大氣壓強變送器主要由單片機、運算放大器、V/I轉換芯片和傳感器組合而成，其具有補償性好、測量精確度高、通信簡單、調(diào)試方便的特點，并且還有數(shù)據(jù)處理和控制的功能。目前其主要應用在有氣壓要求的實驗室、氣象天氣預報的監(jiān)測、消防實驗用的室內(nèi)氣壓力測試等領域。

隨著科學技術的不斷進步，尤其是電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將變送器的發(fā)展引入了新的領域，目前，國內(nèi)外變送器發(fā)展的特點是集成化、無線化、智能化、小型化。它使用了很多高新技術，如微電子數(shù)字處理技術、信號處理技術、傳感技術等，相對于傳統(tǒng)的變送器來說，現(xiàn)代的變送器具有量程比較大、可靠性較高、精度較高、穩(wěn)定性較好、采集區(qū)間較寬等等這些特點。

本文主要介紹基于STM32的大氣壓強變送器的設計，主要包括硬件電路以及單片機采集大氣壓強傳感器值的程序的設計。

總體設計方案

變送器是實現(xiàn)自動化過程的重要組成部分。它用來實現(xiàn)物理信號量的測量和變換處理。隨著容量大，參數(shù)高的設備的出現(xiàn)以及復雜工藝的過程。由于越來越依賴自動化技術，以及變送器的使用量在不斷地上升，對其性能的要求也就不斷地提高。

伴隨著快速發(fā)展的微電子技術，特別是近年來由于多功能、低功耗單片機的出現(xiàn)以及高精度的傳感器的出產(chǎn)，為開發(fā)通用型的精確度高的變送器奠定了堅實的基礎，大氣壓強變送器是以單片機處理器為核心的傳送裝置，其工作原理如圖1所示。

圖1 大氣壓強變送器的工作原理圖

大氣壓強變送器采用CPU后，不僅可以對溫度、大氣壓強進行測量和變送，還能大大提高系統(tǒng)的精確度和可靠性，外部引線減少。

本系統(tǒng)采用4-20毫安電流信號作為輸出，由于電流信號不容易受干擾且電流源內(nèi)阻是無限大，導線在電路回路中以串聯(lián)的形式并不影響其精度，在普通線上可以傳輸至數(shù)百米。大于20毫安的電流在通斷情況下會引起電火花，其電火花的能量可以引燃瓦斯，產(chǎn)生爆炸，所以最大設計為20毫安；為了檢測線路中是否斷線，所以系統(tǒng)最小沒有取0毫安。總體設計設計原理圖如圖2所示。

圖2 總體設計原理圖

硬件電路的設計

1 單片機的選擇

本設計選擇STM32單片機。單片機原理圖如圖3所示。

圖3 STM32單片機原理圖

2 放大電路的設計

STM32單片機接收的數(shù)字信號經(jīng)過計算處理，然后再經(jīng)A/D轉換為模擬電壓信號，其輸出電壓信號范圍為0-3.3V，而0-3.3V經(jīng)XTR111轉換后的電流范圍為0-16.5毫安,由于設計要求輸出的電流范圍為4-20毫安，而且電壓量與電流量是線性比例關系，所以需要放大單片機D/A轉化輸出的電壓信號來達到目標。在此電路中我們選擇的是LM321運算放大器。

LM321它是一種單運算放大器。LM321具有低功耗的特點。它還具有很高的單位增益頻率，靜態(tài)電流僅為430μA/amplifier（5V），具有保證0.4V/μs擺率。該器件單、雙電源供電下都可以工作。總而言之，LM321是一款低功耗，供電范圍較寬的運算放大器，高性價比使其被普遍的應用，占用電路板的空間小。原理圖如圖4所示。

圖4 LM321原理圖

3 V/I轉換器的設計

輸出4-20毫安電流有兩種方案，一種是使用集成芯片，另一種是使用分立元件搭建電路，而其中最可行的方案為使用XTR111 V/I轉換芯片。

XTR111是一款精密電壓-電流轉換器，用于輸出0-20毫安或4-20毫安的模擬信號，最大的源極電流可提升到36毫安。輸入電壓與輸出電流之間的轉換比率是靠Rset電阻來設置，一個外部的P-MOSFET晶體管確保了高輸出阻抗和寬范圍的電壓輸出（2V到電源電壓V-vsp均可輸出）和電壓良好的穩(wěn)定性?？烧{(diào)電壓3-15V的校準輸出端可為輔助電路提供電源。原理圖如圖5所示。

