PAGEPAGE1電子設(shè)計大賽參賽題目：壓力檢測與報警系統(tǒng)參賽學(xué)院：電子與信息工程學(xué)院參賽人員：設(shè)計題目：壓力檢測與報警系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)技術(shù)的提高，傳感器技術(shù)已經(jīng)滲入日常生活之中。如壓力傳感器它已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生活日用品之中。本設(shè)計是將壓力傳感器用于測量壓力，但它不同與一般的測力計，它具有報警電路，適用于有壓力限制的測量應(yīng)用中。它應(yīng)用所學(xué)的集成電路和使用方法，使整個電路具有測壓力與報警功能。壓力測試與報警系統(tǒng)顧名思義就是測試壓力或壓強(qiáng)，當(dāng)壓力或壓強(qiáng)超出一定范圍報警系統(tǒng)便會作用。壓力測試就是利用壓力傳感器將壓力變成與其成線性關(guān)系的電壓，在一系列集成元件作用下，在顯示器中顯示出壓力。報警系統(tǒng)就是利用開關(guān)三極管控制聲音報警與光報警。整個設(shè)計之中顯示電路最為復(fù)雜。由于需要數(shù)字顯示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器、七段譯碼器、LED顯示器使整個電路看起來復(fù)雜無比，但它比用表頭測量更方便，更實用。當(dāng)然器件的選擇也會使整個設(shè)計增色，它不但能提高電路的性能，還能減少功耗。設(shè)計時主要采用中小規(guī)模的集成電路實現(xiàn)，主要培養(yǎng)分析解決問題的能力，提高設(shè)計電路，調(diào)整電路的實驗技能。關(guān)鍵詞:壓力測量壓力報警顯示器模數(shù)轉(zhuǎn)換器比較器目錄設(shè)計題目：壓力檢測與報警系統(tǒng) 1引言 3方案設(shè)計 4單元模塊電路方案設(shè)計 6供電電路 6壓力感應(yīng)電路 7放大和濾波電路 7壓力報警電路 9壓力顯示電路 10總結(jié) 13附錄1 14附錄2 15引言設(shè)計壓力檢測與報警系統(tǒng)，應(yīng)分五個部分考慮，電源部分，壓力傳感器，放大和濾波，顯示部分，及報警部分。壓力傳感器采取自然中的壓力信號，將之轉(zhuǎn)化為電信號，范圍在0～1mv的直流信號，有一定的干擾信號。由于經(jīng)傳感器采集到的電信號含有干擾性的交流成分，而且電壓很小，應(yīng)經(jīng)放大和濾波處理，才能為后面的電路所用。電壓信號并不能直觀的反映壓力信息，故我們要將放大的電信號轉(zhuǎn)換成代表壓力大小的數(shù)值顯示出來，為人所理解。壓力測量有一定的范圍，超過范圍會造成不想要的或者嚴(yán)重的后果，所以在壓力超過測量范圍時報警電路工作，避免過壓。該整體電路的工作原理是：壓力傳感器由于受到壓力作用產(chǎn)生一個小信號，經(jīng)過放大器放1000倍后再經(jīng)濾波器濾出工頻對信號的影響方可作用于報警電路與顯示電路。將放大濾波后的電壓信號一路送給A/D轉(zhuǎn)換器，一路送給報警電路。送與A/D轉(zhuǎn)換器的電壓經(jīng)模擬變換后，輸出為BCD碼的數(shù)字信號，該數(shù)字信號經(jīng)譯碼器之后方可送與顯示器中顯示。而且顯示的數(shù)值為壓力，將電壓數(shù)值變?yōu)閴毫?shù)值，我們是通過改變A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，使得輸出壓力與電壓具有線性關(guān)系，而且此關(guān)系與傳感器中輸入與輸出的關(guān)系一樣。另一路送與報警電路的電壓信號，先經(jīng)比較器與電壓限定范圍內(nèi)的最大值進(jìn)行比較，如果大于最大值譯碼器輸出為高電平，反之將輸出低電平。將比較器的輸出經(jīng)過一延時電路之后再送給開關(guān)三極管，由開關(guān)三極管的開斷來控制發(fā)光二極管與蜂鳴器的報警。整體電路圖見最后一頁在設(shè)計該系統(tǒng)時，要考慮精度和穩(wěn)定度，方便人們使用，還要考慮到經(jīng)濟(jì)成本，和低碳環(huán)保，所以選擇器件和設(shè)計電路時，須避免華而不實的東西，盡力做到簡單，實用，低成本，低功率。