智能壓力傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

　傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)的前端，其工作穩(wěn)定性和可靠性直接影響整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，目前傳感器受諸如溫度、濕度、電源波動(dòng)等環(huán)境因素的影響，其輸出大都為非線性，致使其準(zhǔn)確度大為下降，造成測(cè)量精度不高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。壓阻式壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的壓力傳感器之一，也同樣存在上述問(wèn)題，它利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)[1]來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)量，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、準(zhǔn)確度高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。但由于半導(dǎo)體材料的固有特性，壓阻式傳感器的輸出值不只決定于輸入的壓力，還受到環(huán)境溫度變化的影響，從而產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象，再加上其本身所存在的非線性問(wèn)題，器件在封裝加工過(guò)程中受到的應(yīng)力以及供電電源波動(dòng)等影響，使測(cè)量精度難以滿足測(cè)量要求，這己成為系統(tǒng)性能的嚴(yán)重障礙，特別是在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合更是如此。壓阻式壓力傳感器本身輸出的是一個(gè)小電壓信號(hào), 在使用的過(guò)程中通常要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集, 然后處理為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

　針對(duì)以上問(wèn)題，不僅需要從硬件上利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路等來(lái)抑制溫度等其它非目標(biāo)參量的影響，而且需要從軟件上進(jìn)行補(bǔ)償，采用數(shù)據(jù)融合處理[2-4]。本文設(shè)計(jì)了一種以c8051f410微處理器為核心的智能壓力傳感系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)采用壓阻式壓力傳感器，在電路設(shè)計(jì)中，采用恒流源電路，差動(dòng)放大電路，高性能集成溫度傳感器ds18b20[6]等減小溫度等環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響。系統(tǒng)還采用軟件補(bǔ)償來(lái)修正傳感器溫漂及非線性。c8051f410微處理器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并可直接顯示結(jié)果，也可通過(guò)rs-232通訊口和上位機(jī)通訊，通訊協(xié)議為目前工業(yè)上常用的modbus協(xié)議。系統(tǒng)將溫度誤差模型及校正算式存儲(chǔ)在內(nèi)部的微處理器中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差修正。該系統(tǒng)具有高精度，高抗干擾能力等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　 此壓力傳感器采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示系統(tǒng)硬件主要包括壓力傳感器及其放大部分、溫度傳感器、單片機(jī)電路、顯示部分和鍵盤(pán)輸入。軟件部分包括以下模塊：對(duì)單片機(jī)及a/d轉(zhuǎn)換器的初始化、a/d轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)(包括各通道增益)、零點(diǎn)漂移校正、現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集、壓力傳感器的零點(diǎn)校準(zhǔn)、溫度漂移補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償、串口通訊。單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行必要的處理后發(fā)送到顯示設(shè)備顯示給用戶，也可以根據(jù)需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器件中。用戶通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 采用恒流源供電減小溫度對(duì)靈敏度的影響

　四個(gè)相同阻值的壓阻組成惠斯通電橋，設(shè)阻值為r，當(dāng)受到應(yīng)力時(shí)電阻的阻值變化為△r，受溫度影響電阻變化量為△rt。用恒壓源供電時(shí)輸出電壓與溫度有關(guān)且為非線性，不能消除溫度的影響。

　　恒流時(shí)：v=i△r (1)

　從上式可以看出輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)，這就消除了溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。所以壓力傳感器的供電方式采用恒流源供電，以減小溫度的影響。tl431是德州儀器公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。tl431的溫度系數(shù)為30ppm/℃，輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多。本設(shè)計(jì)中選用tl431來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流源電路，如圖2所示。

