智能压力传感器的研究

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摘 要 当今社会信息技术在不断的发展完善，而为计算机提供信息的传感器，它的发展相对计算机信息处理功能来说却有些落后，这样一来自动检测技术便会受到影响，而检测技术正是人类探索和发现以及创新科技的重要手段。基于上述因素，越来越多的国家对传感器技术的未来寄予了高度重视，这为传感器技术的快速发展，以适应信息处理技术的需要奠定了基础。本文从硬件和软件两部分介绍了智能传感器。硬件部分主要介绍了传感器的特性和工作原理；软件部分主要介绍了信息处理的编译思想。

关键词 智能压力传感器 结构特点 数字采集与处理 设计

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0引言

传感器是获取和转换信息的一种工具， 是计算机与自然界相联系的桥梁，作为过程控制和自动化技术的前沿环节，传感器已遍及到当今社会的各个领域。纵观其发展过程，可划分为三个阶段：

（1）结构型传感器，其特点是原理简单、性能可靠；

（2）物性型传感器，其优点是结构牢固，体积小，质量轻、响应速度快；

（3）八十年代刚刚发展起来的智能传感器（或称灵巧传感器），它是随着大规模集成电路和微处理机技术而迅速发展起来的，是微处理机高性能化低成本化的产物。

在我国的现代化建设中，各个企业的自动化水平在不断地提高。大型自动控制系统的信息从集中处理型向分散处理型发展是自动化技术发展的一个方向，同时也是广大企业所迫切要求的。因此，智能传感器在我国有着广阔的发展前途，有着日益繁荣的市场。

1智能传感器的结构特点

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量的各个值处于稳定状态时输入与输出的关系；动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。

2智能传感器如何进行数据采集和数据处理

传感器之所以智能化是因为其可以将检测值转化为电信号进行传输。且被检测信号种类繁多，输出的信号有模拟量、数字量、开关量等，当然在使用这些信号之前，必须先通过各种预处理电路将传感器输出信号转换成统一的电压信号或周期信号，因为其中绝大多数传感器输出信号不能直接作为A/D转换的输入量。

数据采集：传感器信号经过与处理成为A/D变换器所需要模拟信号，模拟电压的数字化则要依赖于模拟转换器（A/D），它通过采样、量化和编码将输入信号变换为数字信号。

数据处理：传感器的数据输出信号经过A/D转换器转换，所获得的数字信号一般不能直接输入计算机供应用程序使用，还必须根据需要进行加工处理，如标度变换、非线性补偿、温度补偿、数字滤波等，以上这些处理也称软件处理。

3智能压力传感器的设计方案

3.1结构设计

本文设计的传感器提供了一种精确测量压力的系统方法，他将三种技术融为一体：硅压阻传感元件、微型计算机和信号处理。它可提供温度补偿和非线性度补偿，并且每台传感器同时具有数字信号输出和模拟信号输出。根据设计要求，智能压力传感器应采用低价格、小体积、高性能价值比的8位微处理器 （单片机 ）MSC1211Y5控制，用以实现传感器信息的处理、数字通信和智能化管理。

传感元件位于传感器系统之首，被测压力量需由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本文采用固态压阻式压力传感器，其机构包括外壳，硅膜片和引线。其核心部分是一块圆形硅膜片，膜片周围用硅环固定，通常称为硅环。膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，另一个是低压腔，一般与大气相通，也有做成真空的。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的电阻：R1、R2、R3、R4。四个电阻用导线接成平衡电桥。当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出响应的电压，其电压大小就反映了模片的压力差值。利用电阻的特征，选择适当位置布置电阻，使其直接入电桥四臂中，从而构成全等臂差动电桥。这样既提高了灵敏度又部分消除温度影响误差。

3.2软件设计

软件是整个系统的重要组成部分，系统的人机对话、数据的输入输出，数据处理等功能都通过软件来实现的。因此开发一个性能优良的应用软件是实现整个系统正常可靠运行的重要前提。本论文采用VC++编程语言，对系统的智能功能进行设计。

软件的设计完全按照结构化的程序设计来完成，将整个程序细胞划分为若干个子程序（模块），方便调试与检查，有了各个功能快的软件实现方法，软件的总体设计就变的简单了，软件设计中一个重要的思想是采用模块设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序空间。

智能压力传感器软件有如下几个模块：

（1）对微处理器MSC1211Y5各种寄存器、A/D转换器和D/A的校准转换器进化初始化；

（2）对A/D转换器的校准包括各通道增益、零点漂移矫正；

（3）现场压力和温度数据的采集；

（4）压力传感器的温度补偿和非线性补偿；

（5）A/D输出，D/A数据输出；

（6）与上位机的通讯。

整个系统在优化硬件盆之的基础上才用小型化一体化设计，所有微处理器，稳压模块，通讯接口芯片等都采用低价格，小体积，高集成度的器件，从而使用电路板尺寸很小，并与压阻式压力传感元件一体化转配，是智能压力传器系统具有体积小、成本低的特点。在单片机MSC1211Y5的超强的功能下，该压力传感器能有秩序地完成指定工作，实现测量的目的。