方案設(shè)計綜合各方面考慮我們慎重地得出來兩套方案，各有可取之處方案一：此方案輸出電壓是由四個壓力傳感器構(gòu)成橋式電路，相鄰傳感器的電阻變化為數(shù)值相等方向相反，這種設(shè)計思想不僅使得電路靈敏度提高而且其線性度也增好；與此同時，溫漂與零點漂移等干擾變小，有助于整個電路的性能。它是傳感器輸出的經(jīng)典電路。方案框圖如圖1所示。圖SEQ圖表\*ARABIC1方案中，顯示電路是由一系列的數(shù)字集成器件構(gòu)成，將放大后的電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成一串二進(jìn)制序列，然后在其內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)锽CD碼，再經(jīng)過顯示器驅(qū)動器CD4511后顯示。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它受外界干擾較小，而且比用表頭測量更實用與直觀。報警電路是利用比較器來判斷是否報警，當(dāng)輸入電壓大于傳感器輸出的最大電壓時報警，否則不報警。該設(shè)計用蜂鳴器發(fā)聲，免去為揚聲器提供一個頻率的發(fā)生電路，同時蜂鳴器的電路簡單價格便宜，適用于本設(shè)計的要求。方案二：方案二和方案一的主要不同在于它的顯示部分的設(shè)計。框圖如圖2所示。圖SEQ圖表\*ARABIC2這一方案的傳感器輸出電路是由單個傳感器構(gòu)成，由于壓力變化使得電阻變化從而輸出電壓發(fā)生變化，它輸出的電壓直接經(jīng)放大電路放大與濾波之后分別送至報警系統(tǒng)和表頭。表頭是可以直接顯示模擬量的，所以得到的電壓信號不需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，只需要讓電壓直接控制表頭指針的偏轉(zhuǎn)，然后規(guī)定好表頭的量程和單位。這使得電路圖比較簡單，容易實現(xiàn)。方案一傳感器輸出用橋式電路比方案二單應(yīng)變片傳感器輸出的精度要高，避免了零點漂移與溫漂，并且提高了電路的靈敏度和線性度，對整個設(shè)計來講是非常有益的。而且發(fā)聲電路用蜂鳴器比用一般的揚聲器會使得電路更簡單、更實惠。另外方案二中采取的表頭中，不可避免有機(jī)械老化，不是很耐用。所以本設(shè)計我們采用方案一。單元模塊電路方案設(shè)計對一個系統(tǒng)的設(shè)計，為使思路清晰和設(shè)計計劃的擬定，通常將系統(tǒng)分成多個設(shè)計模塊。對于壓力檢測與報警系統(tǒng)，我們將它劃分為五個模塊，分別是供電電路，壓力感應(yīng)電路，放大和濾波電路，壓力報警電路，壓力顯示電路。下面我們就對該系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行分析。供電電路本系統(tǒng)中用到的很多芯片需要雙電源供電，所以我們設(shè)計了能夠輸出±5V的穩(wěn)定直流電壓。這一部分電路用到的器件有LM7805，LM7905，兩個二極管IN4001.，和自制的變壓器。穩(wěn)壓管LM7805是三端穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0220。它有一系列固定的是輸出電壓，應(yīng)用十分廣泛，由于內(nèi)部電流的限制,以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會損壞。它的輸出電流為100mA，輸出電壓為5V，輸出電壓誤差小于±5%，運行溫度在0～125℃范圍。最大輸入電壓為35V。LM7905是三端固定式負(fù)穩(wěn)壓電路封裝和安全措施和LM7805相似。輸出電壓為-5V，輸出電壓誤差小于±5%，它的輸出電流為100mA，運行溫度在0～70℃范圍，最大輸入電壓-35V。二極管IN4001最大反相電壓為50V，輸出電流可達(dá)1A。電子系統(tǒng)為降低運行成本一般都使用220V工頻交流供電，而電子設(shè)備內(nèi)部使用的都是穩(wěn)恒直流電，因此，需要將交流電變換成直流電。本設(shè)計利用變壓器將220V的交流電變成10V的交流電，該電壓經(jīng)過VD1和VD2整流，VD1、VD2是IN4001，C1、C2濾波，LM7805和LM7905穩(wěn)壓為±5V后，提供給后續(xù)電路，使電路正常工作，電源電路原理圖如圖3所示。