基于MPX2100型壓力傳感器的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：在壓力的測(cè)量與分析中，通常壓力值的變化速度不快，但要求測(cè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了X型硅壓力傳感器MPX2100以及A/D轉(zhuǎn)換核心部件ICL7135各自的性能特點(diǎn)及其相關(guān)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(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)流程圖。
關(guān)鍵詞：高精度；壓力傳感器；數(shù)據(jù)采集；A/D轉(zhuǎn)換；液晶顯示；單片機(jī)

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(lǐng)域中，都必須進(jìn)行相關(guān)的壓力檢測(cè)與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測(cè)量壓力值并把它由非電量轉(zhuǎn)變成電量這一過(guò)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，在高性能單片機(jī)AT89S52的控制下，放大調(diào)理后的模擬電量通過(guò)高精度、高性能芯片ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有很高的數(shù)據(jù)采集精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，使用壽命長(zhǎng)。系統(tǒng)采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。PLD技術(shù)的應(yīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)被放大調(diào)理后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)標(biāo)定、運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚?，在液晶顯示模塊上顯示出來(lái)，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換，鍵盤提供人機(jī)交互的手段。

1、壓力數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理電路

    壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)換成電流/電壓的器件，可用于測(cè)量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多，其中硅半導(dǎo)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(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴(kuò)散或離子注入法形成四個(gè)阻值相等的電阻條，并將它們接成一個(gè)惠斯登電橋。當(dāng)沒(méi)有外加壓力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出為零。當(dāng)有外加壓力時(shí)，電橋失去平衡而產(chǎn)生輸出電壓，該電壓大小與壓力有關(guān)，通過(guò)檢測(cè)電壓，即可得到相應(yīng)的壓力值。但這種傳感器由于四個(gè)橋臂電阻不完全匹配而引起測(cè)量誤差，零點(diǎn)偏移較大，不易調(diào)整。 

    Motorola公司生產(chǎn)的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點(diǎn)。如圖2所示，與惠斯登電橋不同，Motorola專利技術(shù)采用單個(gè)X型電阻元件，而不是電橋結(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)控制的激光修正技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)，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(zhǎng)期重復(fù)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(diǎn)：

    ①由于采用激光微調(diào)技術(shù)，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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在-40℃~ +125℃范圍內(nèi)有較好的溫度補(bǔ)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(guò)載大（400%）。[!--empirenews.page--]

（2）信號(hào)調(diào)理電路
    電路圖如圖3所示（圖中只以一路傳感器輸出信號(hào)為例，未畫出多路開關(guān)CD4051）。
    信號(hào)經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100DP變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)CMOS型8選1多路開關(guān)CD4051選擇之后，再送入放大電路，進(jìn)行調(diào)理后輸出到A/D模塊ICL7135進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)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(duì)于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?br />    放大器采用MC33274四運(yùn)算放大器，它組成一個(gè)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(diào)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(lái)防止運(yùn)放的反饋電流流入傳感器的負(fù)端。零壓力時(shí)，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設(shè)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(jīng)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(guò)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）。

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2、單片機(jī)及其外圍電路部分
    單片機(jī)外圍電路如圖4所示。
    （1）AT89S52介紹
    單片機(jī)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(diǎn)，是采用CMOS工藝的8位單片機(jī)。AT89S52有以下主要特點(diǎn)：
    ①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)器（NV-SRAM）技術(shù)；
    ②其片內(nèi)具有256字節(jié)RAM，8KB的可在線編程（ISP）FLASH存儲(chǔ)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(nèi)含有一個(gè)看門狗定時(shí)器（WDT），WDT包含一個(gè)14位計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)器復(fù)位寄存器(WDTRST)，只要對(duì)WDTRST按順序先寫入01EH，后寫入0E1H，WDT便啟動(dòng)，當(dāng)CPU由于擾動(dòng)而使程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)時(shí)，WDT即可有效地使系統(tǒng)復(fù)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(hào)由74LS138對(duì)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(hào)CS_8155（Y0）、鍵盤接口片選信號(hào)CS_KEY（Y1）及液晶模塊片選信號(hào)CS_LCD（Y2）等。LCD選用OCULAR公司生產(chǎn)的字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊GD1602S，該模塊能顯示20×2的5×7點(diǎn)陣字符，功能強(qiáng)，與8位MCU接口方便；鍵盤接口設(shè)計(jì)為通用PC機(jī)接口（PS/2），是因?yàn)橥ㄓ肞C機(jī)鍵盤具有價(jià)格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，而且維護(hù)方便，限于篇幅本文未介紹。A13、A14、A15組成多路模擬開關(guān)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(hào)，它將被送往信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大調(diào)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(shè)于戶外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)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(dá)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(jī)進(jìn)行通信時(shí)穩(wěn)定可靠。

