压力检测与报警系统的设计.doc

1、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

2、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：压力传感器声光报警放大与滤波 数码显示（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

3、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。（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

4、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

5、、1.999V。量程与基准电压呈11的关系，即UMUREF。（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P构成智能仪表。（4）工作电压范围是4.5 V8V，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

6、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

7、电压为 V2=20V，电容C两端电压为V3=（1.11.2）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）/（R

8、4+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R,另两个电阻阻值减小，减小量为R，由于温度影响，使每个电阻值都有RT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

9、 V=ER/(R+R)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=IR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=IR(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

10、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

11、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

12、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=1/2RC=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01.000mv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0260mv，压力超出范围时报警器输入电压 V26

13、0mv 8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（

14、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01.000mv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

15、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0.0001.999 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。以MC14433为核心设计的数码显示电路如图9所示。该系统可采用MC14433三位半A/D转换器、MC1413七路达林顿驱动器阵列、CD4511BCD到七段锁存-译码-驱动器、MCl403基准电源和共阴极LED发光数码管组成。本系统是三位半数字电压表，三位半是指十进制数00001999。所谓3位是指个位、十位、百位，其数字范围均为09，

16、而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到l，即二值状态，所以称为半位。各部分的功能如下：三位半AD转换器(MC14433)：将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电源(MC1403)：提供精密电压，供AD 转换器作参考电压。译码器(MC4511)：将二十进制(BCD)码转换成七段信号。驱动器(MC1413)：驱动显示器的a，b，c，d，e，f，g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。显示器：将译码器输出的七段信号进行数字显示，读出AD转换结果。图9、数码显示电路数码显示电路通过MC14433电路的位选信号DS1DS4进行动态扫描显示，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以

17、数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。DS1DS4输出多路调制选通脉冲信号，DS选通脉冲为高电平，则表示对应的数位被选通，此时该位数据在Q0Q3端输出。每个DS选通脉冲为高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是在DS1输出正脉冲，一下依次为DS2、DS3和DS4。其中DS1对应最高位（MSB），DS4则对应最低位（LSB）。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0Q3输出千位的半位数或1及过量程、欠量程和极性标志信号。MC14433的 OR与CD4511的消隐端BI直接相连，当Vx超出量程范围

18、时，则OR输出低电平，CD4511译码器输出全0，使发光数码管显示的数字熄灭，而负号和小数点依然点亮。四、设计总结这次电子设计使我们对模拟和数字电子技术有了进一步的认识，将所学的知识应用在具体实践中，而不只是单纯的学习其理论知识，还应该做到理论与实际相结合!在设计电路原理图时，我们感觉到自己的知识确实不够用，真正体会到了“书到用时方恨晚”的道理，于是就从图书馆借了一些参考资料，进行研究，参照书上的电路图慢慢摸索，在大概领会其要领后设计了一份电路图。同时也和做同样设计的同学交流了一下。在交流中，我们有了新的感悟。设计完后我们又仔细看了几遍电路图，发现还有很多方面自己还没有考虑到。在进行绘制电路图

19、时，我们熟悉了软件的操作（比如protel），了解了一些设计方法和步骤，更加深刻理解了一些基本概念。在解决遇到的问题时会更加引发我们的思考。能够比较顺利的完成此次设计，也是对我们耐心的一次磨练；由于知识的不足，以后应该增强对知识的学习。五、附件1、元器件清单位置编号名称型号规格数量备注R3 R4电阻3002个25CR1 R2电阻5102个25CR24R31 R33R42电阻1 k18个25CR5电阻3k1个25CR20 R21电阻3.2 k2个25CR32电阻6.7 k1个25CR9 R14 R15 R19 R22 R23电阻10 k6个25CR18电阻20k1个25CR16 R17电阻21

20、K2个25CR7 R8 R10R13电阻100K6个25CRp电位器3001个25CRL电位器1k1个Rp1电位器50 k1个Rp2Rp4电位器1 k3个C4 C5电容0.15uF2个25CC3 C9C12电容0.3uF5个25CC6 C7电容1uF2个25CC2电容1000uF1个25CC1 C8 C13 C14电容2000uF4个25CD1D4二极管IN40074个25CDz1 稳压管2.5 V1个25CDz2稳压管 9 V1个25CLED0发光二极管1个红色LED1发光二极管1个绿色T1三极管1个PNPT2 T3三极管2个NPN555555定时器NE5552个Speaker扬声器1个MC144331个MC14031个CD45111个MC14131个Ra电阻15 k1个25CRb电阻1 k1个25C3、 完整电路图14