基于LM331和单片机的压力数据采集
引言
A／D转换器广泛应用于单片机控制数据采集的模拟信号转换。而对于长距离数据传输，高精确度应用，使用一般A／D转换器则存在诸多缺点，可使用V／F转换器代替A／D转换器。V/F转换器与单片机的接口只需一个I/O端口，输入频率信号，且接口简单，占用硬件资源少。以单片机和V／F转换器为核心的数据采集系统，能够实时测量由传感器检测的压力，并满足系统测量精度要求。
2 系统基本原理结构
压力传感器将被测压力转换为电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时／计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算压力值。图1为系统结构图。
3 系统硬件设计
3．1 压力传感器MPXV50014G模块
集成硅压力传感器MPXV5004G内部除传感单元外，还包含信号调理器、温度补偿器和压力修正电路，特别适用于由单片机构成的检测系统。MPXV5004G压力传感器采用额定5 V供电电压，最大测量压差为3．92 kPa，最大耐受压力为16 kPa，温度补偿范围为一30℃～100℃。在工作温度为10℃~60℃，压力范围为0~4 kPa时，该压力传感器具有良好的线性，输出关系：
式中：VOUT是输出电压，VS是工作电压，P是压力值，误差为0．045 V。
使用该传感器时，要在供电与地之间加去耦电容，滤除器件本身产生和电源所含的高频信号干扰；在信号输出与地之间加去耦电容，滤除输出信号的噪声成分。图2为去耦电容配置。
应用中，考虑到压力传感器因温度变化或器件老化等导致的零点漂移，必须通过校正零点，修正输出值，以使其输出值在较长工作时间内都能保持足够的正确性和精确度。
3．2 V/F转换器LM331模块
LM331是通用型V／F转换器，频率范围为1～100 kHz，最大非线性误差为0．01％，最大温漂为50 ppm／℃，电源范围为4~40 V，输入电压范围为一2．O V~VS。当4．5 V≤VS≤10 V时．电源电压对增益的影响为0．1％V；当10 V≤VS≤40 V时，电源电压对增益的影响为0．06％V。LM331的V／F转换外部电路，如图3所示。
图3中，输出频率fout=KVIN，其中K=Rs／(2．09RtCtRL)。选用典型值Rt=6．8 kΩ，RL=100 kΩ，Ct=0．0lμF。系统中，取K=1000，故Rs=14．212 kΩ。电路中Rs用一只12 kΩ的固定电阻和一只5 kΩ的可调电阻串联组成，用于调整LM33l的增益偏差和RL，Rt，Ct所引起的偏差。CIN为滤波电容，一般取在0．01~0．1μF，在滤波效果较好的情况下，CIN采用lμF的电容。为了提高精度及稳定性，以上阻容元件选用低温度系数的器件，最好是金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。
3．3 V／F转换器和单片机的接口(光电耦合器6N137)
在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上，隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路问加入一个光电耦合器，光电耦合器的线性范围有限，用于数字信号传输。同时，光电耦合器的体积小，转换速度快，因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V／F转换器与单片机，增强系统的抗于扰能力，防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞，同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图4为6N137的典型应用电路。
6N137的引脚2为信号输入端，当输入信号为高电平时，发光二极管发光，反向偏置的光敏管光照后被导通，经电流一电压转换送到与门，与门的另一输入端(引脚7)为使能端，当使能端为高电平时，信号输出端(引脚6)输出低电平。当输入信号为低电平时，输出为高电平。Vcc(引脚8)和地(引脚5)之间必须接一只O．1μF高频特性良好的电容，且应尽量靠近引脚8和引脚5放置。发光二极管正向压降1.2～1．7 V，正向电流6．5～15 mA，所以在引脚3和地之间必须加470Ω限流电阻。
3．4 单片机AT89C51模块
该系统设计需用单片机的一个中断．一个定时器。一个计数器。这里选用AT89C51，其包含2个16位定时／计数器和5个中断。当MCS-51内部的定时/计数器选定为定时模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器加l；一个机器周期为外部时钟振荡频率的1／12，采用12 MHz的晶体振荡器，机器周期为1μs。当内部定时/计数器被选定为计数模式时计数脉冲来自外部输入引脚P3．4(T0)或P3．5(T1)。输入信号产生由1到O的负跳变时，计数器加1。由于一次负跳变要用两个机器周期，所以选用12MHz晶体振荡器时，为确保电平在变化之前被采样一次，外部计数输入信号不能超过500 kHz。16位定时／计数器的最高计数值为65 535，在这里已满足设计需要。系统设置AT89C51的T0为定时器，T1为计数器，当单片机接收到中断信号时，定时、计数同时开始，定时结束，计数也随之结束。再利用单片机的运算功能将计数值除以定时值，就能得到所测信号的频率。通过频率与电压，电压与所测压力的线性关系，即可得到相应的压力值。
4 系统软件设计
系统软件设计采用Keil C51语言编写，应用模块化设计，主要包括测量函数，中断子程序，控制函数。主程序流程图如图5所示。
设定TO为定时器，基本定时时间为50 ms，Tl为计数器。IE=Ox8a，TMOD=Ox51。当P3．2口为低电平时，状态标志位flag变为O，开始测量，利用中断，每当定时满500 ms时，计数器停止计数，完成测量，状态标志位flag变为1，读取计数值，以计算频率，并通过频率求得压力。当P3．2口为高电平时，进入依据测量所得压力值而进行的对传感器监测对象的控制阶段。以下给出测量函数的程序代码和T0中断子程序：
5 结语
该测量系统设计应用广泛，如汽车电子控制、工业生产监控、安全防护以及家用电器等；结构简单，精确度高，性能稳定，适合那些对测量精度要求准确，并有一定抗干扰能力的场合。