圖SEQ圖表\*ARABIC3壓力感應(yīng)電路我門采用型號為SP20C-G501的壓力傳感器，控制驅(qū)動電流穩(wěn)定在1mA，則可以在一定壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電橋平衡使輸出電壓在0～1mV。為得到1mA的恒定電流，我們用LM317L連成了一個1mA的恒流源。LM317L構(gòu)成的恒流源，輸出電流為，式中是基準(zhǔn)電壓，是從調(diào)整端流出的電流，通常<50uA，雖然也隨VI及環(huán)境的變化而變化，且也是Io的一部分，但由于僅為78xx的的1%，與Io相比，Io可忽略。可見LM317L的恒流效果較好。由于LM317的=1.25V，其最小的電壓差為3V，因此輸入電壓VI達(dá)到4.25V，電路就能正常地工作。本設(shè)計中LM317L的輸入點壓為5V。壓降為3.75V，通過電流1mA，所以損耗的功率為3.75mW。傳感器部分電路原理圖如圖4所示。圖SEQ圖表\*ARABIC4放大和濾波電路從壓力傳感器出來的電壓信號很微弱，僅為1mV，而且易受工頻影響，為了便于應(yīng)用與減小干擾，我們將輸出電壓信號進(jìn)行放大與濾波處理。我們采用儀用放大器LH0036作為第一級放大，是一種高精度的放大器。其最大輸入失調(diào)電壓1mV，共模抑制比100dB，輸入阻抗高達(dá)300，電壓增益范圍1～1000，輸入電壓范圍±12V,輸出短路時間連續(xù)，雙電源供電，電源電壓在±1v～±18V的范圍內(nèi)，我們采取±5V供電。它的放大倍數(shù)可以由可調(diào)電阻控制，放大倍數(shù)計算公式如下：，為接在引腳4和7之間的電阻。可以看到當(dāng)電阻值50Ω，放大倍數(shù)為1000，當(dāng)電阻值無窮大時，放大倍數(shù)為1。它的內(nèi)部連接有3個放大模塊，構(gòu)成了前級差分放大電路與后級的比例放大電路，輸入阻抗大，輸出阻抗小，共模增益大。這些優(yōu)點都有適宜用做我們的放大電路部分的前級放大。另外LH0036的內(nèi)部功耗約為1.5W前級放大原則上放大倍率是500倍，但由于后面我們用到了有源濾波器，考慮到濾波效果，其放大倍數(shù)不好確定，所以前級放大我們在引腳4和7之間接可調(diào)電阻，以調(diào)整放大倍數(shù)，使總的放大倍數(shù)為1000倍，這樣從這一部分電路輸出的電壓范圍應(yīng)是0～1V。為了防止工頻對信號的影響，我們對放大輸出信號進(jìn)行濾波。由于對信號幅值的穩(wěn)定要求比較嚴(yán)格，通頻帶范圍內(nèi)的幅頻曲線應(yīng)十分平穩(wěn)，所以本設(shè)計選用巴特沃斯濾波器濾出10HZ以上的頻率，它是電子濾波器的一種。其特點是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，頻率響應(yīng)曲線最大限度的平坦，沒有起伏，而且超過頻帶寬度逐漸下降為零。在振幅的對數(shù)對角頻率的波形圖上，從某以邊界頻率開始，振幅隨著角頻率的增加而逐漸減小，趨向負(fù)無窮大。它是唯一的一個無論階數(shù)，振幅對角頻率曲線都保持同樣的形狀的濾波器。只不過濾波器的階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快。本設(shè)計中，我們采用常用于有源濾波器的放大器OPA2111，該芯片內(nèi)部集成了兩個運算放大器A和B。選擇電容和電阻時，電容宜在微法數(shù)量級下，因此我們選定電容為0.01uF，再根據(jù)截止頻率為10Hz，我們計算出電阻、、和的值，。選擇、、和時，為減小偏置電流的影響，應(yīng)盡可能使加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對地的電阻基本相等。圖SEQ圖表\*ARABIC5壓力報警電路為了知道壓力過大我們設(shè)計了報警電路，它含有聲音報警與光報警。無論是發(fā)聲還是發(fā)光都需要控制電路，在本設(shè)計中用了電壓比較器來控制報警系統(tǒng)。電壓比較器LM710是單電源工作集成器件，它的基本功能是對兩個輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高電平或低電平電壓，據(jù)此來判斷輸入信號的大小和極性。電壓比較器常用于自控制、波形產(chǎn)生與變換，數(shù)模轉(zhuǎn)換及越限報警等許多場合，而本設(shè)計中比較器用于最后一種情況。集成式的比較器大多處于開環(huán)或正反饋的狀態(tài)。在分析比較器時，虛斷路原則仍然成立，虛短及虛地等概念僅在判斷臨界情況時才適應(yīng)。