基于C8051F060單片機的精密數(shù)字壓力表設計

陳碧海，程寶進，李 勇

基于C8051F060單片機的精密數(shù)字壓力表設計

陳碧海，程寶進，李 勇

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

精密數(shù)字壓力表設計基于單片機C8051F060為核心電路，通過對壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，對壓力數(shù)據(jù)進行全溫區(qū)補償，以提高壓力表的精度，并根據(jù)壓力表使用需求設計了串口輸出功能、面板零位校準功能、靈敏度校準功能，使其更具實用性。

壓力傳感器，數(shù)字壓力表，溫度補償

引 言

隨著電子技術的快速發(fā)展，壓力表精度要求越來越高，指針式壓力表正逐漸被數(shù)字壓力表取代。以往精密數(shù)字壓力表存在濾波時間長、標校復雜、溫度補償效果差等問題，通過采用單片機技術對壓力敏感元件信號進行采集、快速數(shù)字濾波、多階方程溫度補償、增加零位校準、靈敏度校準功能，可以解決上述問題，并可根據(jù)需要增加其他特殊功能，如串口輸出功能。

1 系統(tǒng)總體設計

精密數(shù)字壓力表系統(tǒng)設計針對以往數(shù)字壓力表存在問題進行如下設計。

1.1 傳感器選擇

選用壓阻式壓力傳感器，其具有長期穩(wěn)定性好、重復性好、遲滯小、線性好等優(yōu)點，不足之處是溫度誤差較大，但可以通過單片機溫度補償解決。

1.2 信號調(diào)理電路選擇

傳感器電橋采用恒流源供電，具有溫度影響小、橋路輸出為線性等優(yōu)點。橋路放大電路采用儀表放大器，具有共模抑制比高、輸入阻抗高、線性好、低漂移等優(yōu)點。

1.3 壓力表響應時間設計

一般數(shù)字壓力表為解決干擾除采用模擬電路濾波同時還需采用數(shù)字濾波。通常為使顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定而對固定時間采樣數(shù)據(jù)進行均值處理。

一般數(shù)字濾波可以采取一定時間段采樣數(shù)據(jù)取平均值方法，此方法相對響應時間較慢，設計采用動態(tài)平滑濾波，響應速度大大提高。

1.4 標校形式

針對壓阻式壓力傳感器線性好、遲滯小、溫度特性長期穩(wěn)定好的特點，標校采用零位和靈敏度調(diào)校即可，不需進行各溫度下各壓力點調(diào)校，僅需進行常溫零位和靈敏度標校即可。

圖1 系統(tǒng)總體

本系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2 硬件設計

精密數(shù)字壓力表傳感器采用進口的壓阻式壓力傳感器，具有精度高，長期穩(wěn)定性好、線性好、重復性好、遲滯小等優(yōu)點，但其溫度系數(shù)較大，需增加溫度傳感器對其進行零點和靈敏度溫度補償才能得到理想的性能。

單片機選用C8051F060，其具有功能：4352Bytes RAM/64KB Flash，2個16位A/D，8個10位A/D，1個內(nèi)置溫度傳感器，2個12位D/A，1個SPI接口，1個I2C接口，2個UART接口。其交叉開關方式的配置，使I/O口應用更加靈活方便。設計使用其中1個16位A/D對壓力傳感器信號和10位A/D對內(nèi)置溫度傳感器信號進行采樣。

電源部分采用AC/DC電源供電，給單片機系統(tǒng)供電采用3.3VDC電源，壓阻式壓力傳感器橋路供電采用恒流源，具有溫度系數(shù)相對恒壓源小的優(yōu)點。

儀表放大電路采用三運放結構，具有輸入阻抗高、共模抑制比高、零漂小等優(yōu)點。

數(shù)顯電路采用MAX7219專用顯示芯片，其具有集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器，可直接連接單片機SPI串行接口驅(qū)動5位7段碼LED的特性。

數(shù)碼顯示為5位LED數(shù)碼管，可根據(jù)量程和精度進行顯示。

串口電路選用MAX3232專用串口芯片，具有將單片機UART接口轉(zhuǎn)標準RS-232串口功能特性。

零位和靈敏度調(diào)試電路采用輕觸開關低電平觸發(fā)單片機I/O口方式進行，由軟件針對外部施加的零位壓力輸出和滿量壓力輸出調(diào)整零位和靈敏度。

3 軟件設計

軟件使用C語言進行編程，運行于C8051F060微處理器上。通過51系列微處理keil C51 uV2集成編譯環(huán)境完成系統(tǒng)軟件編譯、仿真、調(diào)試，將系統(tǒng)軟件寫入微處理器內(nèi)部FLASH ROM之后，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的獨立運行。精密數(shù)字壓力表軟件主要有四個設計目標：

圖2 軟件流程

①對采集壓力傳感器信號進行數(shù)字濾波。

②通過采集溫度傳感器信號對壓力傳感器進行溫度補償。

③具有零位校準和靈敏度校準的功能。

④配合電路硬件，完成精密數(shù)字壓力表采集、顯示、串口數(shù)據(jù)發(fā)送功能。

軟件基本流程如圖2所示。

3.1 數(shù)字濾波設計

精密數(shù)字壓力表設計中盡管對電路硬件部分采取了RC濾波，有些高頻干擾仍然難以去除，故在數(shù)據(jù)處理上采取軟件數(shù)字濾波以消除高頻時鐘脈沖干擾。數(shù)字濾波算法通常有限幅濾波、中值濾波、算術平均濾波及有它們組合的混合濾波算法等。針對被測壓力信號變化相對緩慢的特點（一般為10ms以上），宜采用限幅濾波和算術平均濾波，以去除電路高頻時鐘脈沖干擾。

