总之，虚拟样机技术在机械设计中得到了广泛应用，不仅提高 了机械设计的效率，还降低了成本。虚拟样机技术不仅包括几何形 体的计算机辅助设计软件、有限元分析软件，还包括控制系统设计 和分析软件等。因此可以预见，该技术将在机械设计领域得到越来 越广泛的应用。
修改后再进行迭代求解，从而实现多次仿真。每次仿真试验都会修 改一部分模型设计变量，直至得出所设定的物理量最优解为止。 3.4 控制、机械系统的联合仿真
性或者控制质量的好坏等，就会得到有效的解决。控制与机械系
和发展［Ｊ］．中国农机化，２００８（１２）
统联合仿真的设计思想为：通过相关的仿真分析软件建立起设计 ［５］ 赵传贝．浅谈虚拟样机技术在机械设计中的应用［Ｊ］．研究与探
目标的三维模型、动力和运动学模型，再通过控制系统软件提供
索，２０１０（９）
相应的控制算法和电机模型。当运动学仿真软件接收到控制软件
压力模块使用的微控制器是 20 管脚的 AT89C4051。该控制器
传送过来的控制命令后，再通过虚拟位置传感器将各种物理量反
收稿日期：2011－06－07
馈到控制系统中，最终完成一整套的机械系统与控制系统的联合
作者简介：尹建学（1961—），男，山东省招远市人，助理工程师，研
仿真试验。
究方向：机械、设计。
机电信息 2011 年第 21 期总第 303 期 139
设计与分析◆Sheji yu Fenxi
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
智能数字压力表设计
郭睿
（山东先河悦新机电股份有限公司，山东 淄博 255120） 摘 要：主要介绍了智能数字压力表的测量原理和设计思路，详细阐述了数字压力表各个子模块的设计内容，包括压力采集、温度补偿、电 源管理、中央控制等等。实验证明，根据此方案设计出来的智能数字压力表具有简单、易用、可靠的性能。 关键词：压力传感器；压力模块；主机
2.2 主机
通 过 芯 片 MAX660、REF02、OP07、ICL7660 转 换 出 AD7710 和
主机根据接收的数据将压力值显示出来，并能校准压力模块。 AD590 所需电源，从而保证压力计量结果的准确性。
主机有电源管理电路和精密电测电路，显示被测电量并和微机通 3.1.4 中央控制模块
讯，最终实现自动测量。
2.1 压力模块
输的信号应该越少越好。在此采用 6 芯有屏蔽层的电缆传输线，传
包括压阻式压力传感器、A／D、单片机、电源管理电路、恒流 输的信号分为 DC+5 V、GND1；DC+24 V、RXD、GND2；TXD 几种；
源、温度补偿电路几部分。在传感器允许压力范围内，输出电压和 其中，DC+24 V 为模块内的恒流源工作电源，而 DC+5 V 为模块其
压力传感器可以把压力信号转换成可测量的电信号，特点是 精度高、线性一致、重复性好。将压力的变化转换成电阻变化的传 感器被称为压阻式压力传感器，当需要进行高精度测量时，通常采 用此种传感器，其内部电路结构如图 1 所示。
Is
R11
R21
V
PIN
RP
R12
Байду номын сангаас
图 1 压阻式压力传感器电路结构图
由上图可以看出，传感器内部是电阻电桥式结构，压敏电阻为
两者不会产生互动，从而会对设计效果产生直接的影响。但是虚 ［３］ 郑新．虚拟样机技术在印刷机械设计中的应用［Ｊ］．广西轻工业，
拟样机技术具有机构控制一体化的特点，它对机电作整体设计，
２００８（９）
因此一些机械系统与控制系统的互动问题，比如控制规律的合理 ［４］ 王凯湛，马瑞峻，胡健锋．虚拟样机技术在农业机械设计上的应用
一桥臂，还有 R11、R12、R21 3 个精密电阻，其中 R11＝R12＝R。当将压力 作用于压敏电阻时，相应的 Rp 阻值增大。于是精密电流源 I 即流
入电桥电路。输出电压与压敏电阻 Rp 的关系如下式所示：
R R U＝
R21－Rp R21+Rp+2R
·R·I
压力输入为大气压时，即 R21＝RP 时，U≈0 mV。建议的输入电流
单片机 2
PC 计算机
温度补偿
电源管理 恒流源
键盘 显示
图 2 结构原理图 智能数字压力表可以分为压力模块和主机 2 部分，二者通过数 字通讯实现压力测量结果传输和压力自动测量。它们的作用如下：
限元法具有较高的可靠性，所以在设计过程中是必不可少的计算 4 结语
工具之一。 3.3 设计优化
优化是机械设计中常见的问题，通常机械优化的具体方式如 下：在满足各种设计条件的前提下，在制定的变量变化范围内，设 计变量通过自动选择来实现，利用分析函数求取目标函数的最大 值。这种方法利用计算机的运算能力，将设计变量利用计算机作出
在工业生产和科研活动中，压力计量往往是重要环节，甚至成 为了保证产品质量以及生产安全的决定因素。传统采用的压力计量 标准器具有活塞式压力计、精密压力表 2 种，前者携带不便，而后者 精度不足。另外，传统压力计量器具效率低下，不能满足现代工业生 产的需要，所以，设计一种便携式智能数字压力表势在必行。
1 压阻式传感器压力测量原理
［参考文献］ ［１］ 张鸣，任建平，毛鸿伟．基于虚拟样机的机械设计方法［Ｊ］．机械设
计，２００６（１１）
传统的机械设计开发过程中，机械系统和控制系统是相互独 ［２］ 万加桔，李旸．工程机械设计中虚拟样机技术的应用［Ｊ］．江西建
立的，相应的设计、测试的过程也就各自独立。因此在设计过程中
材，２００６（４）
为 I≈1.5 mA，通过对 3 个精密电阻的选择，达到满压力输入时电压
输出归一化的目标，当为满量程压力输入时，输出电压达到 100 mV。
2 智能数字压力表总体设计
仪表的结构原理如图 2 所示。
压力模块
主机
Is PIN
压力传感器 单片机 1
电测电压源
电源 管理
V ［ OUT］
24 位 A／D
通讯
RS232
压力成线性关系，即 VOUT＝aPIN+b。输出的电压和温度补偿电压经过 A／D 和单片机数字处理为｛P｝＝a＇｛V＇OUT｝+b＇之后，将结果｛P｝发送 到主机上。
他各个芯片工作电源，RXD、TXD 则作为模块和主机通讯数字信 号。转换器 AD7710 和 AD590 要求的是高精度直流 +5 V、－5 V 电 源，模块和主机连接线进行传输的 +5 V 电源难以满足要求，必须