压力检测与报警系统设计 电子设计竞赛Word格式文档下载.docx

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电压信号并不能直观的反映压力信息，故我们要将放大的电信号转换成代表压力大小的数值显示出来，为人所理解。

压力测量有一定的范围，超过范围会造成不想要的或者严重的后果，所以在压力超过测量范围时报警电路工作，避免过压。

该整体电路的工作原理是：

压力传感器由于受到压力作用产生一个小信号，经过放大器放1000倍后再经滤波器滤出工频对信号的影响方可作用于报警电路与显示电路。

将放大滤波后的电压信号一路送给A/D转换器，一路送给报警电路。

送与A/D转换器的电压经模拟变换后，输出为BCD码的数字信号，该数字信号经译码器之后方可送与显示器中显示。

而且显示的数值为压力，将电压数值变为压力数值，我们是通过改变A/D转换器的基准电压，使得输出压力与电压具有线性关系，而且此关系与传感器中输入与输出的关系一样。

另一路送与报警电路的电压信号，先经比较器与电压限定范围内的最大值进行比较，如果大于最大值译码器输出为高电平，反之将输出低电平。

将比较器的输出经过一延时电路之后再送给开关三极管，由开关三极管的开断来控制发光二极管与蜂鸣器的报警。

整体电路图见最后一页

在设计该系统时，要考虑精度和稳定度，方便人们使用，还要考虑到经济成本，和低碳环保，所以选择器件和设计电路时，须避免华而不实的东西，尽力做到简单，实用，低成本，低功率。

方案设计

综合各方面考虑我们慎重地得出来两套方案，各有可取之处

方案一：

此方案输出电压是由四个压力传感器构成桥式电路，相邻传感器的电阻变化为数值相等方向相反，这种设计思想不仅使得电路灵敏度提高而且其线性度也增好；

与此同时，温漂与零点漂移等干扰变小，有助于整个电路的性能。

它是传感器输出的经典电路。

方案框图如图1所示。

图1

方案中，显示电路是由一系列的数字集成器件构成，将放大后的电压经过A/D转换器变成一串二进制序列，然后在其内部转变为BCD码，再经过显示器驱动器CD4511后显示。

虽然结构复杂，但它受外界干扰较小，而且比用表头测量更实用与直观。

报警电路是利用比较器来判断是否报警，当输入电压大于传感器输出的最大电压时报警，否则不报警。

该设计用蜂鸣器发声，免去为扬声器提供一个频率的发生电路，同时蜂鸣器的电路简单价格便宜，适用于本设计的要求。

方案二：

方案二和方案一的主要不同在于它的显示部分的设计。

框图如图2所示。

图2

这一方案的传感器输出电路是由单个传感器构成，由于压力变化使得电阻变化从而输出电压发生变化，它输出的电压直接经放大电路放大与滤波之后分别送至报警系统和表头。

表头是可以直接显示模拟量的，所以得到的电压信号不需要进行数模转换，只需要让电压直接控制表头指针的偏转，然后规定好表头的量程和单位。

这使得电路图比较简单，容易实现。

方案一传感器输出用桥式电路比方案二单应变片传感器输出的精度要高，避免了零点漂移与温漂，并且提高了电路的灵敏度和线性度，对整个设计来讲是非常有益的。

而且发声电路用蜂鸣器比用一般的扬声器会使得电路更简单、更实惠。

另外方案二中采取的表头中，不可避免有机械老化，不是很耐用。

所以本设计我们采用方案一。

单元模块电路方案设计

对一个系统的设计，为使思路清晰和设计计划的拟定，通常将系统分成多个设计模块。

对于压力检测与报警系统，我们将它划分为五个模块，分别是供电电路，压力感应电路，放大和滤波电路，压力报警电路，压力显示电路。

下面我们就对该系统的各个模块进行分析。

供电电路

本系统中用到的很多芯片需要双电源供电，所以我们设计了能够输出±

5V的稳定直流电压。

这一部分电路用到的器件有LM7805，LM7905，两个二极管IN4001.，和自制的变压器。

稳压管LM7805是三端稳压电路，它的封装形式为T0220。

它有一系列固定的是输出电压，应用十分广泛，由于内部电流的限制,以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。

