基于MPX2100型壓力傳感器的高精度數據采集系統(tǒng)

摘要：在壓力的測量與分析中，通常壓力值的變化速度不快，但要求測量精度很高。本文介紹了一種基于MPX2100型壓力傳感器的高精度壓力數據采集系統(tǒng)，給出了X型硅壓力傳感器MPX2100以及A/D轉換核心部件ICL7135各自的性能特點及其相關接口電路；提供了系統(tǒng)的組成框圖、各主要部分電路圖及A/D轉換軟件設計流程圖。
關鍵詞：高精度；壓力傳感器；數據采集；A/D轉換；液晶顯示；單片機

一、引言

    在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領域中，都必須進行相關的壓力檢測與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測量壓力值并把它由非電量轉變成電量這一過程中，要求精度非常高，本文介紹了一種通用的高精度壓力數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，在高性能單片機AT89S52的控制下，放大調理后的模擬電量通過高精度、高性能芯片ICL7135進行A/D轉換，可以保證系統(tǒng)具有很高的數據采集精度和很強的抗干擾能力，使用壽命長。系統(tǒng)采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實現了良好的人機交換。PLD技術的應用，節(jié)省了硬件電路的開銷。

二、系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

    高精度壓力數據采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號被放大調理后經模/數轉換模塊轉換為數字量，傳送給單片機，經過標定、運算及零點補償等處理，在液晶顯示模塊上顯示出來，同時可經串行接口傳送到上位機，實現良好的人機交換，鍵盤提供人機交互的手段。

1、壓力數據采集及信號調理電路

    壓力傳感器是一種將壓力轉換成電流/電壓的器件，可用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多，其中硅半導體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優(yōu)點得到廣泛的應用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴散或離子注入法形成四個阻值相等的電阻條，并將它們接成一個惠斯登電橋。當沒有外加壓力時，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零。當有外加壓力時，電橋失去平衡而產生輸出電壓，該電壓大小與壓力有關，通過檢測電壓，即可得到相應的壓力值。但這種傳感器由于四個橋臂電阻不完全匹配而引起測量誤差，零點偏移較大，不易調整。 

    Motorola公司生產的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點。如圖2所示，與惠斯登電橋不同，Motorola專利技術采用單個X型電阻元件，而不是電橋結構，其壓敏電阻元件呈X型，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計算機控制的激光修正技術，溫度補償技術，使Motorola硅MPX系列壓力傳感器的精度很高，其模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長期重復性好。此系列中的MPX2100DP壓力傳感器是一種高精度硅壓式壓力傳感器，本系統(tǒng)采用MPX2100DP作為壓力傳感器，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求，它具有如下特點：

    ①由于采用激光微調技術，使電橋零漂輸出很小，一般小于±1mV；
    ②傳感器靈敏度較高，為40mV±1.5mV；
    ③傳感器由熱敏電阻組成溫度補償網絡，在-40℃~ +125℃范圍內有較好的溫度補償效果，從而提高了傳感器的精度；
    ④具有極好的線性度（±0.25%F.S）；
    ⑤有較寬的工作溫度范圍（-40℃~ +125℃）；
    ⑥允許過載大（400%）。

（2）信號調理電路
    電路圖如圖3所示（圖中只以一路傳感器輸出信號為例，未畫出多路開關CD4051）。
    信號經高精度壓力傳感器MPX2100DP變?yōu)殡娦盘?，通過CMOS型8選1多路開關CD4051選擇之后，再送入放大電路，進行調理后輸出到A/D模塊ICL7135進行高精度模數轉換。MPX2100DP的供電電壓取為8V，它的滿量程輸出x由下式確定： x =40mV×8V/10V =32mV    （1）
    對于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進行適當的放大。
    放大器采用MC33274四運算放大器，它組成一個儀表放大電路，具有高差模增益和高共模抑制比，輸入阻抗高，可調節(jié)偏置電路。差模放大主要由U1A完成，U1B為電壓跟隨器，用來防止運放的反饋電流流入傳感器的負端。零壓力時，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設2端和4端的共模電壓各為4V（傳感器電源電壓的一半），則U1A的端電壓也是4V，該電壓經U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R4和RP1引入。R7值的選擇從13端看過去的阻抗約為1kW，放大器的增益為：
                                （2）