3、雙積分模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口電路
    （1）芯片ICL7135介紹
    ICL7135是美國(guó)MAXIN公司生產(chǎn)的一個(gè)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換集成電路，該芯片抗干擾能力強(qiáng)、分辯率高、價(jià)格低廉。它的分辯率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB，轉(zhuǎn)換輸出為0~19999；當(dāng)測(cè)量量程為0kN~2000kN時(shí)，這樣的精度使得儀表的分辯率達(dá)到0.1kN；模擬輸入可以保證0點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由于7135輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)掃描BCD碼，因此常規(guī)設(shè)計(jì)一般通過(guò)并行接口與單片機(jī)連接，以節(jié)省單片機(jī)的硬件開銷，同時(shí)8155中的定時(shí)器還可以滿足7135對(duì)時(shí)鐘的需要。
    （2）A/D轉(zhuǎn)換電路及其原理
    電路原理圖如圖5所示。

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   7135與8155的連接是通過(guò)4位2選1數(shù)據(jù)多路開關(guān)74LS157來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其選通信號(hào)由7135的D5輸出控制。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，D5輸出高電平，74LS157選通B類通道，單片機(jī)通過(guò)PA0~PA3讀入萬(wàn)位數(shù)B1、狀態(tài)位POL（極性）、OVR（過(guò)量程）和UR（欠量程）；當(dāng)D5輸出完成時(shí)，變?yōu)榈碗娖剑ㄟ@一過(guò)程包括D4~D1數(shù)據(jù)輸出周期在內(nèi)），74LS157選通A類通道，單片機(jī)通過(guò)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(wàn)、千、百、十、個(gè)各位BCD碼（即轉(zhuǎn)換結(jié)果）。8155A口中斷請(qǐng)求線PC0反相后形成單片機(jī)的外中斷0觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)7135完成1次轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生5個(gè)數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標(biāo)志送入A口；A口收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，中斷線PC0變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)單片機(jī)的中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。7135的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)由P14控制，高電平轉(zhuǎn)換開始，低電平保持。
    經(jīng)調(diào)理后的0V~2V的模擬信號(hào)通過(guò)RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果包括2部分：極性和量程，反映轉(zhuǎn)換性質(zhì)的結(jié)果。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)為D1，D2，D3，D41及D5，其中D5（萬(wàn)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(zhuǎn)換的溫度穩(wěn)定性和精度，采用高精度基準(zhǔn)電源MC1403，通過(guò)金屬膜多圈進(jìn)口電位器調(diào)節(jié)得到。參考電壓上并聯(lián)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(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵器件。按照7135應(yīng)用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關(guān)，選用時(shí)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(shí)鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時(shí)7135的轉(zhuǎn)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(shí)量程為 ?C2V~ +2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。
   （3）PLD技術(shù)的應(yīng)用
    為節(jié)省了硬件電路的開銷，減少硬件電路產(chǎn)生的電磁干擾，系統(tǒng)的部分電路應(yīng)用了PLD技術(shù)，其可編程邏輯電路（見(jiàn)圖5）由可編程邏輯陳列芯片GAL16V8組成，主要完成A/D轉(zhuǎn)換模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束選通信號(hào)  產(chǎn)生單片機(jī)外中斷0中斷信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)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(jī)的  、  、ALE信號(hào)；
    P8—與非門輸出； P9—8155的A口中斷信號(hào)；P13—生成的單片機(jī)外中斷觸發(fā)信號(hào)。
    按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.LED，然后通過(guò)編程器寫入GAL16V8即可。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用匯編語(yǔ)言編程，整個(gè)程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉(zhuǎn)換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器總是存在非線性誤差，由于上述非線性關(guān)系的存在，帶來(lái)了精度的降低，為了保證在整個(gè)范圍內(nèi)滿足精度的要求，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)控制要求對(duì)測(cè)量值進(jìn)行誤差修正，修正一般通過(guò)軟件較準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。其具體的修正方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的工作區(qū)段和質(zhì)量要求來(lái)確定。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制能力對(duì)非線性關(guān)系找出修正算法，并在反復(fù)測(cè)試調(diào)整后使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用分段線性插值法對(duì)測(cè)量值的曲線進(jìn)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(duì)應(yīng)的折線來(lái)代替，對(duì)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(hào)；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(guān)系示意曲線如圖8所示。
    預(yù)先將每段的之值存于單片機(jī)中，在不同的工作區(qū)段，單片機(jī)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的每段的上述值調(diào)出進(jìn)行運(yùn)算處理。（限于篇幅，定量的分析沒(méi)有討論）
                 

五、結(jié)束語(yǔ)

    本文描述的是一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它有許多優(yōu)點(diǎn)，可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作，而且抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。可廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域的壓力數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)與分析。