1 引言
A／D轉換器廣泛應用于單片機控制數據采集的模擬信號轉換。而對于長距離數據傳輸，高精確度應用，使用一般A／D轉換器則存在諸多缺點，可使用V／F轉換器代替A／D轉換器。V/F轉換器與單片機的接口只需一個I/O端口，輸入頻率信號，且接口簡單，占用硬件資源少。以單片機和V／F轉換器為核心的數據采集系統，能夠實時測量由傳感器檢測的壓力，并滿足系統測量精度要求。
2 系統基本原理結構
壓力傳感器將被測壓力轉換為電壓信號，通過V/F轉換器把傳感器輸出的電壓信號轉換成相對應的頻率信號，采用光電耦合器將頻率信號傳輸到單片機，利用單片機內部的定時／計數器測量信號頻率，采用單片機強運算功能，根據電壓與頻率的線性關系計算壓力值。圖1為系統結構圖。
3 系統硬件設計
3．1 壓力傳感器MPXV50014G模塊
集成硅壓力傳感器MPXV5004G內部除傳感單元外，還包含信號調理器、溫度補償器和壓力修正電路，特別適用于由單片機構成的檢測系統。MPXV5004G壓力傳感器采用額定5 V供電電壓，最大測量壓差為3．92 kPa，最大耐受壓力為16 kPa，溫度補償范圍為一30℃～100℃。在工作溫度為10℃~60℃，壓力范圍為0~4 kPa時，該壓力傳感器具有良好的線性，輸出關系：
式中：VOUT是輸出電壓，VS是工作電壓，P是壓力值，誤差為0．045 V。
使用該傳感器時，要在供電與地之間加去耦電容，濾除器件本身產生和電源所含的高頻信號干擾；在信號輸出與地之間加去耦電容，濾除輸出信號的噪聲成分。圖2為去耦電容配置。
應用中，考慮到壓力傳感器因溫度變化或器件老化等導致的零點漂移，必須通過校正零點，修正輸出值，以使其輸出值在較長工作時間內都能保持足夠的正確性和精確度。
3．2 V/F轉換器LM331模塊
LM331是通用型V／F轉換器，頻率范圍為1～100 kHz，最大非線性誤差為0．01％，最大溫漂為50 ppm／℃，電源范圍為4~40 V，輸入電壓范圍為一2．O V~VS。當4．5 V≤VS≤10 V時．電源電壓對增益的影響為0．1％V；當10 V≤VS≤40 V時，電源電壓對增益的影響為0．06％V。LM331的V／F轉換外部電路，如圖3所示。
圖3中，輸出頻率fout=KVIN，其中K=Rs／(2．09RtCtRL)。選用典型值Rt=6．8 kΩ，RL=100 kΩ，Ct=0．0lμF。系統中，取K=1000，故Rs=14．212 kΩ。電路中Rs用一只12 kΩ的固定電阻和一只5 kΩ的可調電阻串聯組成，用于調整LM33l的增益偏差和RL，Rt，Ct所引起的偏差。CIN為濾波電容，一般取在0．01~0．1μF，在濾波效果較好的情況下，CIN采用lμF的電容。為了提高精度及穩定性，以上阻容元件選用低溫度系數的器件，最好是金屬膜電阻和聚苯乙烯或聚丙稀電容器。
3．3 V／F轉換器和單片機的接口(光電耦合器6N137)
在采用兩點以上接地的檢測或控制系統中，為了抑制地電位差形成的干擾，運用隔離技術切斷環路電流是非常有效的方法。從原理上，隔離技術可分為電磁隔離和光電隔離。光電隔離是在兩個電路問加入一個光電耦合器，光電耦合器的線性范圍有限，用于數字信號傳輸。同時，光電耦合器的體積小，轉換速度快，因而廣泛應用于由微機構成的檢測或控制系統。采用光電耦合器隔離V／F轉換器與單片機，增強系統的抗于擾能力，防止因外部環境惡劣而導致的單片機死機或程序跑飛，同時對單片機也起到電氣保護作用。這里選用TOSHIBA的6N137型光電耦合器。圖4為6N137的典型應用電路。
6N137的引腳2為信號輸入端，當輸入信號為高電平時，發光二極管發光，反向偏置的光敏管光照后被導通，經電流一電壓轉換送到與門，與門的另一輸入端(引腳7)為使能端，當使能端為高電平時，信號輸出端(引腳6)輸出低電平。當輸入信號為低電平時，輸出為高電平。Vcc(引腳8)和地(引腳5)之間必須接一只O．1μF高頻特性良好的電容，且應盡量靠近引腳8和引腳5放置。發光二極管正向壓降1.2～1．7 V，正向電流6．5～15 mA，所以在引腳3和地之間必須加470Ω限流電阻。
3．4 單片機AT89C51模塊
該系統設計需用單片機的一個中斷．一個定時器。一個計數器。這里選用AT89C51，其包含2個16位定時／計數器和5個中斷。當MCS-51內部的定時/計數器選定為定時模式時，計數輸入信號是內部時鐘脈沖，每個機器周期產生一個脈沖使計數器加l；一個機器周期為外部時鐘振蕩頻率的1／12，采用12 MHz的晶體振蕩器，機器周期為1μs。當內部定時/計數器被選定為計數模式時計數脈沖來自外部輸入引腳P3．4(T0)或P3．5(T1)。輸入信號產生由1到O的負跳變時，計數器加1。由于一次負跳變要用兩個機器周期，所以選用12MHz晶體振蕩器時，為確保電平在變化之前被采樣一次，外部計數輸入信號不能超過500 kHz。16位定時／計數器的最高計數值為65 535，在這里已滿足設計需要。系統設置AT89C51的T0為定時器，T1為計數器，當單片機接收到中斷信號時，定時、計數同時開始，定時結束，計數也隨之結束。再利用單片機的運算功能將計數值除以定時值，就能得到所測信號的頻率。通過頻率與電壓，電壓與所測壓力的線性關系，即可得到相應的壓力值。
4 系統軟件設計
系統軟件設計采用Keil C51語言編寫，應用模塊化設計，主要包括測量函數，中斷子程序，控制函數。主程序流程圖如圖5所示。
設定TO為定時器，基本定時時間為50 ms，Tl為計數器。IE=Ox8a，TMOD=Ox51。當P3．2口為低電平時，狀態標志位flag變為O，開始測量，利用中斷，每當定時滿500 ms時，計數器停止計數，完成測量，狀態標志位flag變為1，讀取計數值，以計算頻率，并通過頻率求得壓力。當P3．2口為高電平時，進入依據測量所得壓力值而進行的對傳感器監測對象的控制階段。以下給出測量函數的程序代碼和T0中斷子程序：
5 結語
該測量系統設計應用廣泛，如汽車電子控制、工業生產監控、安全防護以及家用電器等；結構簡單，精確度高，性能穩定，適合那些對測量精度要求準確，并有一定抗干擾能力的場合。