扩散硅压阻式压力传感器的压力测量讲解

传感器课程设计报告

题目：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量

专业班级：BG1003

姓名：桑海波

时间：2013.06.17~2013.06.21

指导教师：胥飞

2013年6月21日

摘要

本文介绍一种以AT89S52单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力传感器电路的工作原理以及A/D变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。

关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52单片机，ADC0809，数码管

目录

1.引言 (1)

1.1课题开发的背景和现状 (1)

1.2课题开发的目的和意义 (1)

2.设计方案 (2)

2.1设计要求 (2)

2.2设计思路 (2)

3.硬件设计 (3)

3.1电路总框图 (3)

3.2传感器电路模块 (3)

3.3A/D变换电路模块 (4)

3.4八段数码管显示 (8)

3.5AT89S52单片机 (9)

3.6硬件实物 (12)

4.实验数据采集及仿真 (13)

4.1数据采集及显示 (13)

4.2实验数据分析 (13)

5.程序设计 (16)

5.1编程软件调试 (16)

5.2软件流程图 (17)

5.3程序段 (18)

6.结果分析 (19)

7.参考文献 (20)

1.引言

1.1 课题开发的背景和现状

传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号的的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。

近年来，随着国家资金投入大的增加，我国压阻式传感器有了较快的发展，某些传感器如矩形双岛膜结构的6KPa微压传感器的性能甚至优于国外，其非线性滞后、重复性均小于5×10-4FS，分辨率优于20Pa，具有较高的过压保护范围以及可靠性。但是就总体而言，我国压阻式传感器的研究，在产量和批量封装等方面还存在不足，精度、可靠性、重复性尚待提高，离市场需求级国际水平还有较大差距。

1.2 课题开发的目的和意义

日常生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。

2.设计方案

2.1设计要求

1．了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理；

2．掌握扩散硅压阻式压力传感器调理电路和AD转换；

3．了解非线性特性和其校正方式；

4．使用单片机读取转换值并显示。

2.2设计思路

利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量的变化改为压力的变化，即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是扩散硅压阻式压力传感器。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的进行各种转换处理的要求。ADC0809 的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，由六位八段数码管显示出测量结果。

3.硬件设计

3.1电路总框图

该扩散硅压阻式压力传感器实验，采用筒式压力传感器，输出信号通过AD 转换器实现模拟到数字的转换，再经过89C51芯片，在LED数码管显示所要的结果。总的电路构建框图如下。

图3.1基于MCS-51单片机为核心压力传感器实验构建框图

3. 2传感器电路模块

扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，输出电压的变化即反映了其所受到的压力变化。

图3.2扩散硅压阻式压力传感器

扩散硅压力传感器工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

扩散硅压力传感器内部结构简图如下：

1-低压腔2-高压腔3-硅杯4-引线5-硅膜片

图3.3结构简图

3. 3 A/D变换电路模块

ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别、，较为常见的ADC

主要有逐次逼近型、双积分型和电压—频率变换型三种。

这里我们选用逐次逼近型，即ADC0809。它由±5V电源供电，片内带有锁存

功能的8路模拟多路开关，片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗

斩波器、稳定的比较器，256Ω电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存

器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的

外接电路，ADC0809可对0V～5V的双极性模拟信号进行转换。ADC0809是28脚双

列直插式封装，引脚图如图3-3 所示。各引脚功能说明如下：

2-1～2-8：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。