   選擇125的增益使傳感器滿量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032 = 4V（為電源電壓的一半）。

2、單片機及其外圍電路部分
    單片機外圍電路如圖4所示。
    （1）AT89S52介紹
    單片機選用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，該芯片具有低功耗、高性能的特點，是采用CMOS工藝的8位單片機。AT89S52有以下主要特點：
    ①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存儲器（NV-SRAM）技術；
    ②其片內具有256字節(jié)RAM，8KB的可在線編程（ISP）FLASH存儲器；
    ③有2種低功耗節(jié)電工作方式：空閑模式和掉電模式；
    ④片內含有一個看門狗定時器（WDT），WDT包含一個14位計數器和看門狗定時器復位寄存器(WDTRST)，只要對WDTRST按順序先寫入01EH，后寫入0E1H，WDT便啟動，當CPU由于擾動而使程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)時，WDT即可有效地使系統(tǒng)復位，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

（2）外圍電路部分
    接口電路的片選信號由74LS138對高位地址線P2.0（A8）、P2.1（A9）、P2.2（A10）譯碼后生成，主要有8155可編程接口電路片選信號CS_8155（Y0）、鍵盤接口片選信號CS_KEY（Y1）及液晶模塊片選信號CS_LCD（Y2）等。LCD選用OCULAR公司生產的字符點陣液晶顯示模塊GD1602S，該模塊能顯示20×2的5×7點陣字符，功能強，與8位MCU接口方便；鍵盤接口設計為通用PC機接口（PS/2），是因為通用PC機鍵盤具有價格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等優(yōu)點，而且維護方便，限于篇幅本文未介紹。A13、A14、A15組成多路模擬開關4051的編碼地址線，Vxi即為4051按照鍵盤輸入的地址選出的一路模擬信號，它將被送往信號調理模塊進行放大調理。在惡劣的工業(yè)工作環(huán)境中，串行通信接口芯片很有可能受到靜電的沖擊而損壞，特別是在傳輸線架設于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統(tǒng)還有可能遭致雷電的襲擊。本文選用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達8kV的靜電放電沖擊，最大傳輸距離約1219m，最大傳輸速率為10Mb/s；可以保證與上位機進行通信時穩(wěn)定可靠。

3、雙積分模/數轉換接口電路
    （1）芯片ICL7135介紹
    ICL7135是美國MAXIN公司生產的一個雙積分式A/D轉換集成電路，該芯片抗干擾能力強、分辯率高、價格低廉。它的分辯率相當于14位二進制數，轉換誤差為±1LSB，轉換輸出為0~19999；當測量量程為0kN~2000kN時，這樣的精度使得儀表的分辯率達到0.1kN；模擬輸入可以保證0點在常溫下的長期穩(wěn)定性。由于7135輸出的轉換結果是動態(tài)掃描BCD碼，因此常規(guī)設計一般通過并行接口與單片機連接，以節(jié)省單片機的硬件開銷，同時8155中的定時器還可以滿足7135對時鐘的需要。
    （2）A/D轉換電路及其原理
    電路原理圖如圖5所示。