圖5 XTR111原理圖

4 晶振電路和復位電路設計

本設計采用的是8MHZ和32.768KHZ晶振，8M頻率晶振提供單片機內(nèi)部時鐘信號，32.768kHz晶振為單片機中的時鐘提供了一個準確的時鐘源。內(nèi)置復位電路。晶振電路原理圖如圖6所示，復位電路原理圖如圖7所示。

圖6 晶振電路原理圖

圖7 復位電路原理圖

5 大氣壓強傳感器BMP085模塊設計

BMP085是以壓阻效應技術為基礎設計的大氣壓強傳感器。包含數(shù)模轉換器、壓力傳感器以及操控單元，其中操控單元包括IIC接口和EEPROM。，它具有的特點是穩(wěn)定性高、線性失真率低、精確度高以及很好的電磁兼容性。BMP085傳輸沒有經(jīng)過補償?shù)拇髿鈮簭娭担娍刹量删幊讨蛔x存儲器儲存了176bit的獨立的數(shù)值，這些獨立的數(shù)值用來補償依賴的參數(shù)以及別的參數(shù)。

BMP085是新研發(fā)出來的具有很高的精確度的大氣壓傳感器, 它的低電壓、低功耗的電學特性使它可以很好的適用于GPS 導航器、PDA、手機以及戶外裝備上。在較低的高度噪聲（merely 0.25）快速轉換的運行環(huán)境下，大氣壓傳感器運行正常。Bosch 公司具有多年開發(fā)氣壓傳感器經(jīng)驗，在傳感器這塊，該公司是全球市場上的佼佼者。

傳感器模塊設計包括BMP085大氣壓強傳感器、兩個10K電阻。原理圖如圖8所示。

圖8 傳感器模塊原理圖

IIC總線上拉10K的電阻接+3.3V電源。當IIC閑置時，SDA、SCL都為高電平。連到IIC線上的任何元件輸出的低電平，IIC總線信號都將變?yōu)榈碗娖?，即各元器件的SDA和SCL關系是“與”（&）。

系統(tǒng)主程序圖

本軟件采用的是高級編程語言C語言，并采用模塊化設計方法，使其便于程序設計和調(diào)試。主要模塊有采集模塊、處理模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要包括BMP085傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊兩大模塊。單片機上配置兩個模擬IIC，PB6配置為SCL,PB7配置為SDA。通過單片機來控制SCL、SDA的高低電平來傳輸數(shù)據(jù)，BMP085讀取數(shù)值并通過IIC傳輸給單片機處理數(shù)據(jù)，大氣壓傳感器模塊執(zhí)行單片機通過IIC發(fā)送來的讀取大氣壓強指令，并將采集到的信號傳輸給單片機。

模擬信號輸出模塊主要是將單片機內(nèi)數(shù)字信號轉化為模擬信號輸出。如圖9主程序流程圖所示。

圖9 主程序流程圖所示

系統(tǒng)測試

1 測試準備工作

（1）在給系統(tǒng)供電前，應先依據(jù)系統(tǒng)原理圖，用萬用表二極管檔位檢查電路中電源的走線，防止電源與其他引腳產(chǎn)生短路；

（2）在單片機通電后檢查各個模塊器件的I/O引腳的電位是否正常，特別是單片機上各引腳的電位。

2 輸出信號的測試

調(diào)試方法為在XTR111的輸入端送入模擬量的值，由數(shù)字萬用表測量電路的輸出電流，測試的結果如表1所示。

表1 4-20 毫安輸出信號測試表

3 測試總結

經(jīng)過系統(tǒng)測試后，系統(tǒng)預期的功能要求達到了，實現(xiàn)了對物理信號的采集、處理和傳輸，說明系統(tǒng)設計是可靠的。

總結

本論文詳細介紹了電流型三線制大氣壓強變送器的設計，數(shù)字信號經(jīng)過STM32采樣處理后轉換為模擬信號，然后通過XTR111輸出4-20毫安的電流信號。本設計進行了硬件、軟件、系統(tǒng)的整體調(diào)試，驗證了系統(tǒng)各模塊達到了預期目標。

本文編自《電氣技術》，標題為“基于STM32的大氣壓強變送器設計”，作者為趙靜龍。