圖2 恒流源電路

圖3 放大電路

圖4 ad522外圍電路

　　3.2 采用差動(dòng)放大電路提高輸入阻抗

　　在檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，壓阻效應(yīng)發(fā)出的電阻值變化輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)輸入的模擬信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)放大，使模擬量適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換范圍。對(duì)信號(hào)的放大要求放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。信號(hào)放大器采用ad公司生產(chǎn)的通用儀器儀表單片放大器ad522，ad522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合，具有低電壓漂移、低非線性、高共模抑制比、低噪聲、低失調(diào)電壓等特點(diǎn)，因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖3為ad522典型接法，圖中三個(gè)運(yùn)放組成差動(dòng)放大電路，差動(dòng)輸入端v1和v2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(a1、a2)的同相輸入端，具有較高輸入阻抗。采用對(duì)稱(chēng)電路結(jié)構(gòu)，且被測(cè)信號(hào)直接加入到輸入端上，從而有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。a3為差動(dòng)跟隨器。測(cè)量放大器的輸出：

　　
　 運(yùn)放a1和a2組成的同相輸入差動(dòng)電路失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小，具有高輸入阻抗、高共模抑制比和開(kāi)環(huán)增益，對(duì)微小的差模電壓很敏感，并適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，適宜于微小信號(hào)輸出的壓力傳感器放大。電路可通過(guò)調(diào)節(jié)電阻rw來(lái)調(diào)整放大倍數(shù)。

　在靠近運(yùn)放電源引腳處加電容去耦，去耦電容選用0.lμf表面安裝的陶瓷片狀電容和l0μf電解電容，ad522輸出經(jīng)濾波后連接到c8051f410的ad采集引腳。

　　3.3 溫度傳感器信號(hào)的提取

　 溫度傳感器的作用是，監(jiān)測(cè)主傳感器工作時(shí)由于環(huán)境溫度變化或被測(cè)介質(zhì)溫度變化而引起壓力敏感元件溫度的變化,以根據(jù)其溫度變化修正、補(bǔ)償由于溫度變化對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差，本文壓力傳感器測(cè)量環(huán)境的溫度是利用dallas公司生產(chǎn)的集成溫度傳感器ds18b20[8]測(cè)定的，溫度傳感器ds18b20是數(shù)字化單線總線接口的溫度傳感器，它具有線路簡(jiǎn)單、體積小、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它的測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。傳感器直接輸出的就是溫度信號(hào)數(shù)字值，單總線即只有1 根數(shù)據(jù)線,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機(jī)或從機(jī)通過(guò)一個(gè)漏極開(kāi)路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其它設(shè)備使用總線。

　現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。微控制器c8051f410通過(guò)對(duì)ds18b20的尋址，就可以讀出傳感器溫度值從而簡(jiǎn)化了信號(hào)采集系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　由于硬件補(bǔ)償成本比較高且精度不高，需要結(jié)合軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，來(lái)提高溫度漂移補(bǔ)償?shù)木龋瑥亩郎囟鹊榷喾N非目標(biāo)參量的影響。傳感器非線性和溫度誤差的軟件補(bǔ)償修正方法很多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)己有許多成功的實(shí)例，它需要先獲取一批傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后離線學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)習(xí)完成后，提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，編寫(xiě)相應(yīng)的處理程序，將溫度誤差模型及校正算式存儲(chǔ)在內(nèi)部的微處理器中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度誤差修正。本文采用了rbf網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)償壓力傳感器溫度漂移。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理以后，利用c8051f410對(duì)非線性和溫度變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，補(bǔ)償取得了非常滿意的效果，所得到的數(shù)據(jù)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，見(jiàn)附表。

　　 附表 軟件求得的壓力融合值與其壓力標(biāo)定值

5 結(jié)束語(yǔ)

　 本文設(shè)計(jì)了一種以c8051f410為微處理器為核心的智能壓力傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)采用壓阻式壓力傳感器，采用恒流源電路，差動(dòng)放大電路，高性能集成溫度傳感器ds18b20等硬件措施來(lái)抑制溫度等其它非目標(biāo)參量的影響。系統(tǒng)還進(jìn)行了軟件補(bǔ)償，采用rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合處理修正傳感器溫漂及非線性。系統(tǒng)采用c8051f410微處理器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并直接顯示結(jié)果，也可通過(guò)rs-232與上位機(jī)通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)具有低功耗、低漂移、速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。