基于STM32 的高精度流體壓力變送器設計

周世年，龔元明

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

在工業控制系統中，壓力監測必不可少［1-2］。目前市場上采用的壓力變送系統測量精度低，響應速度慢，無法在高濕度等惡劣環境下連續測量小信號壓力波動。為提高壓力變送系統測量精度和響應速度，王金晨等［3］基于MSP430 單片機研究并實現了高精度微功耗數字壓力表，采用干電池供電可連續工作3 000h；仝新建等［4］針對4～20mA 工業電流環的測溫精度不足問題設計一種電阻溫度探測器數字電流環變送器，通過在特定溫度區域的溫度補償實現測溫的溫差小于0.1℃；湛月等［5］針對特種氣體制備過程低溫監控需求，研究低溫鉑電阻的測量問題，使用高精度ADS1120 轉換器設計基于鉑電阻的二線制低溫變送器，實現穩定的低溫4.2～370K 的測量，系統測量絕對誤差小于0.1%；唐德紅等［6］為提高傳統壓力變送系統測量精度和響應速度，針對高溫熔體設計一種高精度熔體壓力變送系統，該系統檢測精度高，測量誤差小于2%。

本文針對現有壓力變送系統測量精度低、響應速度慢，而水務管網流體壓力監測信號小、數據波動不明顯、現場監測設備供電困難等問題，基于STM32 微控制器設計一種適用于小信號流體監測的智能壓力變送系統。該系統采用鋰電池供電，高精度電阻式應變壓力傳感器和高精度A/D 轉換器，通過軟件平均濾波方法實現對流體壓力的精準監測。

1 壓力變送器總體設計

流體壓力變送器由采集壓力波動的壓力傳感器、信號處理的A/D 轉換器、接收轉換數據并處理的STM32 電路和顯示數字壓力值的OLED 顯示屏4 個部分組成［7-8］。

系統獨特性體現在以下3 個方面：①將壓力傳感器輸出信號與STM32 的快速處理能力相結合；②通過外接高精度A/D 轉換芯片完成對壓力傳感器輸出模擬電壓信號的模數轉換；③通過軟件平均濾波方法對系統輸出電壓進行補償，進一步提高系統的檢測精度。

壓力變送器整體結構如圖1 所示。

Fig.1 Overall structure of pressure transmitter圖1 壓力變送器整體結構

系統工作過程：①壓力傳感器通過四線橋式電路設計測出水流壓力的波動變化；②通過與壓力傳感器相連的A/D 轉換器經橋式電路輸入電壓模擬信號，經信號處理后，通過SPI 總線傳給STM32；③STM32 根據計算公式處理A/D轉換器的電壓值，并通過OLED 屏實時顯示出來。

2 壓力變送器硬件設計

系統硬件主要由金屬電阻應變式壓力傳感器、信號處理電路、顯示電路以及電源電路組成。電源模塊為各模塊提供穩定電源，壓力傳感器先進行數據采集，經A/D 轉換電路的信號處理后送入STM32 再次進行濾波處理，最后通過OLED 輸出顯示數字電壓值。

系統硬件框架如圖2 所示。

Fig.2 System hardware framework圖2 系統硬件框架

2.1 電源供電

考慮到監測水流壓力波動時電線供電不方便，所以本文采用3.6V 鋰電池給整個系統供電。電池給STM32 和A/D 轉換器供電，A/D 轉換器的激勵電流給壓力傳感器恒流供電。

2.2 壓力傳感器選型

根據流體在供水管道中壓力波動較小的特點，選用在高濕度環境下能適應小信號的金屬電阻應變式壓力傳感器［9-10］。該傳感器具有結構簡單、操作方便、采樣精度高、受溫度影響小等優點，適合高濕度環境下的信號測量［11-12］。本文選用MPM281VC 型壓力敏感元件，其為恒壓供電、標準輸出，且全部為不銹鋼材質，適合多種流體介質。

2.3 A/D 轉換電路

由于供水流量變化較固定且供水管道壓力波動信號較小，所以本文選用一款適合小信號測量的ADS1120 芯片用于供水管道流體壓力監測，其精密程度達到16 位，最高采樣頻率達到512 kHz，多路復用器可實現任意組合通道的數據采集。

為配合壓力傳感器的四線橋式接口，要設計與之對應的電阻橋式測量電路［13-14］。本文將AIN0 通道作為恒流電壓輸入端口，AIN2 通道和AIN3 通道分別作為負信號端口和正信號端口，從AIN1 通道處飛線引出，測試ADS1120是否正常工作。STM32 通過SPI 總線接口與ADS1120 進行數據交互。在SPI 通信端口中，ADS1120 的CS 是器件片選端口，DRDY 是數據轉換狀態的標志端口。硬件電路如圖3 所示。

