MPX10DP 压力传感器检测电路设计

1 范围
在现有的热水机上，通常利用水中电解质导电和浮子来做水位传感器，因此存在着水位档位不多，
水中杂质和水垢对导电性能存在危害等多方面的缺陷。
本设计采用 MPX10DP 压力传感器，利用水的压力和高度之间的关系 h=Pa/gρ来检测水的高度。
此方案具有良好的绝缘性能，及信号的连续性，可以解决上面存在的问题。
指本文针对压力传感器检测电路的电路原理，各器件的参数计算选择，相关技术要求和实际使用中的有关问题进行了阐述。

2 电路原理
2.1 MPX10DP 简单介绍

2.1.1 基本概念
压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器
的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的
应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻
条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外
加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的
压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。
Motorola 公司生产的 X 型硅压力传感器则可以克服上述缺点。Motorola 技术采用单个 X 型电阻
元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈 X 型，因而称为 X 型压力传感器。该 X 型电阻其模拟输
出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。
此系列中的 MPX10DP 作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求。
它具有如下特点：（＋VS = 3.0 Vdc, TA = 25°C 条件下 ）
①零压力偏压典型值为 20mv
②传感器灵敏度较高，为 3.5mV/KPa；注意此参数仅在＋VS = 3.0 Vdc, 条件下适用。
③压力范围 max10KPa，通过公式（ｈ=Pa/ρｇ）计算约 1.02 米的水柱高度，在此范围内线性好；
④承受压力范围 75KPa，约 76.5 米高的水柱；爆破压力为 100KPa，约 102 米高的水柱。
⑤温度性能好。在-40°C--+85°C 范围内有较好的线性。
2.1.2 实现方案：
采用 MPX10DP 做为压力传感器，LM358 作为两级放大，把弱信号经过放大约 100 倍，转换成能被 0-5V
的范围内，再经过 MCU 的 AD 口读出电压值，MUC 通常可以选用 10 位的 AD，或根据实际的需
求来选择本例的选择 8 位 AD 读数，度可以达到 3mm 的水柱。量程为 5.0V。零压力条件下
偏压为 1.0V，水位量程为 1 米（现行水机的高度都在 1 米的范围内，可以满足需求。）
另外需要一个温度传感器来检测水稳，补偿由于温漂而引起检测与实际的偏差。温度漂移主要来自
LM358 和 MPX10DP 两个方面。

2.1.3 原理图分析：

MPX10DP 的+VS 采用+5V 通过 R16 和传感器分压提供，+VS 大约为 5*R16*（Rin+R16）=5*450/600V
大约为 3.75V 的电压，对于不同的压力传感器+VS 可能有一定的偏差。主要由于压力传感器本身的电
阻值不一样（Rin 范围为 400-550 欧）引起的。调节 R16 可以调节+VS，+VS 的高低将直接影响到输
出电压的范围及偏压的大小。
2.1.3.2 偏压平衡电路：
此电路由 R7，R6，R10，C8，R12 组成 R7，R6，R10，把 5V 的电压分压到 2.0V 左右，因为压力传
感器可以工作在负压力的条件下，偏压过低将使放大的信号减少，降低了灵敏度。过高可能导致
量程高于 5V。R12 的引入将导致降低放大的性能，所以通常 R12 的选择为 R11//R9 的 100-1000 倍以
上可认为是安全的。所以图中选择为 1M。R7，R6，R10 的阻值不能过大，否则分压将受放大电路的
电阻影响。
2.1.3.1.3 前级放大倍数 A2
前级采用差摸放大，可以抑制共模信号。放大倍数为 A2=R11/R9+1=20.6 倍，实际可能由于 R12 的存
在及 LM358 输入电阻的影响会降低 A2 的值。本例为 19.58。其中 C7 起相位补偿作用，防止深反馈导
致自激现象。
2.1.3.1.3 后级放大倍数 A1
后级采用负反馈放大倍数 A1=R14/R15+1=4.91 倍，本例实际为 4.988。注意此时 LM358 的电压必须大
于 9V，否则会出现在电源为 5.0V 的条件下放大值为 3.7V，5 脚和 6 脚的电压将不再相等。本案
例采用 12V 的电压。
2.1.3.1.4 钳位电路
由于输出电压可能超过 MCU 的电压，所以必须加 D1 钳位二极管。从测试的结果也可以看出来。
2.1.3.1.4 温度检测电路
为了更好的进行检测水位，必须进行温度补偿，此电路有 J2 和 R1 组成。

3 计算公式：
在理想状态下：VO = Voff + sensitivity x P=δ+kH (P=ρｇh)
测试数据如下：

4 注意事项：
4.1：必须确保P1〉P2，否则输出负电压。
4.2：压力传感器必须和水隔离，因为水里的沉淀会影响压力传感器的灵敏度。
4.3：压力传感器有效量程为1.02 米，如果需要检测更高的水位请查看附件
4.4：图上所有电阻采用误差为1%的金膜电阻。