高精度多路信号采集1

多通道数据采集检测系统班级：090419成员:顿新虎、冯超、蔡莉媛指导老师：李翰山一：方案的设计1.1系统框图如图所示二：传感器的选择2.1温度传感器集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。2.1.1温度传感器主要特性流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1，式中，Ir—流过器件(AD590)的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；AD590的测温范围为-55℃~+150℃；AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710mΩ；精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。2.1.2AD590的工作原理AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。其规格如下：温度每增加1℃，它会增加1μA输出电流。可量测范围-55℃至150℃。供应电压范围+4V至30V。AD590的接脚图及零件符号如图2.2所示：图2.2AD590的接脚图及零件符号AD590的输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准，每增加1℃，它会增21AD59012348A10K20K20K100K100KGNDVCC+12-5GND48567B-5+1212348A+12-5GND+12P26加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Io=(273+25)=298μA。Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为2.98V(10K×298μA)。量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。2.1.3电路设计AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度)，因此量测的电压V为(273+T)μA×10K=(2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来，我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。2.2湿度传感器本设计中采用相对湿度传感器HIH-3610。HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。2.2.1主要特性（1）热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路；（2）3针可焊塑封；（3）宽量程：0~100%RH非凝结，宽工作温度范围–40~85℃；（4）高精度：±2%RH，极好的线形输出；（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出；（6）低功耗设计200µA驱动电流；（7）激光修正互换性；（8）快速响应5秒慢流动的空气中；（9）稳定性好,低温飘,抗化学腐蚀性能。图2.5HIH-3610电压与湿度特性曲线测量范围/(%RH)测量精度/(%RH)电源电压/V电源电流μA输出范围或输出形式工作温度范围/℃主要特点0~100+2/-24~5.82000.8V~3.9V-40~+85线性电压输出线，性能最好，抗污染能力最强表1HIH-3610主要技术指标由输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论：（1）HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200μA，故HIH-3610湿度传感器对电源没有功率方面的要求，为低功耗产品的设计提供更好的解决方案。（2）HIH-3610输出电压为：Vo=Vi[0.0062RH0+0.16]（公式1）即输出电压Vo不仅正比于温度测量值，且与电源电压值Vi有关，若Vi固定为5V，则其值仅由相对温度值决定。（3）HIH-3610测量的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为：RH=RH0/(1.0546-0.00216T)（公式2）式中：T为环境摄氏温度值。利用HIH-3610的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。一般仅需取出200μA电流，HIH-3610系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。HIH-3610系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组建（SIP）提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。传感元件的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力。2.2.2湿度信号采集的设计湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测，分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。基于本次设计，采用了HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号再配以进行适当的放大，经过A/D转换送至单片机。实现湿度的显示与控制。电路连接图如图所示。其湿度传感器用一个电解电容代替。四：A/D转2.3压力传感器2.3.1气压传感器TTP501原理介绍能和原理：主要是用来检测气压的传感器。