它的输出电流为100mA，输出电压为5V，输出电压误差小于±

5%，运行温度在0～125℃范围。

最大输入电压为35V。

LM7905是三端固定式负稳压电路封装和安全措施和LM7805相似。

输出电压为-5V，输出电压误差小于±

5%，它的输出电流为100mA，运行温度在0～70℃范围，最大输入电压-35V。

二极管IN4001最大反相电压为50V，输出电流可达1A。

电子系统为降低运行成本一般都使用220V工频交流供电，而电子设备内部使用的都是稳恒直流电，因此，需要将交流电变换成直流电。

本设计利用变压器将220V的交流电变成10V的交流电，该电压经过VD1和VD2整流，VD1、VD2是IN4001，C1、C2滤波，LM7805和LM7905稳压为±

5V后，提供给后续电路，使电路正常工作，电源电路原理图如图3所示。

图3

压力感应电路

我门采用型号为SP20C-G501的压力传感器，控制驱动电流稳定在1mA，则可以在一定压力范围内调节电桥平衡使输出电压在0～1mV。

为得到1mA的恒定电流，我们用LM317L连成了一个1mA的恒流源。

LM317L构成的恒流源，输出电流为

，式中

是基准电压，

是从调整端

流出的电流，通常

<

50uA，虽然

也随VI及环境的变化而变化，且也是Io的一部分，但由于

仅为78xx的

的1%，与Io相比，Io可忽略。

可见LM317L的恒流效果较好。

由于LM317的

=1.25V，其最小的电压差为3V，因此输入电压VI达到4.25V，电路就能正常地工作。

本设计中LM317L的输入点压为5V。

压降为3.75V，通过电流1mA，所以损耗的功率为3.75mW。

传感器部分电路原理图如图4所示。

图4

放大和滤波电路

从压力传感器出来的电压信号很微弱，仅为1mV，而且易受工频影响，为了便于应用与减小干扰，我们将输出电压信号进行放大与滤波处理。

我们采用仪用放大器LH0036作为第一级放大，是一种高精度的放大器。

其最大输入失调电压1mV，共模抑制比100dB，输入阻抗高达300

，电压增益范围1～1000，输入电压范围±

12V,输出短路时间连续，双电源供电，电源电压在±

1v～±

18V的范围内，我们采取±

5V供电。

它的放大倍数可以由可调电阻控制，放大倍数计算公式如下：

，

为接在引脚4和7之间的电阻。

可以看到当电阻值50Ω，放大倍数为1000，当电阻值无穷大时，放大倍数为1。

它的内部连接有3个放大模块，构成了前级差分放大电路与后级的比例放大电路，输入阻抗大，输出阻抗小，共模增益大。

这些优点都有适宜用做我们的放大电路部分的前级放大。

另外LH0036的内部功耗约为1.5W

前级放大原则上放大倍率是500倍，但由于后面我们用到了有源滤波器，考虑到滤波效果，其放大倍数不好确定，所以前级放大我们在引脚4和7之间接可调电阻，以调整放大倍数，使总的放大倍数为1000倍，这样从这一部分电路输出的电压范围应是0～1V。

为了防止工频对信号的影响，我们对放大输出信号进行滤波。

由于对信号幅值的稳定要求比较严格，通频带范围内的幅頻曲线应十分平稳，所以本设计选用巴特沃斯滤波器滤出10HZ以上的频率，它是电子滤波器的一种。

其特点是通频带的频率响应曲线最平滑，频率响应曲线最大限度的平坦，没有起伏，而且超过频带宽度逐渐下降为零。

在振幅的对数对角频率的波形图上，从某以边界频率开始，振幅随着角频率的增加而逐渐减小，趋向负无穷大。

它是唯一的一个无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样的形状的滤波器。

只不过滤波器的阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快。

本设计中，我们采用常用于有源滤波器的放大器OPA2111，该芯片内部集成了两个运算放大器A和B。

选择电容和电阻时，电容宜在微法数量级下，因此我们选定电容为0.01uF，再根据截止频率为10Hz，我们计算出电阻

、

和

的值，

。

选择

时，为减小偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地的电阻基本相等。

图5

压力报警电路

为了知道压力过大我们设计了报警电路，它含有声音报警与光报警。

无论是发声还是发光都需要控制电路，在本设计中用了电压比较器来控制报警系统。

电压比较器LM710是单电源工作集成器件，它的基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。

电压比较器常用于自控制、波形产生与变换，数模转换及越限报警等许多场合，而本设计中比较器用于最后一种情况。

集成式的比较器大多处于开环或正反馈的状态。

在分析比较器时，虚断路原则仍然成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。

我们在LM710正电压输入端接上5V电压，负电压输入端接0V电压，设定比较电压为1V，当输入电压小于1V时，输出的为0V，不能使后面的开关三极管导通，放光二极管和蜂鸣器也就不能工作。

