摘 要：设计了一种高精度压力变送器，基于电阻式应变片构建的惠斯通电桥测量电路，采用程控放大电路进行量程自动可调的倍数差分放大，加之数字滤波技术，运用单片机自带的AD转换电路进行模数转换，通过蓝牙模块与由C++ Builder 6.0编写的上位机软件进行通信，实现远距离实时监测。实验证明，该压力变送器具有安全性高、稳定性强、准确性高等优点，在工程应用中表现良好。

关键词：电阻应变式；压力变送器；程控放大；蓝牙；C++ Builder 6.0

压力变送器是工程实践中最为常用的一种检测器件之一，其广泛应用于各种工业自控环境中，包括智能建筑、工业控制、仪表检测、航空航天、油气管道等众多领域。压力变送器把压力信号转换为标准信号传到电子设备，进而在计算机上显示压力值，主要有电容式、扩散硅式、陶瓷式、应变式等。

本文介绍了一种高精度量程可调的电阻应变式无线压力变送器。设计采用电阻应变片作为压力感应元件，线性度好，重复性好；使用程控放大电路实现量程可调，实现宽量程压力测量，提高测量精度；运用蓝牙模块实现中短距离无线传输，提高了使用安全性；上位机采用C++ Builder 6.0软件进行设计编制，完善了远距离人机交互操作。

1 系统组成

系统组成如图1所示。压力变送器主要由信号采集模块、信号放大模块、控制模块、液晶显示模块、蓝牙通信模块、上位机软件模块6部分组成。

信号采集模块感应测量点压力变化，将机械性变量转化为电压量；通过信号放大模块将微小的电压差放大到0~2.2 V之间输入到单片机模拟信号输入端；使用单片机内置的12位A/D转换电路进行模数转换，计算得到的当前压力值；设备安装处液晶模块显示当前压力值；将通过蓝牙模块远程传输到PC客户端，用户也可以通过上位机应用程序实现压力的实时监控。

2 模块化设计

2.1 信号采集模块

信号采集模块由电阻式应变片组成。电阻应变片由敏感器(电阻丝)、覆盖层、基底、引线四部分组成。将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，将产生形变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过惠斯通电桥电路(如图2)及补偿电路输出电信号。

其中，U1为电桥电路供电电源，取12 V；R1为应变电阻(型号为BF350-3AA的康铜金属箔电阻应变片，初始阻值350 Ω，灵敏系数：2.0~2.20，精度等级：0.02级，应变极限：2.0%，单片尺寸：7.1 mm×4.5 mm，温度范围：-30 ℃~+150 ℃，温度自补偿系数：16)；R2、R3、R4阻值均为350 Ω。应变片受到压力形变，电桥不平衡，在输出端产生与压力成一定正比关系的不平衡电压U2。

2.2 信号放大模块

信号放大模块采用程控放大电路，程控放大电路分为前置放大电路和电压放大电路。

集成运算放大器选择LM358，设计采用直流±15 V双电源供电，SO-8贴片封装。放大电路如图3所示。

2.2.1 前置放大电路

前置放大电路为差分放大电路，主要是将惠斯通电桥的不平衡电压差进行采集放大。其中R5、R6阻值为1 kΩ，R7、R8为反馈电阻， 分别有4个可选阻值：10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、500 kΩ。

当R5=R6，R7=R8时，差分放大倍数A1=R7/R5。通过继电器进行R7、R8阻值的同步选择,实现4个档位10、50、100、500的倍数放大。C1减小系统的响应时间。R9、C2用来滤除LM358的斩波尖峰噪声。

2.2.2 电压放大电路

电压放大电路为比例放大电路，主要是将电压值进行二次放大，实现多量程宽量程的灵活选择。其中R10、R11阻值为1 kΩ，R12为反馈电阻，R12、R13分别有四个可选阻值1 kΩ、2 kΩ、4 kΩ、10 kΩ。R11//R13组成平衡电阻，满足R10//R12=R11//R13，平衡电阻使得集成运放的两输入端对地直流电阻相等，从而保证偏置电流不会产生附加的失调电压。

比例放大倍数A2为：A2=R12/R10。通过继电器进行R12、R13阻值的同步选择，实现1、2、4、10的倍数放大和平衡输入电阻。C3减小系统的响应时间。R14取10 Ω，C4取0.01μF，R14和C4组成输出RC滤波电路。D4、D5为钳位保护电阻， 使得输出电压值箝位在0~3.3 V之间，保护芯片不受损坏。

信号放大模块共有11个档位，放大倍数分别为：10、20、40、50、100、200、400、500、1 000、2 000、5 000。单片机软件实现自动量程选择与切换，尽量将所测量值位于当前量程的中间1/3的数值范围内，提高分辨率和测量精度。

