电子设计--压力检测与报警系统.pdf

0 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：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -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 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -2 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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -3（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11 的关系，即UM UREF2）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名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -4 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=（1.11.2）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）/（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，采样电名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -5 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 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=I R 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 所示名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -6 图 3、恒流源电路恒流源输出电流为I，则I=（5-0.7)/R5=1.43mA V=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。

名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 16 页 -7 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，提高信号质量名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -8 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=1/2 RC=50 得到 RC=0.0032 可选取 C=1uF，则 R=3.2K名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -9 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 V260mv 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（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 端口输入也名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -10 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、比例器电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -11 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。