当输入电压大于1V时，输出电压跳变到5V，导通开关三极管，放光二极管和蜂鸣器通上了电，开始闪烁地放光和发声，达到报警的效果。

报警电路原理图如图6所示。

图6

为了防止外界短暂的干扰导致开关三极管瞬间导通而产生错误的报警,我们在电压比较器之后加一延时电路RC,由R11和C11构成。

它可以在一定程度上避免外界干扰信号使报警器发生的错误报警，本电路的延迟时间在0.1s到0.2s之间，也就是对于维持时间小于0.2s的触发信号不报警，只有大于它时才触发声音报警于光报警。

它的工作原理是利用电容两端的电压不能突变，当输出的5V电压加到电阻R11上时电容两端的电压在瞬间仍然是0V，后面的三极管还没导通。

由于R11和C11的时间常数

=0.22s，所以，如果这个高电平持续时间超过0.2s，电容C11上的电压会升高，并导通三极管，给发光二极管和蜂鸣器通上电。

如果高电平持续时间小于0.2秒，则门1的电压不足以达到导通三极管的电压大小，也就不会报警。

报警电路中,使用的是9015型的开关三极管、闪烁发光二极管以及蜂鸣器。

闪烁发光二极管由一块IC电路和一只发光二极管相联，然后用环氧树脂全包封而成。

其中振荡器产生一个频率为f0的信号，经过几级分频器分频后，获得一个频率为1．3—5．2Hz范围中的某一固定频率，再由输出驱动级进行电流放大，输出一个足够大的驱动电流，使得闪烁发光二极管处于工作状态。

使用时，无需外接任何元件，只要在两只引出脚上加一定电压，即可自行产生闪烁光。

这里使用的是BTS314058，功率为200mW,只需在两端加上5V电压即可工作。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电的发声器件。

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示。

本设计中用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。

多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

为了控制蜂鸣器声音的大小，我们用一个固定的电阻来使得声音大小恒定。

压力显示电路

这部分电路是将采集到的关于压力大小的电信号显示成实际压力的大小。

我们将其显示在数码管。

主要用到了ICL7135，CD4511，NE555定时器和数码管。

为显示出压力大小，需将放大和滤波后的模拟电压进行AD转换，得到数字信号，本设计中需要将输出的数字量在数码管中显示，我们选用积分式A/D转换器ICL7135，它的内部有将二进制转换为BCD码的功能，故而免去了用一般A/D转换器还需将二进制数转换成BCD码所带来的麻烦。

ICl7135的内部分为模拟电路和逻辑电路两大部分，它由缓冲器、积分器、比较器和模拟开关组成。

每个A/D转换周期分4个阶段：

自动调零（AZ）、信号积分（INT）、反向积分（DE）、零积分（ZI）。

双电源供电，功率损耗仅为15mW。

各引脚功能如下：

V+、V分别接正、负5V电源。

AGND、DGND：

模拟地、数字地。

CLK：

时钟信号输入。

D1～D5:

个位、十、百、千、万位的扫描输出端，按最高端到最低端的顺序发生扫描驱动信号，只要不出现超量呈状态，就一直不断的进行扫描。

在超量程状态，从SRT选通时序信号结束一直到D5重新扫描的时间内，全部驱动信号停止，这表明显示器将断续的亮灭。

因此闪烁的方式表示量程的状态。

B1、B4、B8、B2：

BCD码的输出端，按照8421码编码，B8为最高位，B1为最低位。

UNDER：

欠量程输出端，当读数是量程的9%或更小时，它输出高电平。

OVERRANG：

超量程信号的输出端，当

大于2.0000v时，它变为高电平。

：

数据选通输出端。

BUSY：

忙碌输出端，用来指示A/D转换正在进行或已进行完毕，在积分过程中，它为高电平，在自动调零阶段为低电平。

R/H：

运行保持控制段，此端加高电平或悬空时，能自动进行A/D转换；

它加低电平时，读数保持不变，直到它为高电平时才能改变读数，但此时A/D转换照样进行。

POL：

信号极性输出端，正信号时输出高电平。

VREF+:

基准电压的正端。

COM：

模拟信号的公共端，简称模拟地，也是基准电压的负端。

INTOUT：

积分器的输出端，接积分电容CINT。

AZIN：

自动调零输入端。

CREF+、CREF-：

外接基准电容。

INLO、INHI：

分别为信号输入的低端与高端。

BUFOUT：

缓冲放大器的输出端，接积分电阻RINT。

CD4511是七段锁存译码显示器，在同一片单片结构上由CMOS逻辑器件和NPN双极型器件构成，这些器件的组合，使得CD4511具有很低的静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mv的性能，由此可直接驱动LED及其它显示器件。