2.3 控制模块

单片机选择C8051F040,具有64个数字I/O引脚，片内集成了CAN2.0B控制器;具有12位、100 kS/s的ADC；带PGA和8通道模拟多路开关；64 KB的Flash存储器，5个通用定时器；具备SPI、SMBus/I2C及两个UART。资源丰富，性能稳定，满足应用。

经过信号放大后得到0~2.2 V的模拟电压信号，输入到单片机的模拟输入端口进行A/D转换，基准电压选择单片机内部的2.2 V基准源。

2.3.1 数字滤波[2]

为了减少测量过程中的干扰信号，除了在硬件上选择高性能的集成运放和精密的电子器件以及隔离措施之外，在软件上采用限幅滤波法和去极值均值滤波法。

其中A为程控放大电路的总倍数，A=A1×A2，A1为前置放大电路的放大倍数，A2为电压放大电路的放大倍数。单片机根据采集到的数据自动选择合适的档位，以此提高测量的精度。根据设置的不同设置矫正点，带入式(3)得出实际的压力值P。

2.4 液晶显示模块

液晶显示模块选用LCD1602，工业字符点阵型液晶，能够同时显示32个字符(16列2行)。该器件比较常用，基于篇幅，在此不赘述。

2.5 蓝牙通信模块

贴片式蓝牙通信模块支持BlueTooth V1.2蓝牙协议，工作电压为2.7 V~3.3 V，工作电流为6~120 mA，通信距离可达100 m。

蓝牙模块预装SPP01串口通信固件，可以通过串口AT指令方式进行参数配置，使蓝牙模块工作于从模块、主模式或配置两个蓝牙模块成一对一透明串口模式。本次配置为透明串口模式，串口波特率115 200 b/s、数据位8、停止位1、奇偶校验位N、流控制N。

在实际测试中，通信距离实际可以达到110 m。蓝牙模块与单片机之前通过RS232接口进行连接，在PC用户端只需USB蓝牙适配器即可接受来自远程端的监测信息，实现实时数据通信与控制。

2.6 上位机软件模块

上位机应用软件界面如图4所示。通过C++ Builder 6.0编制的上位机软件，包括串口设置、倍数选择(手动/自动模式可选)、压力上下限报警设置、显示当前压力值等参数。握手按钮，是用来确定上位机软件与下位机的单片机设备通信状态是否正常。界面最底端实时显示串口以及监测的运行状态，方便用户及时获取重要信息及提示。整个应用软件内容详实，简洁明了，极大地方便了用户使用。

3 误差分析与矫正

在实际的电桥电路应用中，必然存在着由于温度漂移、接线电阻、零点漂移以及元器件本身的非线性度等带来的误差。

为了尽量减小和消除误差，尽量选用应变线性度好、重复性好、回差小、蠕变小的应变片。同时应变片的贴粘方位不准确是造成应变测量误差的重要原因。

3.1 温度补偿

应变片电阻值会随着温度的变化而变化，另外试件之间热膨胀系数的不同，也会造成应变片阻值的变化，需要对其进行温度补偿，以此减小误差，提高精度。常用温度补偿法有：热敏电阻补偿法、串入温度补偿片法。本文采用在电桥的适当桥臂串入温度补偿片，其阻值的计算方法为：

尽管如此补偿，单纯通过硬件也很难完全克服零位误差。本设计加入软件辅助矫正，在系统初始化后，对微小的初始测量值进行记忆，在正式运行监测中自动减去初始非零值，进行了软件的清零矫正，保证输出零位。

4 软件程序设计

软件的设计主要在于量程的选择和补偿矫正算法的实现。程序流程图如图5所示。量程的选择以A/D转换(包含了温度补偿、零点补偿和非线性矫正程序)测量值N为判断对象，当4 095/3＜N＜(4 095×2)/3 时，视为有效量程。当量程选择方式设置为自动挡，由量程优化处理程序将量程缩至为最优量程范围内，当量程超出时进行报警同时在上位机软件界面中给出提示。当选择为手动挡，超出量程给出报警提示，不进行自动量程调整。程序代码较为复杂冗长，在此不再详述。

在分析压力变送器原理的基础上，设计了一种量程可调的高精度电阻应变式压力变送器。设计点考虑全面，实际方案可行，经过多次实测证明，量程范围跨度可达到0~40 MPa，由于量程可调，测量精度基本可以稳定保持在±0.3%FS~±0.5%FS，按照如上方案改进后的线性度比未改进前的±0.4%FS提高到±0.1%FS，温度漂移从±0.8%FS提高到±0.4%FS，零位漂移从±1.5%FS提高到±0.3%FS。该压力变送器测量精度高，运行稳定可靠。另外，使用无线蓝牙通信方式，抗干扰能力强，便捷安全，上位机软件的人机界面，使得远程控制更灵活。整体设计思路新颖，用于实际工程应用中效果良好。

参考文献

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