压力传感器的高精度数据采集

一、引言

在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测与分析。通常压力值的变化速度较缓慢，但在测量压力值并把它由非电量转变成电量这一过程中，要求精度非常高，本文介绍了一种通用的高精度压力数据采集系统。系统的压力传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器MPX2100，转换精度高、灵敏度高，具有极好的线性度，在高性能单片机AT89S52的控制下，放大调理后的模拟电量通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换，可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力，使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换。PLD技术的应用，节省了硬件电路的开销。

二、系统的硬件组成及工作原理

高精度压力数据采集系统框图如图1所示。压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换模块转换为数字量，传送给单片机，经过标定、运算及零点补偿等处理，在液晶显示模块上显示出来，同时可经串行接口传送到上位机，实现良好的人机交换，键盘提供人机交互的手段。

1、压力数据采集及信号调理电路

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。如图2所示，与惠斯登电桥不同，Motorola专利技术采用单个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型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，使Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高，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MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器，本系统采用MPX2100DP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：

    ①由于采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于±1mV；
    ②传感器灵敏度较高，为40mV±1.5mV；
    ③传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40℃~ +125℃范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；
    ④具有极好的线性度（±0.25%F.S）；
    ⑤有较宽的工作温度范围（-40℃~ +125℃）；
    ⑥允许过载大（400%）。

（2）信号调理电路

电路图如图3所示（图中只以一路传感器输出信号为例，未画出多路开关CD4051）。

信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V，它的满量程输出x由下式确定： x =40mV×8V/10V =32mV    （1）

对于电压输出逻辑电平定为5V，显然32mV的电压要进行适当的放大。

放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益为：

选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032 = 4V（为电源电压的一半）。

2、单片机及其外围电路部分
 
单片机外围电路如图4所示。

（1）AT89S52介绍

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点：
    ①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；
    ②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；
    ③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；
    ④片内含有一个看门狗定时器（WDT），WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

（2）外围电路部分

接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0（A8）、P2.1（A9）、P2.2（A10）译码后生成，主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155（Y0）、键盘接口片选信号CS_KEY（Y1）及液晶模块片选信号CS_LCD（Y2）等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S，该模块能显示20×2的5×7点阵字符，功能强，与8位MCU接口方便；键盘接口设计为通用PC机接口（PS/2），是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点，而且维护方便，限于篇幅本文未介绍。A13、A14、A15组成多路模拟开关4051的编码地址线，Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号，它将被送往信号调理模块进行放大调理。在恶劣的工业工作环境中，串行通信接口芯片很有可能受到静电的冲击而损坏，特别是在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。本文选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，最大传输距离约1219m，最大传输速率为10Mb/s；可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。

3、双积分模/数转换接口电路

（1）芯片ICL7135介绍

ICL7135是美国MAXIN公司生产的一个双积分式A/D转换集成电路，该芯片抗干扰能力强、分辩率高、价格低廉。它的分辩率相当于14位二进制数，转换误差为±1LSB，转换输出为0~19999；当测量量程为0kN~2000kN时，这样的精度使得仪表的分辩率达到0.1kN；模拟输入可以保证0点在常温下的长期稳定性。由于7135输出的转换结果是动态扫描BCD码，因此常规设计一般通过并行接口与单片机连接，以节省单片机的硬件开销，同时8155中的定时器还可以满足7135对时钟的需要。

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（2）A/D转换电路及其原理

电路原理图如图5所示。

7135与8155的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来实现的。其选通信号由7135的D5输出控制。当A/D转换结束时，D5输出高电平，74LS157选通B类通道，单片机通过PA0~PA3读入万位数B1、状态位POL（极性）、OVR（过量程）和UR（欠量程）；当D5输出完成时，变为低电平（这一过程包括D4~D1数据输出周期在内），74LS157选通A类通道，单片机通过PA0~PA3将依次读入8421码值B8，B4，B2及B1，即低位BCD码，依次形成万、千、百、十、个各位BCD码（即转换结果）。8155A口中断请求线PC0反相后形成单片机的外中断0触发信号。当7135完成1次转换后，产生5个数据选通脉冲，分别将各位BCD码和位标志送入A口；A口收到一个数据后，中断线PC0变为高电平，启动单片机的中断服务程序，读取A/D转换的数据结果。7135的转换启动由P14控制，高电平转换开始，低电平保持。

