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。
