基于單片機的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

魏月

渤海大學(xué)工學(xué)院

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基于單片機的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

魏月

渤海大學(xué)工學(xué)院

把單片機作為系統(tǒng)的控制中心，傳感器采用的是Motorola公司的X型的精密硅電壓式的壓力傳感器，轉(zhuǎn)換器采用的是高精度的積分式的ICL7135從而實現(xiàn)采集和轉(zhuǎn)換壓力信息。軟件上還用到了最小二乘法的最佳擬合直線的相關(guān)知識，最小二乘法對于修正采集到的壓力數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差有很大的作用，從而提高系統(tǒng)對壓力數(shù)據(jù)的精確度。本論文中給出了非線性誤差補償?shù)脑硪约皩ο嚓P(guān)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，從測試的結(jié)果可以得出最小二乘法的非線性進(jìn)行誤差補償有著明顯的效果。

單片機 最小二乘法 壓力數(shù)據(jù) 非線性

1　引言

現(xiàn)今，已經(jīng)有很多的學(xué)者對壓力數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行了大量的研究。而與此同時，在微電子技術(shù)方面取得的成就為數(shù)據(jù)采集開辟了更加寬廣的天地，同時也促進(jìn)了采集系統(tǒng)的發(fā)展。對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集這在石油，冶金以及化工方面有著廣泛的應(yīng)用。在采集壓力信號的過程中，在進(jìn)行非電和電之間轉(zhuǎn)化的過程中的精度要求很高，因此對壓力數(shù)據(jù)采集的過程中需要保持高精度。

隨著航天技術(shù)方面的不斷發(fā)展，在截聯(lián)的慣性的測量中對精度的要求越來越高，除了精度的要求外，還要求通信的接口多樣化，系統(tǒng)的工作要實現(xiàn)智能化以及數(shù)據(jù)的處理能力要強等等，為了迎合這些高要求，很明顯傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不是適應(yīng)了，必須尋找新的設(shè)計方法，新的設(shè)計方法需要在技術(shù)和工藝方面進(jìn)行努力。在制造工藝和提高陀螺儀的時候，要把握住截聯(lián)慣性的測量組合的關(guān)鍵部分，也就是數(shù)據(jù)的采集以及電路的處理，這兩者所處的位置很重大，單片機以自身的優(yōu)勢在慣性的設(shè)計中的作用越來越大。許多的行業(yè)領(lǐng)域中都有用到基于單片機的數(shù)據(jù)采集，尤其是最近幾年，選擇51系列的單片機進(jìn)行高精度的壓力數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為了一種爭相追趕的趨勢。

2　壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概述

壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計部分主要包括了兩個組成部分：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

從上圖可以看出，首先是把信號放到力傳感器中，經(jīng)過ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將生成的信號通過放大濾波和A/ D進(jìn)行轉(zhuǎn)化最后就實現(xiàn)了信號的數(shù)字話，接著把相關(guān)的數(shù)據(jù)交給程序進(jìn)行計算，從而得出所需要的物理量，最后將結(jié)果顯示在程序的界面。

（1）數(shù)據(jù)采集的概述

把壓力，溫度，位移等等這些變量參數(shù)進(jìn)行數(shù)字量化，然后再借用計算機的存儲能力以及計算能力對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示或者打印的這個過程稱為數(shù)據(jù)采集，與該過程對應(yīng)的就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集的目的是為了從傳感器中獲得的模擬信號通過轉(zhuǎn)變從而生成計算機這個機器可以進(jìn)行識別的數(shù)字信號，簡單的說這是一個由模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號的過程。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果是否是過關(guān)，這個決定因素是數(shù)據(jù)的采集中的精度以及采集的速度控制的。要想提高數(shù)據(jù)采集的效率，可以從這兩個方面進(jìn)行改進(jìn)，可以通過保持精度不變提高采集的速度，也可以通過保持采集的速度的不變，從而提高采集的精度。

3　壓力采集和信號的變換

Motorola公司研究的X型的硅壓力傳感器和擴(kuò)散的硅壓阻式的壓力傳感器所用到的慧斯登電橋是不一樣的，這項專利的技術(shù)用了單個的壓敏元件并且呈現(xiàn)的是X型的電阻元件，這個電阻用到的原理是利用離子在硅膜上刻上工藝光，修正的技術(shù)用到的是計算機的控制技術(shù)，以及溫度的補償技術(shù)，通過這種方式對于精度的改進(jìn)方面起到了很大的促進(jìn)作用，具有很大的價值，而且在線性度以及靈敏度方面都有著很大的改進(jìn)。