经调理后的0V~2V的模拟信号通过RC低通滤波后，从IN+，IN-输入。A/D转换后的结果包括2部分：极性和量程，反映转换性质的结果。转换后的数字信号为D1，D2，D3，D41及D5，其中D5（万位）只能是1或0，其他几位为0~9的BCD码。而7135所需的参考电压为量程的确良1/2，如果量程为2V，则参考电压为1V。为了保证转换的温度稳定性和精度，采用高精度基准电源MC1403，通过金属膜多圈进口电位器调节得到。参考电压上并联的CBB电容C46(0.1mF) ，C47（1mF）主要是保证参考电压的稳定性。

积分电容是决定转换精度的关键器件。按照7135应用特性，积分电容C8和积分电阻R3与量程等有关，选用时必须满足以下要求：

    R3=满度电压/20mA                            （3）
    C8=1000×20mA×T/积分器输出摆幅             （4）

式中，T=1/fcl k。

fclk—7135的时钟频率，一般可选择250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值为125kHz，此时7135的转换速率为3次/s。
 
在±5V系统中，如模拟地为0V，则摆幅为±4V，此时量程为 ?C2V~ +2V，则：R3=100kW，C8=0.47mF。

（3）PLD技术的应用

为节省了硬件电路的开销，减少硬件电路产生的电磁干扰，系统的部分电路应用了PLD技术，其可编程逻辑电路（见图5）由可编程逻辑陈列芯片GAL16V8组成，主要完成A/D转换模块所需的时钟信号和转换结束选通信号  产生单片机外中断0中断信号的逻辑转换，其逻辑方程如下：
    P16= +  （与非门）                      （5）
    P14=P7+P8　  （或门）                        （6）
    P13=        （非门）                        （7）
    式中，P2 、P3、 P7分别为单片机的  、  、ALE信号；
    P8—与非门输出； P9—8155的A口中断信号；P13—生成的单片机外中断触发信号。

按照上述逻辑关系生成的PLD文件经FM软件编译后，产生熔丝文件*.LED，然后通过编程器写入GAL16V8即可。

三、系统软件设计

系统软件设计采用模块化结构，采用汇编语言编程，整个程序由主程序、显示、键盘扫描、A/D转换处理等子程序模块组成。限于篇幅在此只列出了A/D转换处理子程序流程图，如图6所示。

四、非线性误差的修正

传感器、放大器、A/D转换器总是存在非线性误差，由于上述非线性关系的存在，带来了精度的降低，为了保证在整个范围内满足精度的要求，所以在实际应用中应根据控制要求对测量值进行误差修正，修正一般通过软件较准实现。其具体的修正方法应根据信号的工作区段和质量要求来确定。利用单片机的运算和控制能力对非线性关系找出修正算法，并在反复测试调整后使其达到设计要求。本系统采用分段线性插值法对测量值的曲线进行了误差修正处理。方法为：将0～XMAX分为若干工作区段，每段曲线用一段对应的折线来代替，对每段折线可求出VQ：

 N t : VQ = ai×N t+bi         （8）

式中，I—某段折线的序号；ai—该段折线的斜率；bi—该段折线的截距。

它们的修正程序流程图如图7所示，处理关系示意曲线如图8所示。

预先将每段的之值存于单片机中，在不同的工作区段，单片机自动地将对应的每段的上述值调出进行运算处理。（限于篇幅，定量的分析没有讨论）

五、结束语

本文描述的是一种通用的高精度压力数据采集系统，它有许多优点，可在各种恶劣的环境中正常地工作，而且抗干扰能力强、使用寿命长、分辨率高。采用液晶显示及PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换。可广泛地应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域的压力数据采集、检测与分析。