1 引言
传感器的研究始于二十世纪三十年代,它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期传感器是模拟式传感器,现在常称为传统传感器。随着高性能计算机测控系统的发展,当系统对传感器提出数字化、智能化要求后,传统传感器不再与系统相适应。控制系统要求传感器输出数字信号,并具备较强的信息处理和自我管理能力,以实现信息的采集与信息的预处理,减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性。
2 智能压力传感器硬件设计
图1为系统的整体结构图,从结构图中可以看出硬件电路简洁,ADμC812单片机不用外接A/D和D/A转换器,不占用大量的空间,并且具有可重新编程非易失性闪速/电擦除程序存储器,调试简单。
图1 系统的整体结构图
2.1 信号分析处理
以往的硬件结构设计是通过多路选择开关来控制通道的选择,然后通过采样保持器和AID转换器进行模数转换,转换的数字信号再送到微控制器,这种分立的元器件使系统产生很多误差并占用大量的空间。
本文使用的单片机ADμC812是真正意义上的完整的数据采集系统芯片（包括数据转换电路、微控制器、闪速/电擦除存储器等等）。微转换器集成了一个完全可编程的,高精度的模拟数据采集系统。它小得可以放置在一个传感器、转发器或电缆连接器之内。它的成本极低,因此可以取代建立在单板机基础上的高成本、大体积的产品。由于其高精度和高速度,它适用于智能传感、瞬时获取、数据采集和各种通信系统。其功能方框图如图2所示。
图2 ADμC812功能方框图
在本文设计中,将ADμC812单片机P1口的P1.0, P1.1、P1.2和P 1.3作为四路信号输入通道,其中一路输入差压信号,一路输入温度信号,一路输入静压信号,一路接地,这一路可配合相应的软件来降低温漂和系统误差:P1.7口接发光二极管,用于监测单片机是否正常工作;P2口的 P2.0和P2.1作为液晶显示的输入脉冲和数据端;P3口的P3.0 （RXD）和P3.1 （TXD）外接一片MAX232,进行电平转换,实现和 PC机的通信。本设计采用外部时钟产生方式,晶体频率为11.0592MHz,采用内部基准,在7引脚（CRER）与AGND之间连接0.1μF的电容。电源复位电路采用MAX708芯片进行复位。
2.2 传感器输出信号预处理
传感器输出信号的预处理主要由信号调理电路组成,包括对差压、静压和温度传感器的恒压源电路的设计以及完成对传感器输出信号进行滤波放大。
1、恒压源电路设计。使用本电路如果不采用稳压措施,当对传感器供电初始时,电压会出现上跳的现象,使对传感器提供的5V电压,变成超过5V,这样对智能传感器造成损害,严重时可使整个电路烧坏,所以本文用二次稳压对智能压力传感器进行保护。本文一次稳压使用的稳压器是LM117,它只有输入端、输出端和公共端三个引脚,所需要的外接元器件少,使用方便、可靠。
在测量中,传感器的时漂和温漂受环境的影响会发生变化,为了使其稳定性好,本文选择基准电压源REF192对压力、静压和温度传感器进行二次稳压,REF192的优点是适合对智能传感器进行供电,与普通的基准电源相比具有温漂小、输出噪声小、动态内阻小、有短路保护等特点。原理图如图3所示。 REF192的主要参数如下:基准电压VR=2.5V,温度系数TC<5PPm/℃,输出噪声电压为25μV。当基准电压VR=2.5V,温度范围在10℃～80℃时,温度传感器输出电压的变化范围为1.5V～2V。
2、图3为对信号进行放大的原理图。放大器采用单电源的仪表放大器AD623,其特点是:便于使用、低功耗、高精度和低噪声等。AD623使用设置电阻进行增益控制,即由1脚与8脚之间的阻抗来决定。压力信号变化幅度范围在0mV～500mV,放大倍数设定为5倍。经传感器转换和放大后的电信号,由于多种原因,会含有多种频率成分的噪声信号,需采取滤波措施,将不需要的杂散信号抑制掉,我们将R3和C3构成了一个低通滤波器,使系统的信噪比增加,这里 C3=0.1μF, R3=1K。
图3 信号放大电路
3 智能压力传感器软件设计
智能压力传感器的软件是由监控程序,中断程序,测量程序和信号处理程序组成。在主程序的管理下,系统可以自检RAM和A/D转换芯片等功能是否正常。如有故障,可以显示哪一元件出错,并显示出错的详细位置,以便操作人员及时处理;如正常,则对系统初始化,包括堆栈指针的设置、定时器/计数器的初始化、中断初始化、有关工作单元初始化等。
1、监控程序设计。监控程序是智能传感器软件中的主线,它调用各模块,并将它们联系起来,形成一个有机的整体,实现对仪器的全部管理功能。在本设计中,由于使用的CPU没有ROM和E2PROM,所以节省了软件设计。我们只对RAM和A/D进行自检,又由于本文所使用的CPU在接电使用时,A/D自动进行自检,所以不用设计其自检程序。
