智能壓力傳感系統的設計   

    傳感器作為測控系統的前端，其工作穩定性和可靠性直接影響整個(gè)測控系統的穩定性。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(xiàn)性，致使其準確度大為下降，造成測量精度不高、穩定性差等問(wèn)題。壓阻式壓力傳感器是應用最廣泛的壓力傳感器之一，也同樣存在上述問(wèn)題，它利用半導體材料的壓阻效應[1]來(lái)進(jìn)行壓力測量，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應好、準確度高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。但由于半導體材料的固有特性，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)生溫度漂移現象，再加上其本身所存在的非線(xiàn)性問(wèn)題，器件在封裝加工過(guò)程中受到的應力以及供電電源波動(dòng)等影響，使測量精度難以滿(mǎn)足測量要求，這己成為系統性能的嚴重障礙，特別是在環(huán)境溫度變化較大的應用場(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, 在使用的過(guò)程中通常要對該信號進(jìn)行采集, 然后處理為標準信號。

    針對以上問(wèn)題，不僅需要從硬件上利用適當的信號調理電路等來(lái)抑制溫度等其它非目標參量的影響，而且需要從軟件上進(jìn)行補償，采用數據融合處理[2-4]。本文設計了一種以c8051f410微處理器為核心的智能壓力傳感系統[5]。系統采用壓阻式壓力傳感器，在電路設計中，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)境因素對傳感器的影響。系統還采用軟件補償來(lái)修正傳感器溫漂及非線(xiàn)性。c8051f410微處理器對傳感器的輸出信號進(jìn)行采樣處理，并可直接顯示結果，也可通過(guò)rs-232通訊口和上位機通訊，通訊協(xié)議為目前工業(yè)上常用的modbus協(xié)議。系統將溫度誤差模型及校正算式存儲在內部的微處理器中，對測量數據進(jìn)行溫度誤差修正。該系統具有高精度，高抗干擾能力等特點(diǎn)。

系統結構

  　 此壓力傳感器采集系統由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示系統硬件主要包括壓力傳感器及其放大部分、溫度傳感器、單片機電路、顯示部分和鍵盤(pán)輸入。軟件部分包括以下模塊：對單片機及a/d轉換器的初始化、a/d轉換器的校準(包括各通道增益)、零點(diǎn)漂移校正、現場(chǎng)壓力和溫度數據的采集、壓力傳感器的零點(diǎn)校準、溫度漂移補償和非線(xiàn)性補償、串口通訊。單片機對接收到的信號進(jìn)行必要的處理后發(fā)送到顯示設備顯示給用戶(hù)，也可以根據需要把數據存儲到存儲器件中。用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)對系統進(jìn)行控制。

3  系統硬件設計

　　3.1 采用恒流源供電減小溫度對靈敏度的影響

    　四個(gè)相同阻值的壓阻組成惠斯通電橋，設阻值為r，當受到應力時(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(xiàn)性，不能消除溫度的影響。

　　恒流時(shí)：v=i△r    

    　從上式可以看出輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)，這就消除了溫度對傳感器輸出信號的影響。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)有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。tl431的溫度系數為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。本設計中選用tl431來(lái)實(shí)現恒流源電路。

　　3.2 采用差動(dòng)放大電路提高輸入阻抗

　　在檢測技術(shù)應用中，壓阻效應發(fā)出的電阻值變化輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對輸入的模擬信號一般要經(jīng)過(guò)放大，使模擬量適合于模數轉換器的電壓轉換范圍。對信號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)行高精度數據采集的場(chǎng)合，具有低電壓漂移、低非線(xiàn)性、高共模抑制比、低噪聲、低失調電壓等特點(diǎn)，因而可用于許多12位數據采集系統中。圖3為ad522典型接法，圖中三個(gè)運放組成差動(dòng)放大電路，差動(dòng)輸入端v1和v2分別是兩個(gè)運算放大器(a1、a2)的同相輸入端，具有較高輸入阻抗。采用對稱(chēng)電路結構，且被測信號直接加入到輸入端上，從而有較強的抑制共模信號的能力。a3為差動(dòng)跟隨器。測量放大器的輸出：

   　運放a1和a2組成的同相輸入差動(dòng)電路失調電流、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，對微小的差模電壓很敏感，并適用于測量遠距離傳輸過(guò)來(lái)的信號，適宜于微小信號輸出的壓力傳感器放大。電路可通過(guò)調節電阻rw來(lái)調整放大倍數。

    在靠近運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 溫度傳感器信號的提取

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

    　現場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現場(chǎng)溫度測量。微控制器c8051f410通過(guò)對ds18b20的尋址，就可以讀出傳感器溫度值從而簡(jiǎn)化了信號采集系統的電路結構。

4  系統軟件設計

    　由于硬件補償成本比較高且精度不高，需要結合軟件進(jìn)行數據補償，來(lái)提高溫度漂移補償的精度，從而消除溫度等多種非目標參量的影響。傳感器非線(xiàn)性和溫度誤差的軟件補償修正方法很多，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實(shí)驗數據，然后離線(xiàn)學(xué)習，當學(xué)習完成后，提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的參數，編寫(xiě)相應的處理程序，將溫度誤差模型及校正算式存儲在內部的微處理器中，對測量數據進(jìn)行溫度誤差修正。本文采用了rbf網(wǎng)絡(luò )模型對實(shí)驗中采集的數據進(jìn)行非線(xiàn)性補償仿真實(shí)驗，補償壓力傳感器溫度漂移。在對實(shí)驗數據進(jìn)行融合處理以后，利用c8051f410對非線(xiàn)性和溫度變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，補償取得了非常滿(mǎn)意的效果，所得到的數據精度高，抗干擾能力強。