LT、BL、LE的输入端可以分别检测显示、亮度调节、存储或选通一BCD码等功能，使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。

其有关参数的极限值：

电源电压-0.5V～18V，输入电压-0.5V～+0.5v，输入电流10mA。

输入端有三个控制端，LE、BL、LT。

LE接低电平正常工作，接高电平锁存；

BL是灭灯输入，接高电平时熄灭，低电平工作；

LT是灯测试输入端，为高电平时a～g全亮。

输出端a～g，分别控制数码管的七段发光二极管a～g。

555定时器接成输出200KHZ的振荡器。

数码管采用共阳极数码，CPS02811C，为提高测量精度，我们采用五个数码管用于显示压力。

设定ICL7135的时钟频率为200KHZ，转换速率为每秒3次。

AD转换需要外接模拟器件，我们是按照它的典型连接方式连接的。

积分基准电压设定为1V，通过稳压二极管CH8096得到1.2V的稳定电压，再利用R16=10KΩ的可调电阻分压得到1V的稳定电压。

积分电容值0.47uF，积分电阻100KΩ，这样连接的电路，最大失调电压为10uV，测量压力的范围在0～1000N，10uV的电压误差相当于0.1N的力的误差，考虑到前面的放大滤波等模块引起的误差，总的绝对误差约为1N。

所以精度可以达到0.1级。

D1～D5依次顺序输出高电平，从D5到D1，依次控制五个三极管导通，使五个数码管轮流显示。

B1、B2、B4、B8依次输出各位BCD码，经过CD4511译码显示。

数码管1到4分别为千位，百位，十位，个位，数码管4的小数点位点亮，测量结果可以精确到小数点后一位，数码管5即为小数位。

图7

总结

通过半个月的努力，我们完全按照设计要求完成了设计任务，压力测量范围0～1000N，测量精度达到0.1级。

通过数码管显示压力大小，便于读取。

报警电路还采取了人性化的，防误报警设计。

总功耗约10W。

参加此次设计大赛不仅是为了提高自己的能力与利用所学在实际中的应用，还是因为对电子设计的浓厚兴趣。

本次设计不但要求我们了解通用器件在实际设计中的运用，还要求我们对设计要求有一定的程度的理解。

我们查找并参考相关书籍，从中进一步的了解一些基本电路的工作原理以及一些元器件的应用，在这次设计中我们都或多或少的学到了一些课本之外的知识，也对以前所学的专业课有了更深层次的了解，像A/D转换器的工作原理，我们在次之前了解甚少，几除了知道用于模拟量与数字量之间的转换外几乎一无所知，经过一个设计之后我们已经对它了解很多，至少在以后应用中回得心应手。

团结才是力量，在整个设计过程中我们一起思考问题发现问题，解决了一个又一个的难题，我相信，在此过程中所获益的不仅仅是知识还有友谊。

这次设计我们完成了对于设计的基本要求与一些附加功能，但由于对一定元器件的了解甚少，一些地方的连接方式是参照典型连接方式的，或许不是本设计最为理想的连接方式！

为此，我认识到基础知识十分重要，往后的应进一步努力巩固和理解基础知识和基本原理。

附录1

元件列表：

元件名称

型号

数量/个

振荡器

NE555

1

电容电阻

----

若干

A/D转换器

ICL7135

恒流源

LM317L

集成放大器

LH0036和OPA2111

各1

译码器

CD4511

数码管

CPS02811C

5

稳压管

LM7805LM7905

比较器

LM710

压力传感器

SP20C-G501

蜂鸣器

5V蜂鸣器

开关三极管

8550

整流二极管

IN4001

2

闪烁二极管

BTS314058

9015

附录2

参考文献：

【1】阎石数字电子技术基础【M】第五版北京电子工业出版社2003

【2】王宪数字电子技术试验【M】第二版沈阳沈阳电工电子实验教学中心2010

【3】杨萍数字电路和数字系统【M】第二版合肥人民邮电出版社2009

【4】王春波数字电子技术基础教材【J】第一版武汉武汉大学出版社2004

【5】梁延贵积分式A/D转换器科学技术文献出版社2002

【6】孙余凯数字实用电路电子工业出版社2007

压力检测与报警系统原理图