接受來自遠(yuǎn)程端的監(jiān)測信息，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信與控制。
2.6 上位機(jī)軟件模塊
    上位機(jī)應(yīng)用軟件界面如圖4所示,。通過C++ Builder 6.0編制的上位機(jī)軟件,，包括串口設(shè)置、倍數(shù)選擇(手動/自動模式可選),、壓力上下限報警設(shè)置,、顯示當(dāng)前壓力值等參數(shù)。握手按鈕,，是用來確定上位機(jī)軟件與下位機(jī)的單片機(jī)設(shè)備通信狀態(tài)是否正常,。界面最底端實時顯示串口以及監(jiān)測的運行狀態(tài)，方便用戶及時獲取重要信息及提示,。整個應(yīng)用軟件內(nèi)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(yīng)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(yīng)變線性度好,、重復(fù)性好,、回差小、蠕變小的應(yīng)變片,。同時應(yīng)變片的貼粘方位不準(zhǔn)確是造成應(yīng)變測量誤差的重要原因,。
3.1 溫度補(bǔ)償
    應(yīng)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(shù)的不同,，也會造成應(yīng)變片阻值的變化,，需要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以此減小誤差,，提高精度,。常用溫度補(bǔ)償法有：熱敏電阻補(bǔ)償法、串入溫度補(bǔ)償片法,。本文采用在電橋的適當(dāng)橋臂串入溫度補(bǔ)償片,，其阻值的計算方法為：

    盡管如此補(bǔ)償，單純通過硬件也很難完全克服零位誤差,。本設(shè)計加入軟件輔助矯正,，在系統(tǒng)初始化后，對微小的初始測量值進(jìn)行記憶,，在正式運行監(jiān)測中自動減去初始非零值,，進(jìn)行了軟件的清零矯正,，保證輸出零位。
4 軟件程序設(shè)計
    軟件的設(shè)計主要在于量程的選擇和補(bǔ)償矯正算法的實現(xiàn),。程序流程圖如圖5所示,。量程的選擇以A/D轉(zhuǎn)換(包含了溫度補(bǔ)償、零點補(bǔ)償和非線性矯正程序)測量值N為判斷對象,，當(dāng)4 095/3＜N＜(4 095×2)/3 時,，視為有效量程。當(dāng)量程選擇方式設(shè)置為自動擋,，由量程優(yōu)化處理程序?qū)⒘砍炭s至為最優(yōu)量程范圍內(nèi),，當(dāng)量程超出時進(jìn)行報警同時在上位機(jī)軟件界面中給出提示。當(dāng)選擇為手動擋,，超出量程給出報警提示,，不進(jìn)行自動量程調(diào)整。程序代碼較為復(fù)雜冗長,，在此不再詳述。

    在分析壓力變送器原理的基礎(chǔ)上,，設(shè)計了一種量程可調(diào)的高精度電阻應(yīng)變式壓力變送器,。設(shè)計點考慮全面，實際方案可行,，經(jīng)過多次實測證明,，量程范圍跨度可達(dá)到0~40 MPa，由于量程可調(diào),，測量精度基本可以穩(wěn)定保持在±0.3%FS~±0.5%FS,，按照如上方案改進(jìn)后的線性度比未改進(jìn)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(wěn)定可靠,。另外,，使用無線藍(lán)牙通信方式，抗干擾能力強(qiáng),，便捷安全,，上位機(jī)軟件的人機(jī)界面，使得遠(yuǎn)程控制更靈活,。整體設(shè)計思路新穎,，用于實際工程應(yīng)用中效果良好。
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