Fig.3 A/D conversion circuit圖3 A/D 轉換電路

3 壓力變送器軟件設計

基于硬件進行壓力變送器相應的軟件設計。首先STM32CUBEMX 對系統時鐘和引腳配置進行初始化，然后開啟ADS1120 的SPI 通信，由STM32 發送控制命令獲取ADS1120 芯片傳回的二進制壓力數值，最后STM32 處理完數據之后，通過調用OLED 顯示函數完成壓力數值的實時監測。具體流程如下：①初始化SPI 通信；②選中ADS1120芯片，通過寫命令配置4 個寄存器；③通過開始轉換命令，使16 位A/D 轉換器開始轉換；④將得到的二進制壓力數值通過SPI 通信傳給STM32 微控制器；⑤最后微控制器根據ADS1120 對應的轉換公式計算出數字壓力值；⑥調用OLED 顯示函數實時顯示壓力值。

3.1 初始化SPI 通信

首先對ADS1120 的SPI 通信進行初始化。SPI 通信配置為：STM32 主模式（ADS1120 從模式）、全雙工通信、8 位字節傳輸，時鐘極性和時鐘相位，軟件控制，MSB（Most Sig?nificant Bit）二進制數據的最高位發送等。

部分程序如下：

3.2 寄存器配置

首先下拉CS 引腳選中芯片，然后通過給芯片發送WREG 命令，依次配置4 個寄存器。注意在配置每個寄存器之前都要先給芯片發一個WREG 命令（同時WREG 命令需要考慮到每個寄存器的偏移）。

部分程序如下：

3.3 A/D 轉換器工作

首先STM32 發送START 命令，使模式轉換器開始工作；然后STM32 發送RDATA 命令與兩個0XFF 字節，使模式轉換器回傳兩個數據字節給STM32。

因為SPI 通信使用MSB（二進制數據的最高位），所以STM32 接收到的第一個數據字節是高字節，接收到的第二個數據字節是低字節。

部分程序如下：

3.4 公式計算

STM32 將收到的二進制壓力數值轉換成數字電壓值。橋式電路的LSB size 對應的轉換公式如下：

式（1）選用的基準電壓Vref 為3.6V，增益倍數Gain 為1。代碼如下：

3.5 OLED 顯示

調用OELD 顯示函數顯示數字電壓值，代碼如下：

4 實驗數據分析

為驗證壓力轉換系統的精度和穩定性［15-16］，本文分別對A/D 轉換電路和壓力轉換系統精度進行測試。

4.1 A/D 轉換電路精度測試

測試AIN1 通道在不同增益倍數及是否開啟數字濾波器情況下的數據，測試結果及誤差如表1 所示。

測試流程如下：①從ADS1120 的AIN1 通道接入電壓；②OLED 顯示電壓數值；③比較分析接入電壓和輸出電壓的數值，得出誤差。

Table 1 Test results and errors表1 測試結果及誤差

由實驗所得結果可以看出：①A/D 轉換電路的單通道測量精度很高；②隨著增益倍數的增加，誤差越來越小，原因可能是軟件代碼的精度配置不夠準確；③數字濾波器開啟使得誤差減少。數據表明實驗室環境中存在噪聲，且數字濾波器對噪音起到了一定的濾波作用。

總體來說，測試結果誤差都小于0.1%，A/D 轉換電路設計滿足了小信號壓力值的測試精度要求。

4.2 壓力變送系統精度測試

供水管道壓力的正常范圍一般為0～2.5MPa，在該區間段每增加0.5MPa 記錄一次數據，測試結果及誤差如表2所示。

Table 2 Test results and errors表2 測試結果及誤差

由實驗結果可知：①物理量與模擬輸出量成比例關系，說明壓力傳感器在0～2.5MPa 的范圍內正常工作，適合流體的小信號測量；②模擬輸出量與數字電壓量相差3%以下，說明壓力變送系統［17-18］測量精度尚可，壓力變送系統設計符合預期。

5 結語

本文針對市面上出現的傳統壓力變送系統存在測量精度低、響應速度慢，而水務管網流體壓力監測［19-20］信號量小、數據波動不明顯、現場監測設備供電困難等問題，設計了一種基于STM32 的高精度流體壓力變送系統。該壓力變送系統根據現場水務管道供電困難問題，采用鋰電池供電和A/D 轉換器激勵電流供電，硬件電路設計均使用低功耗芯片，大大延長了電池使用壽命。實際測試表明：壓力傳感器測得的數據經過A/D 轉換和STM32 處理，能夠實時準確監測供水管道壓力，系統響應速度快、穩定性高，達到了預期的設計目標。