智能壓力傳感器的研究

陳銘

摘 要 當今社會信息技術在不斷的發展完善，而為計算機提供信息的傳感器，它的發展相對計算機信息處理功能來說卻有些落后，這樣一來自動檢測技術便會受到影響，而檢測技術正是人類探索和發現以及創新科技的重要手段。基于上述因素，越來越多的國家對傳感器技術的未來寄予了高度重視，這為傳感器技術的快速發展，以適應信息處理技術的需要奠定了基礎。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。

關鍵詞 智能壓力傳感器 結構特點 數字采集與處理 設計

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0引言

傳感器是獲取和轉換信息的一種工具， 是計算機與自然界相聯系的橋梁，作為過程控制和自動化技術的前沿環節，傳感器已遍及到當今社會的各個領域。縱觀其發展過程，可劃分為三個階段：

（1）結構型傳感器，其特點是原理簡單、性能可靠；

（2）物性型傳感器，其優點是結構牢固，體積小，質量輕、響應速度快；

（3）八十年代剛剛發展起來的智能傳感器（或稱靈巧傳感器），它是隨著大規模集成電路和微處理機技術而迅速發展起來的，是微處理機高性能化低成本化的產物。

在我國的現代化建設中，各個企業的自動化水平在不斷地提高。大型自動控制系統的信息從集中處理型向分散處理型發展是自動化技術發展的一個方向，同時也是廣大企業所迫切要求的。因此，智能傳感器在我國有著廣闊的發展前途，有著日益繁榮的市場。

1智能傳感器的結構特點

傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關系。通常把傳感器的特性分為兩種：靜態特性和動態特性。靜態特性是指輸入不隨時間而變化的特性，它表示傳感器在被測量的各個值處于穩定狀態時輸入與輸出的關系；動態特性是指輸入隨時間而變化的特性，它表示傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。

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

2智能傳感器如何進行數據采集和數據處理

傳感器之所以智能化是因為其可以將檢測值轉化為電信號進行傳輸。且被檢測信號種類繁多，輸出的信號有模擬量、數字量、開關量等，當然在使用這些信號之前，必須先通過各種預處理電路將傳感器輸出信號轉換成統一的電壓信號或周期信號，因為其中絕大多數傳感器輸出信號不能直接作為A/D轉換的輸入量。

數據采集：傳感器信號經過與處理成為A/D變換器所需要模擬信號，模擬電壓的數字化則要依賴于模擬轉換器（A/D），它通過采樣、量化和編碼將輸入信號變換為數字信號。

數據處理：傳感器的數據輸出信號經過A/D轉換器轉換，所獲得的數字信號一般不能直接輸入計算機供應用程序使用，還必須根據需要進行加工處理，如標度變換、非線性補償、溫度補償、數字濾波等，以上這些處理也稱軟件處理。

3智能壓力傳感器的設計方案

3.1結構設計

本文設計的傳感器提供了一種精確測量壓力的系統方法，他將三種技術融為一體：硅壓阻傳感元件、微型計算機和信號處理。它可提供溫度補償和非線性度補償，并且每臺傳感器同時具有數字信號輸出和模擬信號輸出。根據設計要求，智能壓力傳感器應采用低價格、小體積、高性能價值比的8位微處理器 （單片機 ）MSC1211Y5控制，用以實現傳感器信息的處理、數字通信和智能化管理。

傳感元件位于傳感器系統之首，被測壓力量需由它轉換為電信號才能供給電路處理，因此它的性能對傳感器系統有著很大的影響。本文采用固態壓阻式壓力傳感器，其機構包括外殼，硅膜片和引線。其核心部分是一塊圓形硅膜片，膜片周圍用硅環固定，通常稱為硅環。膜片兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統相連的高壓腔，另一個是低壓腔，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散上四個阻值相等的電阻：R1、R2、R3、R4。四個電阻用導線接成平衡電橋。當膜片兩邊存在壓力差而發生形變時，膜片各點產生應力，從而使擴散電阻的阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出響應的電壓，其電壓大小就反映了模片的壓力差值。利用電阻的特征，選擇適當位置布置電阻，使其直接入電橋四臂中，從而構成全等臂差動電橋。這樣既提高了靈敏度又部分消除溫度影響誤差。

3.2軟件設計

軟件是整個系統的重要組成部分，系統的人機對話、數據的輸入輸出，數據處理等功能都通過軟件來實現的。因此開發一個性能優良的應用軟件是實現整個系統正常可靠運行的重要前提。本論文采用VC++編程語言，對系統的智能功能進行設計。

軟件的設計完全按照結構化的程序設計來完成，將整個程序細胞劃分為若干個子程序（模塊），方便調試與檢查，有了各個功能快的軟件實現方法，軟件的總體設計就變的簡單了，軟件設計中一個重要的思想是采用模塊設計，把一個大的任務分解成若干個小任務，分別編制實現這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現這個大任務了。這種思路對于可重復使用的子程序顯得尤為優越，因為不僅程序結構清晰，而節約程序空間。

智能壓力傳感器軟件有如下幾個模塊：

（1）對微處理器MSC1211Y5各種寄存器、A/D轉換器和D/A的校準轉換器進化初始化；

（2）對A/D轉換器的校準包括各通道增益、零點漂移矯正；

（3）現場壓力和溫度數據的采集；

（4）壓力傳感器的溫度補償和非線性補償；

（5）A/D輸出，D/A數據輸出；

（6）與上位機的通訊。

整個系統在優化硬件盆之的基礎上才用小型化一體化設計，所有微處理器，穩壓模塊，通訊接口芯片等都采用低價格，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配，是智能壓力傳器系統具有體積小、成本低的特點。在單片機MSC1211Y5的超強的功能下，該壓力傳感器能有秩序地完成指定工作，實現測量的目的。