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电子设计--压力检测与报警系统

压力检测与报警系统的设计参赛学院:电气与信息工程学院参赛队号:队员姓名:压力检测与报警系统摘要:设计了一个压力检测与报警系统,包括压力检测电路、放大与滤波电路、声光报警电路和数码显示电路。

其中压力检测电路由四个应变式构成的全桥差动电路组成,使得压力传感器自身具有非线性误差和温度补偿作用。

放大与滤波电路采用两级放大,具有放大差模信号和抑制共模噪声的作用。

声光报警器由双555定时器构成,电路简单实用。

数码显示以A/D转换芯片MC14433为核心,其转换精度较高,为±0.05%。

关键字:压力检测;数码显示;温度补偿; MC14433一、 引言:本设计要求做一个压力检测与报警系统,主要过程是:首先采用传感器检测施加压力并输出电压信号,经过信号处理输出到报警电路和数码显示电路,从而可实现压力的检测和报警功能。

二、方案设计:(一)设计思路:整个设计由以下模块组成:(二)方案分析:由上述方框图可知,设计电路由压力检测电路、放大与滤波电路、声光报警电路和数码显示电路组成。

其中压力检测电路由四个应变式构成的全桥差动电路组成,放大与滤波电路分别采用两级放大和有源滤波,声光报警器由双555定时器构成,数码显示可采用A/D 转换功能的芯片TC7106和液晶显示器LCD 或采用A/D 转换芯片MC14433和数码管LED 组成。

由于设计在数码显示项目上要求严格,且考虑到数码显示电路在整个电路中的重要地位,故在数码显示模块上提出两个不同的方案。

如下:第一种方案:数码显示电路由A/D 转换和译码功能的芯片TC7106和液晶显示器LCD 组成。

由于TC7106是把模拟电路与逻辑电路集成在一块芯片上,属于大规模CMOS 集成电路,转换准确度为±0.2%。

本方案主要有以下特点:(1)采用单电源供电,可使用9V 迭层电池,有助于实现仪表的小型化。

(2)芯片内部有异或门输出电路,能直接驱动LCD 显示器。

(3)功耗低。

芯片本身消耗电流仅1.8mA ,功耗约16mV 。

数码显示放大与滤波 声光报警压力传感器(4)输入阻抗极高,对输入信号无衰减作用。

(5)能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动显示极性的功能。

(6)噪声低,失调温标和增益温标均很小。

具有良好的可靠性,使用寿命长。

(7)整机组装方便,无须外加有源器件,可以很方便地进行功能检查。

第二种方案:数码显示电路由A/D转换和译码功能的芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。

MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片3位半A/D转换器,它适合构成带B码输出的3位半LED显示数字电压表,是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。

MC14433的性能特点:(1)MC14433属于CMOS大规模集成电路,其转换准确度为±0.05%。

内含时钟振荡器,仅需外接一只振荡电阻。

能获得超量程(OR)、欠量程(UR)信号,便于实现自动转换量程。

能增加读数保持(HOLD)功能。

电压量程分两挡:200mV、2V,最大显示值分别为199.9mV、1.999V。

量程与基准电压呈1∶1的关系,即UM=UREF。

(2)需配外部的段、位驱动器,采用动态扫描显示方式,通常选用共阴极LED数管。

(3)有多路调制的BCD码输出,可直接配μP构成智能仪表。

(4)工作电压范围是±4.5 V~±8V,典型值为±5V,功耗约8mW。

(三)方案选择:从方案中可以看出两种数码显示电路各自有自己的优缺点,鉴于本设计的设计要求:设计5V的直流稳压源、精度提高到0.1级。

第一种方案中芯片TC7106供电电压为9V,转换准确度为±0.2%,即转换精度为0.2级;第二种方案中芯片供电电压为5V,且转换准确度为±0.05% ,即转换精度为0.05级;故在本设计中采用第二种方案。

三、各模块分析(一)、5V直流稳压电路在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。

本模块设计了一个有220V交流电压转换为5V直流输出电路从而实现对压力传感器、放大与滤波电路、声光报警及数码显示电路的供电。

该电路由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成,如图1所示。

图1、 5V直流稳压电路整个系统由220V交流输入供电,经过变比为11:1的电源变压器降为20V交流电压,然后通过桥式整流电路将交流电压变为周期脉动的直流电压,再通过电容C滤波得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。

因而在整流、滤波电路之后,还需接稳压电路。

1、整流、滤波电路部分变压器二次侧电压为 V2=20V,电容C两端电压为V3=(1.1~1.2)V2取V3= 1.2V2=1.2*20=24V。

2、稳压电路部分稳压电路由带隙基准电压源电路、稳压管Dz1电路和运放反馈电路组成。

为要求基准电压源输出电压稳定性高,噪声低,通常我们采用由稳压管组成的基准电压源电路。

电路中R0为限流电阻,T1、R1和Dz2为稳压电源的启动电路,当输入电压V3为一定值,且高于Dz2的稳定电压Vz2时,稳压管两端电压Vz2使T1导通,电路中A点电位建立,整个电路进入正常工作状态。

假设电位器Rp箭头在中间位置,输出电压为Vo,Dz1两端电压为Vz1,选取Vz1为2.5V,则Vo=((R3+Rp+R4)/(R4+1/2Rp))Vz1=2Vz1=5V 为要求的输出电压。

