智能壓力傳感器的研究

陳銘

摘 要 當(dāng)今社會(huì)信息技術(shù)在不斷的發(fā)展完善，而為計(jì)算機(jī)提供信息的傳感器，它的發(fā)展相對(duì)計(jì)算機(jī)信息處理功能來(lái)說(shuō)卻有些落后，這樣一來(lái)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)便會(huì)受到影響，而檢測(cè)技術(shù)正是人類探索和發(fā)現(xiàn)以及創(chuàng)新科技的重要手段。基于上述因素，越來(lái)越多的國(guó)家對(duì)傳感器技術(shù)的未來(lái)寄予了高度重視，這為傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以適應(yīng)信息處理技術(shù)的需要奠定了基礎(chǔ)。本文從硬件和軟件兩部分介紹了智能傳感器。硬件部分主要介紹了傳感器的特性和工作原理；軟件部分主要介紹了信息處理的編譯思想。

關(guān)鍵詞 智能壓力傳感器 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 數(shù)字采集與處理 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息的一種工具， 是計(jì)算機(jī)與自然界相聯(lián)系的橋梁，作為過(guò)程控制和自動(dòng)化技術(shù)的前沿環(huán)節(jié)，傳感器已遍及到當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域?？v觀其發(fā)展過(guò)程，可劃分為三個(gè)階段：

（1）結(jié)構(gòu)型傳感器，其特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、性能可靠；

（2）物性型傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固，體積小，質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快；

（3）八十年代剛剛發(fā)展起來(lái)的智能傳感器（或稱靈巧傳感器），它是隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的，是微處理機(jī)高性能化低成本化的產(chǎn)物。

在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)中，各個(gè)企業(yè)的自動(dòng)化水平在不斷地提高。大型自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息從集中處理型向分散處理型發(fā)展是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，同時(shí)也是廣大企業(yè)所迫切要求的。因此，智能傳感器在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展前途，有著日益繁榮的市場(chǎng)。

1智能傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常把傳感器的特性分為兩種：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸入與輸出的關(guān)系；動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。

傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關(guān)系特性外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。

2智能傳感器如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理

傳感器之所以智能化是因?yàn)槠淇梢詫z測(cè)值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。且被檢測(cè)信號(hào)種類繁多，輸出的信號(hào)有模擬量、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量等，當(dāng)然在使用這些信號(hào)之前，必須先通過(guò)各種預(yù)處理電路將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電壓信號(hào)或周期信號(hào)，因?yàn)槠渲薪^大多數(shù)傳感器輸出信號(hào)不能直接作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入量。

數(shù)據(jù)采集：傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)與處理成為A/D變換器所需要模擬信號(hào)，模擬電壓的數(shù)字化則要依賴于模擬轉(zhuǎn)換器（A/D），它通過(guò)采樣、量化和編碼將輸入信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)據(jù)處理：傳感器的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，所獲得的數(shù)字信號(hào)一般不能直接輸入計(jì)算機(jī)供應(yīng)用程序使用，還必須根據(jù)需要進(jìn)行加工處理，如標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波等，以上這些處理也稱軟件處理。

3智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)方案

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器提供了一種精確測(cè)量壓力的系統(tǒng)方法，他將三種技術(shù)融為一體：硅壓阻傳感元件、微型計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理。它可提供溫度補(bǔ)償和非線性度補(bǔ)償，并且每臺(tái)傳感器同時(shí)具有數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，智能壓力傳感器應(yīng)采用低價(jià)格、小體積、高性能價(jià)值比的8位微處理器 （單片機(jī) ）MSC1211Y5控制，用以實(shí)現(xiàn)傳感器信息的處理、數(shù)字通信和智能化管理。

傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首，被測(cè)壓力量需由它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)才能供給電路處理，因此它的性能對(duì)傳感器系統(tǒng)有著很大的影響。本文采用固態(tài)壓阻式壓力傳感器，其機(jī)構(gòu)包括外殼，硅膜片和引線。其核心部分是一塊圓形硅膜片，膜片周圍用硅環(huán)固定，通常稱為硅環(huán)。膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔，一個(gè)是與被測(cè)系統(tǒng)相連的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，一般與大氣相通，也有做成真空的。在膜片上利用集成電路工藝方法擴(kuò)散上四個(gè)阻值相等的電阻：R1、R2、R3、R4。四個(gè)電阻用導(dǎo)線接成平衡電橋。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差而發(fā)生形變時(shí)，膜片各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力，從而使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出響應(yīng)的電壓，其電壓大小就反映了模片的壓力差值。利用電阻的特征，選擇適當(dāng)位置布置電阻，使其直接入電橋四臂中，從而構(gòu)成全等臂差動(dòng)電橋。這樣既提高了靈敏度又部分消除溫度影響誤差。

3.2軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)的輸入輸出，數(shù)據(jù)處理等功能都通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此開(kāi)發(fā)一個(gè)性能優(yōu)良的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行的重要前提。本論文采用VC++編程語(yǔ)言，對(duì)系統(tǒng)的智能功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。

軟件的設(shè)計(jì)完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)來(lái)完成，將整個(gè)程序細(xì)胞劃分為若干個(gè)子程序（模塊），方便調(diào)試與檢查，有了各個(gè)功能快的軟件實(shí)現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計(jì)就變的簡(jiǎn)單了，軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想是采用模塊設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。這種思路對(duì)于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因?yàn)椴粌H程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序空間。

智能壓力傳感器軟件有如下幾個(gè)模塊：

（1）對(duì)微處理器MSC1211Y5各種寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)化初始化；

（2）對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)包括各通道增益、零點(diǎn)漂移矯正；

（3）現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集；

（4）壓力傳感器的溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償；

（5）A/D輸出，D/A數(shù)據(jù)輸出；

（6）與上位機(jī)的通訊。

整個(gè)系統(tǒng)在優(yōu)化硬件盆之的基礎(chǔ)上才用小型化一體化設(shè)計(jì)，所有微處理器，穩(wěn)壓模塊，通訊接口芯片等都采用低價(jià)格，小體積，高集成度的器件，從而使用電路板尺寸很小，并與壓阻式壓力傳感元件一體化轉(zhuǎn)配，是智能壓力傳器系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點(diǎn)。在單片機(jī)MSC1211Y5的超強(qiáng)的功能下，該壓力傳感器能有秩序地完成指定工作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的。