壓力信號通過高精度的壓力傳感器后轉(zhuǎn)為電信號，但是產(chǎn)生的電信號不是很強，所以為了解決由于信號衰弱而造成對系統(tǒng)精度的影響，本系統(tǒng)就采用了電流進(jìn)行傳輸。

4　非線性誤差補償

4.1非線性的誤差補償

所謂的軟件補償?shù)母拍罹褪前烟幚砥骱蛪毫鞲衅鬟M(jìn)行相互的結(jié)合，然后再根據(jù)單片機本身的功能與補償?shù)乃惴▽鞲衅髦挟a(chǎn)生的誤差修正處理。其中軟件補償?shù)乃惴ū容^常用的有曲線擬合以及表格法。而曲線的擬合算法中又可以細(xì)分為多項式和最佳的虛線擬合，由于擬合的方法不同就會導(dǎo)致擬合形成的誤差也就不同。通常情況下，當(dāng)傳感器的輸入和輸出是線性關(guān)系的時候，如果擬合的次數(shù)越低，那么當(dāng)運用最小二乘法的時候精度就越高，本文中考慮了實際中用到的測試儀器所要求的精度以及計算機機器自身的儲存能力和計算的功能，所以該系統(tǒng)就用到了低階的最小二乘法進(jìn)行曲線的擬合。

4.2最佳擬合曲線的補償原理

從以上求出的結(jié)果中代入解出k 的值和b 的值，所以最后便可以求出設(shè)置的未知數(shù)，代入后擬合曲線就可以求得。

5　軟件實現(xiàn)

軟件的實現(xiàn)部分，采用的是分段的方法，對壓力的測試范圍進(jìn)行分割后分別進(jìn)行測試，這樣的可以在一定的程度上修復(fù)非線性帶來的誤差，其中的每個分段內(nèi)都是用折線來進(jìn)行表示的，求出這段折線的斜率k 以及截距b ，然后代入到直線表達(dá)式y(tǒng)=kxi+bi中，其中公式中的i 表示折線的編號，當(dāng)i =1時表示第1段折線，表示的是通過壓力傳感器進(jìn)行采集數(shù)據(jù)后通過A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的結(jié)果，y 表示的是誤差修正后返回的值。經(jīng)過調(diào)試的測量后，可以獲得系統(tǒng)的測量參數(shù)，提前把每段的數(shù)值保存到單片機的程序存儲器中，當(dāng)處于不同的區(qū)段的時候，來自每段的數(shù)值就會由單片機負(fù)責(zé)修正處理。修正處理的流程圖如圖2所示。

圖2　修正處理的流程圖

6　結(jié)果仿真

本論文仿真用到的工具是Matlab，在基于Matlab的基礎(chǔ)上對該擴(kuò)撒型的壓力傳感器的數(shù)據(jù)測量進(jìn)行了精確的測量。其中的最小二乘法擬合的壓力數(shù)據(jù)的變化區(qū)間是在0到0.06Mpa之間波動的，在該范圍內(nèi)將其分為等值的三等分，然后對這每一個等份進(jìn)行最小二乘法的直線擬合。仿真的結(jié)果證明了本文采用的補償方法對數(shù)據(jù)的精確度測量以及系統(tǒng)誤差的修復(fù)是有很大的益處。仿真的結(jié)果如表1所示。

7　結(jié)語

本文所研究的高精度的壓力數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)是針對任何情況下都適用的，所以通用性很強，其中的硬件這部分用到的是X型的硅壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，該硬件是Motorola公司開發(fā)的，通過電流區(qū)間設(shè)置在4mA到20mA之間，進(jìn)行電路的調(diào)理，這樣對硬件的采集部分以及傳輸部分的精度有了很大的保證。同時軟件部分采用的是低階的最小二乘的直線擬合，對其中產(chǎn)生的誤差可以進(jìn)行修正，最后實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的采集方面的精確性。通過在量程的范圍里進(jìn)行分段，對每個部分進(jìn)行補償?shù)拇胧瑥亩鴮崿F(xiàn)軟件精度的補償，這樣仿真的結(jié)果呈現(xiàn)也會更加的精準(zhǔn)。本系統(tǒng)設(shè)計的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了半導(dǎo)體存在的問題，半導(dǎo)體會帶來自非線性誤差的補償問題，非線性主要包括了零點漂移和溫度漂移等等，該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢就是提高了精度的準(zhǔn)確性。并且由于該系統(tǒng)的通用性，所以可以運用到化工，石油，輕工以及冶金各個方面。

表1　仿真的結(jié)果

［1］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］李剛. ADLC8XX系列單片機原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2002.

［3］李花，等.Mcs-51單片機實用接口技術(shù)［Mj.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993，8.

［4］清華大學(xué)電子學(xué)教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998：321-397.