A／D转换器广泛应用于单片机控制数据采集的模拟信号转换。而对于长距离数据传输，高精确度应用，使用一般A／D转换器则存在诸多缺点，可使用V／F转换器代替A／D转换器。V/F转换器与单片机的接口只需一个I/O端口，输入频率信号，且接口简单，占用硬件资源少。以单片机和V／F转换器为核心的数据采集系统，能够实时测量由传感器检测的压力，并满足系统测量精度要求。
2 系统基本原理结构
压力传感器将被测压力转换为电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时／计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算压力值。图1为系统结构图。
3 系统硬件设计
3．1 压力传感器MPXV50014G模块
集成硅压力传感器MPXV5004G内部除传感单元外，还包含信号调理器、温度补偿器和压力修正电路，特别适用于由单片机构成的检测系统。MPXV5004G压力传感器采用额定5 V供电电压，最大测量压差为3．92 kPa，最大耐受压力为16 kPa，温度补偿范围为一30℃～100℃。在工作温度为10℃~60℃，压力范围为0~4 kPa时，该压力传感器具有良好的线性，输出关系：
式中：VOUT是输出电压，VS是工作电压，P是压力值，误差为0．045 V。
使用该传感器时，要在供电与地之间加去耦电容，滤除器件本身产生和电源所含的高频信号干扰；在信号输出与地之间加去耦电容，滤除输出信号的噪声成分。图2为去耦电容配置。
应用中，考虑到压力传感器因温度变化或器件老化等导致的零点漂移，必须通过校正零点，修正输出值，以使其输出值在较长工作时间内都能保持足够的正确性和精确度。
3．2 V/F转换器LM331模块
LM331是通用型V／F转换器，频率范围为1～100 kHz，最大非线性误差为0．01％，最大温漂为50 ppm／℃，电源范围为4~40 V，输入电压范围为一2．O V~VS。当4．5 V≤VS≤10 V时．电源电压对增益的影响为0．1％V；当10 V≤VS≤40 V时，电源电压对增益的影响为0．06％V。LM331的V／F转换外部电路，如图3所示。
图3中，输出频率fout=KVIN，其中K=Rs／(2．09RtCtRL)。选用典型值Rt=6．8 kΩ，RL=100 kΩ，Ct=0．0lμF。系统中，取K=1000，故Rs=14．212 kΩ。电路中Rs用一只12 kΩ的固定电阻和一只5 kΩ的可调电阻串联组成，用于调整LM33l的增益偏差和RL，Rt，Ct所引起的偏差。CIN为滤波电容，一般取在0．01~0．1μF，在滤波效果较好的情况下，CIN采用lμF的电容。为了提高精度及稳定性，以上阻容元件选用低温度系数的器件，最好是金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。
3．3 V／F转换器和单片机的接口(光电耦合器6N137)
在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上，隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路问加入一个光电耦合器，光电耦合器的线性范围有限，用于数字信号传输。同时，光电耦合器的体积小，转换速度快，因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V／F转换器与单片机，增强系统的抗于扰能力，防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞，同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图4为6N137的典型应用电路。
6N137的引脚2为信号输入端，当输入信号为高电平时，发光二极管发光，反向偏置的光敏管光照后被导通，经电流一电压转换送到与门，与门的另一输入端(引脚7)为使能端，当使能端为高电平时，信号输出端(引脚6)输出低电平。当输入信号为低电平时，输出为高电平。Vcc(引脚8)和地(引脚5)之间必须接一只O．1μF高频特性良好的电容，且应尽量靠近引脚8和引脚5放置。发光二极管正向压降1.2～1．7 V，正向电流6．5～15 mA，所以在引脚3和地之间必须加470Ω限流电阻。
3．4 单片机AT89C51模块
该系统设计需用单片机的一个中断．一个定时器。一个计数器。这里选用AT89C51，其包含2个16位定时／计数器和5个中断。当MCS-51内部的定时/计数器选定为定时模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器加l；一个机器周期为外部时钟振荡频率的1／12，采用12 MHz的晶体振荡器，机器周期为1μs。当内部定时/计数器被选定为计数模式时计数脉冲来自外部输入引脚P3．4(T0)或P3．5(T1)。输入信号产生由1到O的负跳变时，计数器加1。由于一次负跳变要用两个机器周期，所以选用12MHz晶体振荡器时，为确保电平在变化之前被采样一次，外部计数输入信号不能超过500 kHz。16位定时／计数器的最高计数值为65 535，在这里已满足设计需要。系统设置AT89C51的T0为定时器，T1为计数器，当单片机接收到中断信号时，定时、计数同时开始，定时结束，计数也随之结束。再利用单片机的运算功能将计数值除以定时值，就能得到所测信号的频率。通过频率与电压，电压与所测压力的线性关系，即可得到相应的压力值。
4 系统软件设计
系统软件设计采用Keil C51语言编写，应用模块化设计，主要包括测量函数，中断子程序，控制函数。主程序流程图如图5所示。
设定TO为定时器，基本定时时间为50 ms，Tl为计数器。IE=Ox8a，TMOD=Ox51。当P3．2口为低电平时，状态标志位flag变为O，开始测量，利用中断，每当定时满500 ms时，计数器停止计数，完成测量，状态标志位flag变为1，读取计数值，以计算频率，并通过频率求得压力。当P3．2口为高电平时，进入依据测量所得压力值而进行的对传感器监测对象的控制阶段。以下给出测量函数的程序代码和T0中断子程序：
5 结语
该测量系统设计应用广泛，如汽车电子控制、工业生产监控、安全防护以及家用电器等；结构简单，精确度高，性能稳定，适合那些对测量精度要求准确，并有一定抗干扰能力的场合。