在硅片的中间，从背面腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力转换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个p型测量电阻，它们按桥式电路连接，利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后，在桥式电路的两个输出端之间，以电位差的形式对外输出。传感器原理图如图2所示。图2传感器原理图2)气压的输出特性：气压与输出关系曲线如图3所示，是一接近线性关系。图3气压与输出关系曲线2.3.2气压传感器放大电路我们选用的高精度低噪声仪用放大器AD620，可以用在传感器输出信号小的放大器中，如光电池传感器、应变片传感器以及压力传感器等。由于它具有低噪声、增益精度高、增益温度系数小和高线性度等优良性能。用于此系统中是非常理想的。AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1-1000的仪表放大器，具有良好的直流性能和交流性能，AD620的体积小、功耗低成为应用在压力传感器中的重要因素，传感器信号放大电路如图所示。2.4湿度传感器2.4.1传感器结构和测量原理在这种传感器的管内没有移动部件和阻流部件；利用了导液管的差压原理而设计；导液管结构简单，稳定性好，经久耐用；这种传感器的灵敏度和精确度高，量程宽；制造简单，成本低，这种传感器可广泛应用于医学、化学、石油、工业和农业等领域。通过不同的标定也用于气体的流量测量。差压式液体流量传感器的结构如图所示，主要由导液管和差压式压力传感器组成。这个特殊结构的导液管由我们自行设计，差压传感器是由Honeywell公司生产的26PCC传感器。此导液管由输入管、节流管、输出管和两个取压管组成，两个取压管由输入管和输出管引出，用于引出节流管两端的压力差。导液管可由玻璃、塑料、金属等材料制成。输入管和输出管的内径比节流管大，取压管的内径通常最小。如图2.2所示，输入管、节流管和输出管被连接成“一”字型，取压管被对称地接在输入管与输出管上。差压式压力传感器通过气管被连在两取压管上。当有液体流过导液管时，输入管与输出管之间会产生的压力差，输入管压力大于输出管的压力。由差压式传感器检测这个压力差，并转换成电压信号。另外，压力差随差通过导液管的单位时间内液体流量的变化而变化，其关系可由以下等式来表达)(221PPgYQV（2.1）式中，Qv为单位时间的体积流量α为流量计的转换系数Y为流体澎胀率,对于液体Y=1g为当地重力加速度P1-P2为输入管与输出管之间的压力差ρ为流体密度从等式可以清楚地看到当α、Y、g和ρ不变时,流量与压力差的平方根成正比。流量转换系数α是很复杂的一个常数，它决定于传感器的结构和方法，比如与获取压力的方式和位置等因素有关。1.输入管2、5.两个取压管3.压力传感器4.压力传感器接线端6.输出管7.节流管图2.2流量传感器结构图本装置采用了由Honeywell公司生产的现有压力传感器。其内部电路主要是由四个应变片电阻线组成的一个惠斯通电桥电路组成。我们采用了型号为26PCBFA6D型压力传感器，其量程为从0到34.445千帕，本压力传感器具有很高的灵敏度、线性度和稳定性，另外还有过载能力强和温度补偿功能。图2.4压力差与输出电压的关系为了使用本压力传感，对它进行性能测试。将它接上透明的水管，用水柱高47P131256P2做压力，用高灵敏度数字万用表测量电压，传感器接上12V电压，测验结果如图2.4所示，可以用以下等式来表示：PKV1(2.2)式中△P是液管输入口与输出口之间的压力差，△P=P1-P2,K1是比例常数，即在图中的斜率。为了提高传感器的灵敏度，本设计采用了一个仪表放大电路，如图2.5所示。图中使R1=R2=R3=R4=R5=R6，放大电路的输入端接压力传感器的输出，其输出接一个8位的ADC转换器。该放大电路的增益可以用以下等式来表示：RRAv121(2.3)式中，Av是放大电路增益，所以有PKPKAVv10(2.4)在上式中令K=Av•K1,Vo是放大电路输出电压。结合等式2.1，2.2，2.3，2.4，流过导液管的液体的体积流量和所对应的电压有以下关系：KVgYQv02(2.5)由等式可以清楚地看出体积流量与放大电路输出电压的平方根成正比。2.4.2.传感器电路与放大电路的接口设计在单位时间内，当流体从输入管流过节流管到输出管时，两个取压管内流体体积流量存在差值，这时RV1，RV5阻值发生了变化，引起电压检测表VOLTS电压值的变化，这个电压值经放大电路放大送到A/D转换器，经单片机处理输到LCD显示出来。图2.10压力传感器电路与放大电路的接口电路在单位时间内，当流体从输入管流过节流管到输出管时，两个取压管内流体体积流量存在差值，这时RV1，RV5阻值发生了变化，引起电压检测表VOLTS电压值的变化，这个电压值经放大电路放大送到A/D转换器，经单片机处理输到LCD显示出来。三：A/D转换器3.1A/D转换器功能介绍AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种电源电压：±15V和15V数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574A的引脚说明：[1].Pin1(+V)——+5V电源输入端。[2].Pin2()——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。[3].Pin3()——片选端。[4].Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。[5].Pin5()——读转换数据控制端。[6].Pin6(CE)——使能端。现在我们来讨论AD574A的CE和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、CS/=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表1。[7].Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。[8].Pin8(REFOUT)——10V基准电源电压输出端。[9].Pin9(AGND)——模拟地端。[