限幅濾波具體原則為：

①先進行首次10ms、100次數(shù)據(jù)的算術平均值計算。

②再進行下一次采樣，判斷與前段平均值差值的絕對值是否大于20mV，大于則進行限幅處理，替換上一采樣周期第一個采樣數(shù)據(jù)，達到動態(tài)平滑濾波目的。

3.2 溫度補償設計

壓阻式壓力傳感器零位、靈敏度隨溫度均會產(chǎn)生漂移，設壓力傳感器輸出為，溫度傳感器輸出為，則壓力表輸出（即顯示）(,)可用以下公式表達：

其中()?()?()?()為的函數(shù)，可用以下公式表達：

根據(jù)壓阻式壓力傳感器的遲滯（0.01%）特性很好，誤差可以忽略不計，線性（0.02%）較好，壓力表輸出相對壓力傳感器輸出采用1階方程模型比較合理[1-4]。

壓力表輸出的零位溫度系數(shù)()和靈敏度溫度系數(shù)()相對溫度傳感器輸出關系相對復雜，一般采用3階方程模型即可，即

通過表1數(shù)據(jù)代入上述方程組，可解得0、1、2、3、0、1、2、3數(shù)值，獲得壓力表輸出方程。

0、10、20、30為各溫度點溫度傳感器輸出。

0-0、0-10、0-20、0-30為各溫度點壓力傳感器零位輸出。

16-0、16-10、16-20、16-30為各溫度點壓力傳感器滿量輸出。

表1 壓力表標校數(shù)據(jù)溫度、壓力取點及溫度傳感器、壓力傳感器輸出

3.3 零位校準和靈敏度校準的功能

從用戶使用、標校方便角度考慮，壓力表不宜進行各壓力、溫度點的標校，并將標校大量數(shù)據(jù)進行芯片數(shù)據(jù)燒寫，根據(jù)式（6），通過采集校準時的零位數(shù)據(jù)和滿量數(shù)據(jù)，可對壓力表輸出方程的零位和靈敏度進行快速修正，具體方法如下：

①壓力表零位校準

傳感器的零位變化一般由材料微觀缺陷或封裝連接蠕變產(chǎn)生，其特點為零位曲線產(chǎn)生偏移，溫度特性不受影響，因此只需修正式（7）中0項即可。

根據(jù)式（6），在壓力表施加0MPa壓力時，通過按壓力表面板設置的校零輕觸開關，給單片機一個校零觸發(fā)信號，有下式成立

②壓力表靈敏度校準

傳感器的靈敏度一般由結構尺寸、材料特性、靈敏度溫度特性決定，其中材料特性不會發(fā)生變化，溫度特性已進行補償，結構尺寸可能由于微觀的蠕變、應力釋放而產(chǎn)生微小變化，對靈敏度影響很小，這種情況發(fā)生可能性也比較小，但也需定期標校，與零位標校原理相同，只需修正式（8）中B0項即可。在壓力表施加16MPa（滿量）壓力時，通過按壓力表內(nèi)部設置的校靈敏度輕觸開關（因一般用戶對此功能不宜輕易操作，設在壓力表內(nèi)部），給單片機一個校靈敏度觸發(fā)信號，有下式成立

4 試驗結果

精密數(shù)字壓力表設計用于室溫，使用溫區(qū)定為0～+30℃，主要性能指標為0～+30℃溫區(qū)內(nèi)示值誤差小于0.1%FS。表2為其全溫區(qū)測試數(shù)據(jù)，滿足誤差指標要求。

表2 精密數(shù)字壓力表全溫區(qū)測試數(shù)據(jù)

試驗中使用的壓力校準設備為DRUCK的PACE6000系統(tǒng)，精度為0.01%，環(huán)境溫度控制設備為巨孚公司的ECT-150-70- CP-AR恒溫試驗機，溫度控制精度±0.2℃。

5 結束語

精密數(shù)字壓力表設計中采用單片機對壓阻式壓力傳感器進行數(shù)字濾波和溫度補償，并根據(jù)需要設計了零位和靈敏度調(diào)整功能和串口輸出功能，經(jīng)實際測試功能達到設計要求，精密數(shù)字壓力表量程為16MPa，全溫區(qū)（0～+30℃）精度達到0.1%FS，補償效果理想。

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Design of precision digital pressure gauge based on C8051F060

CHEN Bihai, CHENG Baojin, LI Yong

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

The precision digital pressure gauge is based on the C8051F060 chip microcomputer. Through data collection of silicon piezoresistive pressure sensor and temperature sensor, the pressure data is compensated in the full temperature range to improve the accuracy of the pressure gauge. According to the demand of the pressure gauge, the serial port transport function, panel zero calibration function and sensitivity calibration function are designed to make it more practical.

Pressure sensor, Digital pressure gauge, Temperature compensation

TH812

B

CN11-1780(2019)04-0071-04

陳碧海 1964年生，高級工程師，主要研究方向為壓力測試設備。

程寶進 1988年生，工程師，主要研究方向為壓力測試設備。

李 勇 1989年生，工程師，主要研究方向為壓力傳感器。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-05-21

2019-07-11