2、测量控制程序。测量控制程序完成测量以及测量过程的控制任务,如多通道切换、采样、A/D转换等。这些功能可以由若干个程序模块实现,供监控程序或中断程序调用。测量程序所要实现的功能是采集温度、静压和差压信号,对差压进行线性校正,然后实现温度、静压信号对差压信号的补偿,实现补偿后,显示其差压测量值。
3、数据通信软件设计。我们采用LED对数据进行实时显示,由于LED只能显示数据,而不能对其进行分析,实现系统和PC机之间的通信,可利用PC机对测量结果进行显示、数据处理和打印。这部分软件包括单片机的通信软件设计和PC机的通信软件设计,PC机的通信软件设计由C++Builder来完成。
PC机通信软件的设计。本文编制串行通信分成四个步骤:1） 打开串行口并进行初始化,初始化的任务是以一定方式打开端口,并设置通信的波特率、数据位个数、停止位个数、奇偶校验方式、差错检测、超时参数、响应事件等;2） 数据的发送,将要发送的数据写入端口,并进行错误处理;3） 数据的接收,当端口发生接受到事件字符并放入输入缓冲区事件后,读取端口数据;4） 关闭端口,释放系统资源。
智能传感器的通信软件设计。本文采用的是半双工形式来传送数据。单片机串行通信有四种工作方式,我们采用的是工作方式1,它的特点是波特率可变,无奇偶校验位,波特率的设置与定时器1的计数器溢出率有关。本文采用的是定时器T1四种工作方式中的工作方式2,在工作方式2中,TL0作为8位计数器,TH0用来保存初值,每当TL0计满溢出时,TH0中的初值可自动再装入TH0中,如此重复。波特率的公式为:
波特率=2SMOD×晶振频率/[32×12×（256-X）]
本文采用的波特率为9600,晶振为11.0592, SMOD设为0, TH1为253。单片机通信子程序结构框图如图4所示。
图4 单片机通信子程序结构框图
4 误差与温度补偿技术设计
任何一种测量过程都不可避免地存在着误差,按误差出现的规律可将其分为随机误差和系统误差,随机误差可以采用滤波方法来加以克服,而系统误差不能依靠统计平均的方法来消除,而只能针对某一具体情况在测量技术上采用一定的措施,本文针对尽可能降低智能传感器这两种误差及提高采集数据的精确性,我们配合硬件结构进行了相应的软件设计。
1、随机误差。
由于随机干扰使被测信号中混入了无用成分,可以采用滤波器滤掉信号中的无用成分,提高信号质量。常用的数字滤波算法有限幅滤波、中位值滤波、算术平均滤波、递推平均滤波、一阶惯性滤波和复合滤波等。由于复合滤波即可以去掉脉冲干扰,又可以对采样值进行平滑处理,它兼有中位值滤波和算术平均滤波的优点, 所以本文采用复合滤波的算法。复合滤波的算法原理如下:首先将N次采样值按大小排队,然后去掉最大值和最小值,再对剩下的N-2个采样值求算术平均值。
2、系统误差。
（1） 自动零位校准。为了消除由于环境因素变化,使传感器的输出或放大器的增益等发生变化所造成的仪器零点漂移,而引起系统误差,我们采用自动零位校准的方法。本文使用的CPU具有8个输入通道,故在温度、静压和差压输入通道之外再使一个通道接地,这样每次采集数据时,可直接用软件技术把接地通道得到的数值扣除。
（2） 非线性校正。为了实现输入-输出特性是一条直线,也就是说在测量范围内灵敏度是一个常数,本文采用曲线拟合法,设定一个泰勒展开的n次多项式来逼近传感器测量非线性曲线。
（3） 温度补偿。本文主要采用信息融合处理方法中的多维回归分析法。其基本思想是:用多维回归方程来建立被测目标参量与传感器输出量之间的对应关系。与经典传感器一维实验标定/校准不同的是要进行多维标定/校准实验,然后,按最小二乘法原理由实验标定/校准数据计算出均方误差最小条件下的回归方程中的系数。这样,测量时当测得了传感器的输出值时,就可由己知系数的多维回归方程来计算出相应的输入被测目标参数。非线性校正和温度补偿都需要几次调用浮点数加法和浮点数乘法运算的子程序来求得结果。
本文作者创新点
本文采用ADμC812单片机设计硬件电路,这种芯片内不仅集成了可重新编程非易失性闪速/电擦除程序存储器的高性能8位MCU,还包含了高性能的自校准8通道ADC及2通道12位DAC,使硬件电路设计简单,体积小,携带方便并减小误差。采用与PC机通信,完成数据转换、数据处理和数据打印等功能, 便于实现系统集中监控。在抗干扰方面,本文硬件采用低通滤波器和软件采用复合滤波法来克服随机误差,提高了系统在不同场合下工作的稳定性。
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