智能压力传感系统的设计

1  引言
                
    　传感器作为测控系统的前端，其工作稳定性和可靠性直接影响整个测控系统的稳定性。然而，目前传感器受诸如温度、湿度、电源波动等环境因素的影响，其输出大都为非线性，致使其准确度大为下降，造成测量精度不高、稳定性差等问题。压阻式压力传感器是应用最广泛的压力传感器之一，也同样存在上述问题，它利用半导体材料的压阻效应[1]来进行压力测量，具有灵敏度高、动态响应好、准确度高、体积小、重量轻等特点。但由于半导体材料的固有特性，压阻式传感器的输出值不只决定于输入的压力，还受到环境温度变化的影响，从而产生温度漂移现象，再加上其本身所存在的非线性问题，器件在封装加工过程中受到的应力以及供电电源波动等影响，使测量精度难以满足测量要求，这己成为系统性能的严重障碍，特别是在环境温度变化较大的应用场合更是如此。压阻式压力传感器本身输出的是一个小电压信号, 在使用的过程中通常要对该信号进行采集, 然后处理为标准信号。
               
    　针对以上问题，不仅需要从硬件上利用适当的信号调理电路等来抑制温度等其它非目标参量的影响，而且需要从软件上进行补偿，采用数据融合处理[2-4]。本文设计了一种以c8051f410微处理器为核心的智能压力传感系统[5]。系统采用压阻式压力传感器，在电路设计中，采用恒流源电路，差动放大电路，高性能集成温度传感器ds18b20[6]等减小温度等环境因素对传感器的影响。系统还采用软件补偿来修正传感器温漂及非线性。c8051f410微处理器对传感器的输出信号进行采样处理，并可直接显示结果，也可通过rs-232通讯口和上位机通讯，通讯协议为目前工业上常用的modbus协议。系统将温度误差模型及校正算式存储在内部的微处理器中，对测量数据进行温度误差修正。该系统具有高精度，高抗干扰能力等特点。
           
2  系统结构
                
  　 此压力传感器采集系统由硬件和软件两部分组成，如图1所示系统硬件主要包括压力传感器及其放大部分、温度传感器、单片机电路、显示部分和键盘输入。软件部分包括以下模块：对单片机及a/d转换器的初始化、a/d转换器的校准(包括各通道增益)、零点漂移校正、现场压力和温度数据的采集、压力传感器的零点校准、温度漂移补偿和非线性补偿、串口通讯。单片机对接收到的信号进行必要的处理后发送到显示设备显示给用户，也可以根据需要把数据存储到存储器件中。用户通过键盘对系统进行控制。

                           图1  系统结构图

           
3  系统硬件设计
           
　　3.1 采用恒流源供电减小温度对灵敏度的影响
               
    　四个相同阻值的压阻组成惠斯通电桥，设阻值为r，当受到应力时电阻的阻值变化为△r，受温度影响电阻变化量为△rt。用恒压源供电时输出电压与温度有关且为非线性，不能消除温度的影响。

　　恒流时：v=i△r                      (1)
               
    　从上式可以看出输出电压与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以压力传感器的供电方式采用恒流源供电，以减小温度的影响。tl431是德州仪器公司生产的一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。tl431的温度系数为30ppm/℃，输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多。本设计中选用tl431来实现恒流源电路，如图2所示。

                                                图2  恒流源电路

                                                图3  放大电路

                                                        图4  ad522外围电路

           
　　3.2 采用差动放大电路提高输入阻抗
               
　　在检测技术应用中，压阻效应发出的电阻值变化输出的信号往往较弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对输入的模拟信号一般要经过放大，使模拟量适合于模数转换器的电压转换范围。对信号的放大要求放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。信号放大器采用ad公司生产的通用仪器仪表单片放大器ad522，ad522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合，具有低电压漂移、低非线性、高共模抑制比、低噪声、低失调电压等特点，因而可用于许多12位数据采集系统中。图3为ad522典型接法，图中三个运放组成差动放大电路，差动输入端v1和v2分别是两个运算放大器(a1、a2)的同相输入端，具有较高输入阻抗。采用对称电路结构，且被测信号直接加入到输入端上，从而有较强的抑制共模信号的能力。a3为差动跟随器。测量放大器的输出：
                            
　　                            
   　 运放a1和a2组成的同相输入差动电路失调电流、电压、噪声和漂移都很小，具有高输入阻抗、高共模抑制比和开环增益，对微小的差模电压很敏感，并适用于测量远距离传输过来的信号，适宜于微小信号输出的压力传感器放大。电路可通过调节电阻rw来调整放大倍数。
               
    　在靠近运放电源引脚处加电容去耦，去耦电容选用0.lμf表面安装的陶瓷片状电容和l0μf电解电容，ad522输出经滤波后连接到c8051f410的ad采集引脚。
           
　　3.3 温度传感器信号的提取
               
   　 温度传感器的作用是，监测主传感器工作时由于环境温度变化或被测介质温度变化而引起压力敏感元件温度的变化,以根据其温度变化修正、补偿由于温度变化对测量带来的误差，本文压力传感器测量环境的温度是利用dallas公司生产的集成温度传感器ds18b20[8]测定的，温度传感器ds18b20是数字化单线总线接口的温度传感器，它具有线路简单、体积小、低功耗、抗干扰能力强等优点。它的测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃。传感器直接输出的就是温度信号数字值，单总线即只有1 根数据线,系统的数据交换、控制都由这根线完成。主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线。
               
    　现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。微控制器c8051f410通过对ds18b20的寻址，就可以读出传感器温度值从而简化了信号采集系统的电路结构。
           
4  系统软件设计
                
    　由于硬件补偿成本比较高且精度不高，需要结合软件进行数据补偿，来提高温度漂移补偿的精度，从而消除温度等多种非目标参量的影响。传感器非线性和温度误差的软件补偿修正方法很多，神经网络己有许多成功的实例，它需要先获取一批传感器系统实验数据，然后离线学习，当学习完成后，提取神经网络的参数，编写相应的处理程序，将温度误差模型及校正算式存储在内部的微处理器中，对测量数据进行温度误差修正。本文采用了rbf网络模型对实验中采集的数据进行非线性补偿仿真实验，补偿压力传感器温度漂移。在对实验数据进行融合处理以后，利用c8051f410对非线性和温度变化产生的误差进行修正，补偿取得了非常满意的效果，所得到的数据精度高，抗干扰能力强，见附表。

          
　　 附表   软件求得的压力融合值与其压力标定值

5  结束语
                
   　 本文设计了一种以c8051f410为微处理器为核心的智能压力传感系统。系统采用压阻式压力传感器，采用恒流源电路，差动放大电路，高性能集成温度传感器ds18b20等硬件措施来抑制温度等其它非目标参量的影响。系统还进行了软件补偿，采用rbf神经网络数据融合处理修正传感器温漂及非线性。系统采用c8051f410微处理器对传感器的输出信号进行采样处理，并直接显示结果，也可通过rs-232与上位机通讯。实验结果证明该系统具有低功耗、低漂移、速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。