   7135與8155的連接是通過4位2選1數據多路開關74LS157來實現的。其選通信號由7135的D5輸出控制。當A/D轉換結束時，D5輸出高電平，74LS157選通B類通道，單片機通過PA0~PA3讀入萬位數B1、狀態(tài)位POL（極性）、OVR（過量程）和UR（欠量程）；當D5輸出完成時，變?yōu)榈碗娖剑ㄟ@一過程包括D4~D1數據輸出周期在內），74LS157選通A類通道，單片機通過PA0~PA3將依次讀入8421碼值B8，B4，B2及B1，即低位BCD碼，依次形成萬、千、百、十、個各位BCD碼（即轉換結果）。8155A口中斷請求線PC0反相后形成單片機的外中斷0觸發(fā)信號。當7135完成1次轉換后，產生5個數據選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標志送入A口；A口收到一個數據后，中斷線PC0變?yōu)楦唠娖?，啟動單片機的中斷服務程序，讀取A/D轉換的數據結果。7135的轉換啟動由P14控制，高電平轉換開始，低電平保持。
    經調理后的0V~2V的模擬信號通過RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉換后的結果包括2部分：極性和量程，反映轉換性質的結果。轉換后的數字信號為D1，D2，D3，D41及D5，其中D5（萬位）只能是1或0，其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2，如果量程為2V，則參考電壓為1V。為了保證轉換的溫度穩(wěn)定性和精度，采用高精度基準電源MC1403，通過金屬膜多圈進口電位器調節(jié)得到。參考電壓上并聯的CBB電容C46(0.1mF) ，C47（1mF）主要是保證參考電壓的穩(wěn)定性。

    積分電容是決定轉換精度的關鍵器件。按照7135應用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關，選用時必須滿足以下要求：

    R3=滿度電壓/20mA                            （3）
    C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅             （4）
    式中，T=1/fcl k。
    fclk—7135的時鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時7135的轉換速率為3次/s。
    在±5V系統(tǒng)中，如模擬地為0V，則擺幅為±4V，此時量程為 ?C2V~ +2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。
   （3）PLD技術的應用
    為節(jié)省了硬件電路的開銷，減少硬件電路產生的電磁干擾，系統(tǒng)的部分電路應用了PLD技術，其可編程邏輯電路（見圖5）由可編程邏輯陳列芯片GAL16V8組成，主要完成A/D轉換模塊所需的時鐘信號和轉換結束選通信號  產生單片機外中斷0中斷信號的邏輯轉換，其邏輯方程如下：
    P16= +  （與非門）                      （5）
    P14=P7+P8　  （或門）                        （6）
    P13=        （非門）                        （7）
    式中，P2 、P3、 P7分別為單片機的  、  、ALE信號；
    P8—與非門輸出； P9—8155的A口中斷信號；P13—生成的單片機外中斷觸發(fā)信號。
    按照上述邏輯關系生成的PLD文件經FM軟件編譯后，產生熔絲文件*.LED，然后通過編程器寫入GAL16V8即可。

三、系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件設計采用模塊化結構，采用匯編語言編程，整個程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉換處理子程序流程圖，如圖6所示。

四、非線性誤差的修正

    傳感器、放大器、A/D轉換器總是存在非線性誤差，由于上述非線性關系的存在，帶來了精度的降低，為了保證在整個范圍內滿足精度的要求，所以在實際應用中應根據控制要求對測量值進行誤差修正，修正一般通過軟件較準實現。其具體的修正方法應根據信號的工作區(qū)段和質量要求來確定。利用單片機的運算和控制能力對非線性關系找出修正算法，并在反復測試調整后使其達到設計要求。本系統(tǒng)采用分段線性插值法對測量值的曲線進行了誤差修正處理。方法為：將0～XMAX分為若干工作區(qū)段，每段曲線用一段對應的折線來代替，對每段折線可求出VQ：

     N t : VQ = ai×N t+bi         （8）
    式中，I—某段折線的序號；ai—該段折線的斜率；bi—該段折線的截距。
    它們的修正程序流程圖如圖7所示，處理關系示意曲線如圖8所示。
    預先將每段的之值存于單片機中，在不同的工作區(qū)段，單片機自動地將對應的每段的上述值調出進行運算處理。（限于篇幅，定量的分析沒有討論）
                 

五、結束語

    本文描述的是一種通用的高精度壓力數據采集系統(tǒng)，它有許多優(yōu)點，可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作，而且抗干擾能力強、使用壽命長、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實現了良好的人機交換?？蓮V泛地應用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領域的壓力數據采集、檢測與分析。