我們在LM710正電壓輸入端接上5V電壓，負(fù)電壓輸入端接0V電壓，設(shè)定比較電壓為1V，當(dāng)輸入電壓小于1V時，輸出的為0V，不能使后面的開關(guān)三極管導(dǎo)通，放光二極管和蜂鳴器也就不能工作。當(dāng)輸入電壓大于1V時，輸出電壓跳變到5V，導(dǎo)通開關(guān)三極管，放光二極管和蜂鳴器通上了電，開始閃爍地放光和發(fā)聲，達(dá)到報警的效果。報警電路原理圖如圖6所示。圖SEQ圖表\*ARABIC6為了防止外界短暫的干擾導(dǎo)致開關(guān)三極管瞬間導(dǎo)通而產(chǎn)生錯誤的報警,我們在電壓比較器之后加一延時電路RC,由R11和C11構(gòu)成。它可以在一定程度上避免外界干擾信號使報警器發(fā)生的錯誤報警，本電路的延遲時間在0.1s到0.2s之間，也就是對于維持時間小于0.2s的觸發(fā)信號不報警，只有大于它時才觸發(fā)聲音報警于光報警。它的工作原理是利用電容兩端的電壓不能突變，當(dāng)輸出的5V電壓加到電阻R11上時電容兩端的電壓在瞬間仍然是0V，后面的三極管還沒導(dǎo)通。由于R11和C11的時間常數(shù)=0.22s，所以，如果這個高電平持續(xù)時間超過0.2s，電容C11上的電壓會升高，并導(dǎo)通三極管，給發(fā)光二極管和蜂鳴器通上電。如果高電平持續(xù)時間小于0.2秒，則門1的電壓不足以達(dá)到導(dǎo)通三極管的電壓大小，也就不會報警。報警電路中,使用的是9015型的開關(guān)三極管、閃爍發(fā)光二極管以及蜂鳴器。閃爍發(fā)光二極管由一塊IC電路和一只發(fā)光二極管相聯(lián)，然后用環(huán)氧樹脂全包封而成。其中振蕩器產(chǎn)生一個頻率為f0的信號，經(jīng)過幾級分頻器分頻后，獲得一個頻率為1．3—5．2Hz范圍中的某一固定頻率，再由輸出驅(qū)動級進(jìn)行電流放大，輸出一個足夠大的驅(qū)動電流，使得閃爍發(fā)光二極管處于工作狀態(tài)。使用時，無需外接任何元件，只要在兩只引出腳上加一定電壓，即可自行產(chǎn)生閃爍光。這里使用的是BTS314058，功率為200mW,只需在兩端加上5V電壓即可工作。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電的發(fā)聲器件。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”表示。本設(shè)計中用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器起振,輸出1.5～2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。為了控制蜂鳴器聲音的大小，我們用一個固定的電阻來使得聲音大小恒定。壓力顯示電路這部分電路是將采集到的關(guān)于壓力大小的電信號顯示成實際壓力的大小。我們將其顯示在數(shù)碼管。主要用到了ICL7135，CD4511，NE555定時器和數(shù)碼管。為顯示出壓力大小，需將放大和濾波后的模擬電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，本設(shè)計中需要將輸出的數(shù)字量在數(shù)碼管中顯示，我們選用積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135，它的內(nèi)部有將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為BCD碼的功能，故而免去了用一般A/D轉(zhuǎn)換器還需將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼所帶來的麻煩。ICl7135的內(nèi)部分為模擬電路和邏輯電路兩大部分，它由緩沖器、積分器、比較器和模擬開關(guān)組成。每個A/D轉(zhuǎn)換周期分4個階段：自動調(diào)零（AZ）、信號積分（INT）、反向積分（DE）、零積分（ZI）。雙電源供電，功率損耗僅為15mW。各引腳功能如下：V+、V分別接正、負(fù)5V電源。AGND、DGND：模擬地、數(shù)字地。CLK：時鐘信號輸入。D1～D5:個位、十、百、千、萬位的掃描輸出端，按最高端到最低端的順序發(fā)生掃描驅(qū)動信號，只要不出現(xiàn)超量呈狀態(tài)，就一直不斷的進(jìn)行掃描。