反馈电路由采用电阻和运算放大器组成,当输出电压发生变化时,采样电阻取其变化量的一部分送到放大电路的反相输入端,使输出电压更加稳定。

(二)、恒流源驱动传感器电路压阻式传感器可以有恒压源供电,也可以由恒流源供电,但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题。

压阻式传感器的四个检测电阻接为全桥差动形式,如图2所示。

图2、桥式差动电路假设四个扩散电阻的起始组织都相等且为R,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为ΔR,另两个电阻阻值减小,减小量为ΔR,由于温度影响,使每个电阻值都有ΔRT的变化量。

当传感器采用恒压源E供电时,输出电压为恒压时 V=EΔR/(R+ΔR)可以看出输出电压与温度有关且为非线性。

当采用恒流源I供电时,输出电压为恒流时 V=IΔR可以看出输出电压与温度无关,就消除了温度对传感器输出的影响,且没有非线性误差。

故采用恒流源供电,如图3所示。

图3、恒流源电路恒流源输出电流为I,则I=(5-0.7)/R5=1.43mAV=IΔR(三)、放大与滤波电路1、放大电路本放大电路采用三运放差分放大电路,如图4,电路中输入级由IC3和IC4两个同相输入运算放大器并联,再与IC5差分输入串联,电路优点:差模信号按差模增益放大,远高于共模成分(噪声);决定增益的电阻(R7,Rp1,R9)理论上对共模抑制比Kcmr没有影响。

其中第一级放大倍数可调,但在工程应用上一般不要超过30倍,当Rp1箭头处于8K位置时,第一级放大倍数为Avd1=(Rp1+2R7)/Rp1=(8+200)/8=26第二级放大的放大倍数为10,所以整个放大电路放大倍数为260倍。

IC6电路是输出偏置调整电路,可以根据需要对输出电压的基线进行调整。

图4、放大电路2、滤波电路(1)、50Hz陷波器在信号检测的应用电路中,经常在微弱的有用信号中混有50Hz的工频干扰信号,所以需要用陷波器将其滤除,50Hz的陷波器如图5所示。

主体电路分为两个部分,前一个部分为陷波部分,采用双T式接法,可以看成是一个二阶带阻滤波电路。

R16、R17和C3以及C4、C5、R18分别决定两个滤波截止频率。

其中,R18可以看成是两个21K的电阻并联后的结果,C3可以看成是两个0.1uF 的电容并联后的结果,因此可以等效成对应的对称滤波电路。

电路高端截止频率和电路低端截止频率相等,可求的f1=f2=50Hz,所以该电路可以专门针对50Hz 的信号起作用。

后一个部分是一个运算放大器,主要是给信号提供有源反馈,提高信号质量。

图5、50Hz陷波器带电路(2)、低通滤波器为了进一步滤除50Hz及以上频率的干扰信号,在陷波器之后设计一个巴特沃兹二阶有源低通滤波器,它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成,如图6所示。

有源滤波具有电路输入阻抗高,输出阻抗低以及Q值高等特点,在电路中有一定的电压放大和缓冲作用。

设计要求滤除50Hz及以上的高频信号干扰,即滤波器的截止频率为50Hz,则由f0=1/2πRC=50 得到 RC=0.0032可选取C=1uF,则R=3.2K。

图6、低通滤波电路(四)、声光报警电路本电路采用有双555定时器组成的声光报警电路,如图7,当压力在正常范围内使传感器输出电压在规定的0~1.000mv情况下,LED1绿色指示灯亮,扬声器不响;当压力超出范围使传感器输出电压大于1.000mv,LED1绿色指示灯灭,LED0红色指示灯亮,扬声器发出断续音,从而实现了声光报警功能。

电路具体工作情况如下:声光报警器正常输入电压为0~260mv,压力超出范围时报警器输入电压V>260mv8端口电压Vcc=5*1/16=312.5mv 2Vcc/3=210mv当压力作用在传感器使电路首次通电时,C8电压又0V开始充电上升,所以555(1)时基电路的2,4脚电位也从0V开始上升,555(1)时基电路先复位,后置位,输出端口3为高电平,LED1点亮发光,而555(2)的4端口输入为低电平,555(2)被强制复位,扬声器无声。

电阻R24、Rp2、Rp3串联接成分压器,当传感器输出电压波动时,555(1)的6,2引脚电位也随之波动,当传感器输出电压大于1.000mv时,555输入端电压大于260mv,通过调节Rp2、Rp3到合适值,6引脚电位上升到8端口电位的2/3时,555(1)时基电路复位,3脚输出低电平,LED1灯灭,红色发光管LED0点亮报警;同时555(2)的4端口输入也为高电平,解除对555(2)的封锁,555(2)开始起振,扬声器发出报警声响。

图7、声光报警电路(五)、比例器电路数码显示电路显示的是放大后的电压信号(mv),如果希望显示的是压力值(Pa),还需要在数码显示电路前添加一个比例器,使显示电路显示的是真实压力值。

比例器电路如图8。

图8、比例器电路因为没找到输出电压范围在0~1.000mv的压力传感器型号,在此假设压力和传感器输出电压对应关系为:输出电压上限1.000mv 对应压力2000Pa 而1.000mv经过放大260倍后为260mv,但是数码显示输出的值要为2000,从而比例器比例系数为: K=2000/260=7.69从而数码显示电路显示范围为0.000~1.999 KPa,所以本设计MC14433选择量程为2V档。

(六)、数码显示电路数码显示模块将被测模拟量转换为数字量,并进行实时数字显示。

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