电容式智能压力变送器的测量电路研究

引 言

相比于国际先进的传感器技术，虽然国内传感器的制造水平与之还有一定差距，但近几年也有所提高。近年来，互联网技术和无线传感网络技术正在逐渐成熟，智能变送器不仅拥有传统智能变送器数据采集、变送、通讯、自诊断等功能， 同时也在向多功能化集成和无线远程通讯方向发展，实现无线远程管理、远程技术服务和支持。随着传感器技术、计算机技术、数字信号处理技术、微电子技术的迅速发展和广泛应用，特别是在传感技术中的应用将促使传感技术产生飞跃， 而智能压力变送器的出现就是它们结合的结果[1]。

1 智能压力变送器的定义及其测量电路设计原理

智能压力变送器在保证系统可靠性与稳定性的前提下， 压力传感器通过信号调理电路与微控制器结合，在兼有信息处理、信息记忆、故障诊断、数字总线通讯等功能的同时，能提高压力变送器精度。智能压力变送器的高精度和智能化主要通过对微控制器的编程来实现，即智能压力变送器是硬件和软件程序结合的产物[2]。

电容式智能压力变送器测量电路的硬件设计主要包括微控制器ATmega16 和ATmega16 外围电路部分。本文使用的微控制器ATmega16 片内集成了实现智能压力变送器系统所需的大部分硬件，是一种完全集成的混合信号片上系统型单片机， 因此简化了整个硬件电路的设计。

测量电路的主要组成部分有信号采集电路，单片机和电流输出电路。压力传感器的电阻输出电压存在对温度和电源电压的交叉灵敏度，即不仅决定于输入的压力（差），还与传感器的工作环境温度和电源电压有关[3]。测量电路的核心是ATmega16 单片机，高精度仪表放大器放大压力传感器输出的微弱电压信号后，再把它送到片内信号调理单元进行放大并滤波调理，输入至ATmega16 片内的A/D 转换器，A/D 转换器对相应通道进行模数转换后，输出 4~20 mA 电流信号，经单片机的程序处理，最终将结果显示在液晶屏上，实现电流、电压的输出。

2 系统方案硬件设计

本文提出了一种智能压力变送器的设计方案，其主要特点是集成度高且精度高。电容智能压力变送器系统主要包括以下三部分：

(1) 压力传感器的设计；

(2) 微控制器及其外围电路的设计；

(3) 软件算法的设计。

系统总体设计方案如图１所示。

从图 1 可以看到，该系统主要由压力采集模块，温度采集模块，电源模块，微控制器模块和液晶显示模块组成。智能压力变送器系统的控制核心是微控制器模块，主要运行软件算法并实现智能管理，它由微控制器ATmega16 实现，包括D/A 转换器、可编程增益放大器、A/D 转换等。压力采集模块的主要作用是压力传感器输出的调制信号采集和产生压力传感器工作所需的交流激励电源。

本设计大致由四个部分构成，电容式智能压力变送器测量电路如图２所示。

NE555 部分通过改变电容值，在 NE555 的 3 脚输出一个频率信号，通过单片机外部中断 INT0 读取频率信号的频率， 在单片机内部通过定时计数器 2 转换成 PWM 波形，经 PD4 输出后传入 AD694 模块的输入。测量 AD694 输出部分从而 读取电压值显示在液晶显示器上。相应的实物图如３所示。

3 系统软件设计

系统软件的主程序是监控程序，在程序运行时需要考虑初始化问题。因此需要考虑中断程序初始化，定时器初始化及各控制端口的初始化。系统流程图如图 4 所示。

本系统采用ATmega16 作为核心处理器件。上电时首先通过PB2、PB3 检测系统电压是否异常，若异常则发出警报信号 [4]。在电压正常情况下，其工作流程如图 5 所示。

4 结 语

本设计基于 ATmega16 单片机压力检测系统，通过 12864 液晶实时显示，测量电路以 ATmega16 单片机为核心，高精度 仪表放大器放大压力传感器输出的微弱电压信号后，再经片 内信号调理单元放大并进行滤波处理，输入至 ATmega16 片内 的 A/D 转换器。A/D 转换器对相应通道进行模数转换后，输出 4~20 mA 的电流信号，经单片机程序处理，将最终结果显 示在液晶屏上，实现电流、电压的输出，通过压力传感器的变 化反应到相应显示波形的改变，从而完成电容传感器智能压 力变送器测量电路的研究。