在超量程狀態(tài)，從SRT選通時序信號結(jié)束一直到D5重新掃描的時間內(nèi)，全部驅(qū)動信號停止，這表明顯示器將斷續(xù)的亮滅。因此閃爍的方式表示量程的狀態(tài)。B1、B4、B8、B2：BCD碼的輸出端，按照8421碼編碼，B8為最高位，B1為最低位。UNDER：欠量程輸出端，當(dāng)讀數(shù)是量程的9%或更小時，它輸出高電平。OVERRANG：超量程信號的輸出端，當(dāng)大于2.0000v時，它變?yōu)楦唠娖健＃簲?shù)據(jù)選通輸出端。BUSY：忙碌輸出端，用來指示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行或已進(jìn)行完畢，在積分過程中，它為高電平，在自動調(diào)零階段為低電平。R/H：運行保持控制段，此端加高電平或懸空時，能自動進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；它加低電平時，讀數(shù)保持不變，直到它為高電平時才能改變讀數(shù)，但此時A/D轉(zhuǎn)換照樣進(jìn)行。POL：信號極性輸出端，正信號時輸出高電平。VREF+:基準(zhǔn)電壓的正端。COM：模擬信號的公共端，簡稱模擬地，也是基準(zhǔn)電壓的負(fù)端。INTOUT：積分器的輸出端，接積分電容CINT。AZIN：自動調(diào)零輸入端。CREF+、CREF-：外接基準(zhǔn)電容。INLO、INHI：分別為信號輸入的低端與高端。BUFOUT：緩沖放大器的輸出端，接積分電阻RINT。CD4511是七段鎖存譯碼顯示器，在同一片單片結(jié)構(gòu)上由CMOS邏輯器件和NPN雙極型器件構(gòu)成，這些器件的組合，使得CD4511具有很低的靜態(tài)耗散和高抗干擾及源電流高達(dá)25mv的性能，由此可直接驅(qū)動LED及其它顯示器件。LT、BL、LE的輸入端可以分別檢測顯示、亮度調(diào)節(jié)、存儲或選通一BCD碼等功能，使用外部多路轉(zhuǎn)換電路時，可多路轉(zhuǎn)換和顯示幾種不同的信號。其有關(guān)參數(shù)的極限值：電源電壓-0.5V～18V，輸入電壓-0.5V～+0.5v，輸入電流10mA。輸入端有三個控制端，LE、BL、LT。LE接低電平正常工作，接高電平鎖存；BL是滅燈輸入，接高電平時熄滅，低電平工作；LT是燈測試輸入端，為高電平時a～g全亮。輸出端a～g，分別控制數(shù)碼管的七段發(fā)光二極管a～g。555定時器接成輸出200KHZ的振蕩器。數(shù)碼管采用共陽極數(shù)碼，CPS02811C，為提高測量精度，我們采用五個數(shù)碼管用于顯示壓力。設(shè)定ICL7135的時鐘頻率為200KHZ，轉(zhuǎn)換速率為每秒3次。AD轉(zhuǎn)換需要外接模擬器件，我們是按照它的典型連接方式連接的。積分基準(zhǔn)電壓設(shè)定為1V，通過穩(wěn)壓二極管CH8096得到1.2V的穩(wěn)定電壓，再利用R16=10KΩ的可調(diào)電阻分壓得到1V的穩(wěn)定電壓。積分電容值0.47uF，積分電阻100KΩ，這樣連接的電路，最大失調(diào)電壓為10uV，測量壓力的范圍在0～1000N，10uV的電壓誤差相當(dāng)于0.1N的力的誤差，考慮到前面的放大濾波等模塊引起的誤差，總的絕對誤差約為1N。所以精度可以達(dá)到0.1級。D1～D5依次順序輸出高電平，從D5到D1，依次控制五個三極管導(dǎo)通，使五個數(shù)碼管輪流顯示。B1、B2、B4、B8依次輸出各位BCD碼，經(jīng)過CD4511譯碼顯示。數(shù)碼管1到4分別為千位，百位，十位，個位，數(shù)碼管4的小數(shù)點位點亮，測量結(jié)果可以精確到小數(shù)點后一位，數(shù)碼管5即為小數(shù)位。圖SEQ圖表\*ARABIC7總結(jié)通過半個月的努力，我們完全按照設(shè)計要求完成了設(shè)計任務(wù)，壓力測量范圍0～1000N，測量精度達(dá)到0.1級。通過數(shù)碼管顯示壓力大小，便于讀取。報警電路還采取了人性化的，防誤報警設(shè)計。總功耗約10W。參加此次設(shè)計大賽不僅是為了提高自己的能力與利用所學(xué)在實際中的應(yīng)用，還是因為對電子設(shè)計的濃厚興趣。本次設(shè)計不但要求我們了解通用器件在實際設(shè)計中的運用，還要求我們對設(shè)計要求有一定的程度的理解。我們查找