本設計利用電阻應變片阻值隨壓力變化而變化的性質(zhì)，對壓力進(jìn)行采集、調理后經(jīng)由單片機的控制傳出，將采集的壓力通過(guò)單片機的處理后傳輸給數碼管顯示。

0 .引言

壓力是現代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要參數，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常需要對壓力進(jìn)行檢測和監控。壓力測量有許多種方法，本文介紹的是一種壓電轉換裝置，壓力變化使傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)輸出一個(gè)變化的模擬電壓信號。該信號經(jīng)放大電路放大后輸出至A/D轉換器。使之轉換成便于處理的數字信號，該數字信號傳送給單片機，最終LED顯示壓力大小。

1.系統概述

本設計是一個(gè)基于C8051F410單片機的壓力測量系統。本設計由稱(chēng)重傳感器，放大電路，A/D轉換電路，單片機電路，顯示電路，通訊接口電路，穩壓電源電路等設計內容組成。當物體放在秤盤(pán)上時(shí)，壓力變化使傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)輸出一個(gè)變化的模擬電壓信號。該信號經(jīng)放大電路放大后輸出至A/D轉換器。使之轉換成便于處理的數字信號，該數字信號傳送到CPU。數據經(jīng)過(guò)處理、程序運行后在LED上顯示出來(lái)。同時(shí)該設計是一款測量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的壓力控制模塊。該壓力控制模塊能夠對壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用支持MODBUS工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的RS485串行接口與PC機連接。

2.主要電路模塊設計

2.1 主控電路

C8051F410單片機是整個(gè)系統的控制核心。C8051F410基本外圍接口電路是保證系統正常工作的輔助電路，包括C8051F410片上系統工作所需要的JATG接口、電源退耦、基準濾波、上電復位等基本外圍電路。

2.2 稱(chēng)重傳感器的設計

稱(chēng)重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量（壓力）信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。稱(chēng)重傳感器主要由彈性體、電阻應變片、電纜線(xiàn)等組成，內部線(xiàn)路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出電壓正比于應變片發(fā)生應變時(shí)產(chǎn)生的電阻變化量。

2.3 信號采集調理電路

數據采集模塊分為3個(gè)部分：稱(chēng)重傳感器、前級放大器和A/D轉換器傳感器選用壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式。前級放大器用AD620內部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單，且放大器的增益是可以改變的。壓力傳感器的輸出信號輸入至AD620同相和反相輸入端，AD620可對差模信號進(jìn)行放大，放大倍數由AD620的1腳與8腳并接了的一個(gè)可調電阻RG決定。由于AD620在單極性電源供電時(shí)有零點(diǎn)漂移，因此本電路設計采用雙極性電源供電，同時(shí)在電源兩端加上濾波電容，確保供電穩定。選用12位逐次比較式ADC，此方案經(jīng)小信號放大、調理電路，可直接連接單片機，也可以可滿(mǎn)足精度要求，而C8051F410單片機的ADC0子系統集成了一個(gè)27通道的模擬多路選擇器和一個(gè)200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和硬件累加器。經(jīng)過(guò)計算滿(mǎn)足精度要求。故本設計選用C8051F410單片機內部A/D。

3. MODBUS協(xié)議

MODBUS通訊系統是一種用于工業(yè)通訊的分布式控制系統。該系統可靠性高，適應性強，可以在任何工業(yè)領(lǐng)域內控制各種生成過(guò)程和作業(yè)。其數據通訊系統協(xié)議控制著(zhù)網(wǎng)絡(luò )內一切設備所共用的語(yǔ)言結構或報文格式。協(xié)議是系統操作的關(guān)鍵，協(xié)議決定如何建立或中斷主從設備之間的關(guān)系，如何使發(fā)送和接收裝置協(xié)調一致，如何井然有序地交換報文，如何檢測錯誤。

MODBUS通訊協(xié)議有兩種消息幀格式：ASCII和RTU幀格式。ASCII消息以冒號字符開(kāi)始，以回車(chē)換行符結束，其它域使用的傳輸字符為十六進(jìn)制；RTU消息則以傳遞一段空閑時(shí)間為開(kāi)始和結束，這段時(shí)間不小于3.5倍的字符發(fā)送時(shí)間T，一般取4T。本設計在通訊協(xié)議中只用了兩個(gè)命令，03號命令和06號命令。他們都屬于公共功能碼。03號命令要求發(fā)送數據，06號命令代表要求從機原樣數據發(fā)回作為應答。

4 .調試處理

數據處理是將A/D采集的數據進(jìn)行處理，A/D轉換所得的值的精確性與很多因素有關(guān)，包括A/D元件的精度、電路的焊接情況、環(huán)境溫度的變化等。這些因素的影響直接導致了A/D轉換的數據圍繞著(zhù)某個(gè)中心值上下波動(dòng)。這就需要對采集的數據進(jìn)行軟件濾波。

為了能夠使變送器的輸出和被測量對應上，要對信號進(jìn)行歸一化處理，也就是標定。具體的做法是使用二次差值法對標準信號進(jìn)行定標。要實(shí)現高的擬合精度，擬合多項式的次數要很高，對于單片機來(lái)說(shuō)，由于速度和存儲容量等原因，實(shí)現這樣的運算很難。這里采用朗格朗日二次插值的方法對信號數據進(jìn)行處理。

5 .總結

本設計是基于MODBUS通訊協(xié)議的稱(chēng)重儀設計。在設計過(guò)程中以壓力采集及檢測為主要目標，利用電阻應變片阻值隨壓力變化而變化的性質(zhì)，對壓力進(jìn)行采集調理經(jīng)由單片機的控制傳出，將采集的壓力通過(guò)單片機的處理后傳輸給數碼管顯示，同時(shí)也支持RS-485硬件接口通過(guò)MODBUS通訊協(xié)議傳給上位機。測量壓力誤差不大于5g。該設計系統具有操作方便、控制靈活、移植性強等優(yōu)點(diǎn)。