来宝网Logo

热门词:生物显微镜 水质分析仪 微波消解 荧光定量PCR 电化学工作站 生物安全柜

现在位置首页>技术资料首页>行业动态>公司动态>基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系统

基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系统

北京中科三研科技有限责任公司2013年8月26日 16:04 点击:1805

一、引言

 

在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中,都必须进行相关的压力检测与分析。通常压力值的变化速度较缓慢,但在测量压力值并把它由非电量转变成电量这一过程中,要求精度非常高,本文介绍了一种通用的高精度压力数据采集系统。系统的压力传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器MPX2100,转换精度高、灵敏度高,具有极好的线性度,在高性能单片机AT89S52的控制下,放大调理后的模拟电量通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换,可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力,使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口,实现了良好的人机交换。PLD技术的应用,节省了硬件电路的开销。

 

二、系统的硬件组成及工作原理

 

高精度压力数据采集系统框图如图1所示。压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换模块转换为数字量,传送给单片机,经过标定、运算及零点补偿等处理,在液晶显示模块上显示出来,同时可经串行接口传送到上位机,实现良好的人机交换,键盘提供人机交互的手段。

 

1、压力数据采集及信号调理电路

 

压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件,可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多,其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种,它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条,并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时,电桥处于平衡状态,电桥输出为零。当有外加压力时,电桥失去平衡而产生输出电压,该电压大小与压力有关,通过检测电压,即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差,零点偏移较大,不易调整。

 

Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图2所示,与惠斯登电桥不同,Motorola专利技术采用单个X型电阻元件,而不是电桥结构,其压敏电阻元件呈X型,因而称为X型压力传感器。该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上,并采用计算机控制的激光修正技术,温度补偿技术,使Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高,其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压,具有极好的线性度,且灵敏度高,长期重复性好。此系列中的MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器,本系统采用MPX2100DP作为压力传感器,可以很好地满足系统的要求,它具有如下特点:

 

①由于采用激光微调技术,使电桥零漂输出很小,一般小于±1mV;
②传感器灵敏度较高,为40mV±1.5mV;
③传感器由热敏电阻组成温度补偿网络,在-40℃~ +125℃范围内有较好的温度补偿效果,从而提高了传感器的精度;
④具有极好的线性度(±0.25%F.S);
⑤有较宽的工作温度范围(-40℃~ +125℃);
⑥允许过载大(400%)。

 

(2)信号调理电路
电路图如图3所示(图中只以一路传感器输出信号为例,未画出多路开关CD4051)。
信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号,通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后,再送入放大电路,进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V,它的满量程输出x由下式确定: x =40mV×8V/10V =32mV (1)
对于电压输出逻辑电平定为5V,显然32mV的电压要进行适当的放大。
放大器采用MC33274四运算放大器,它组成一个仪表放大电路,具有高差模增益和高共模抑制比,输入阻抗高,可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成,U1B为电压跟随器,用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时,传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V(传感器电源电压的一半),则U1A的端电压也是4V,该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW,放大器的增益为:
(2)

选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032 = 4V(为电源电压的一半)。

 

 

2、单片机及其外围电路部分
单片机外围电路如图4所示。
(1)AT89S52介绍
单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52,该芯片具有低功耗、高性能的特点,是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点:
①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术;
②其片内具有256字节RAM,8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器;
③有2种低功耗节电工作方式:空闲模式和掉电模式;
④片内含有一个看门狗定时器(WDT),WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST),只要对WDTRST按顺序先写入01EH,后写入0E1H,WDT便启动,当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时,WDT即可有效地使系统复位,提高了系统的抗干扰性能。

 

(2)外围电路部分
接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0(A8)、P2.1(A9)、P2.2(A10)译码后生成,主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155(Y0)、键盘接口片选信号CS_KEY(Y1)及液晶模块片选信号CS_LCD(Y2)等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S,该模块能显示20×2的5×7点阵字符,功能强,与8位MCU接口方便;键盘接口设计为通用PC机接口(PS/2),是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点,而且维护方便,限于篇幅本文未介绍。A13、A14、A15组成多路模拟开关4051的编码地址线,Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号,它将被送往信号调理模块进行放大调理。在恶劣的工业工作环境中,串行通信接口芯片很有可能受到静电的冲击而损坏,特别是在传输线架设于户外的使用场合,接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。本文选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击,最大传输距离约1219m,最大传输速率为10Mb/s;可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。

 

3、双积分模/数转换接口电路
(1)芯片ICL7135介绍
ICL7135是美国MAXIN公司生产的一个双积分式A/D转换集成电路,该芯片抗干扰能力强、分辩率高、价格低廉。它的分辩率相当于14位二进制数,转换误差为±1LSB,转换输出为0~19999;当测量量程为0kN~2000kN时,这样的精度使得仪表的分辩率达到0.1kN;模拟输入可以保证0点在常温下的长期稳定性。由于7135输出的转换结果是动态扫描BCD码,因此常规设计一般通过并行接口与单片机连接,以节省单片机的硬件开销,同时8155中的定时器还可以满足7135对时钟的需要。
(2)A/D转换电路及其原理
电路原理图如图5所示。

 

7135与8155的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来实现的。其选通信号由7135的D5输出控制。当A/D转换结束时,D5输出高电平,74LS157选通B类通道,单片机通过PA0~PA3读入万位数B1、状态位POL(极性)、OVR(过量程)和UR(欠量程);当D5输出完成时,变为低电平(这一过程包括D4~D1数据输出周期在内),74LS157选通A类通道,单片机通过PA0~PA3将依次读入8421码值B8,B4,B2及B1,即低位BCD码,依次形成万、千、百、十、个各位BCD码(即转换结果)。8155A口中断请求线PC0反相后形成单片机的外中断0触发信号。当7135完成1次转换后,产生5个数据选通脉冲,分别将各位BCD码和位标志送入A口;A口收到一个数据后,中断线PC0变为高电平,启动单片机的中断服务程序,读取A/D转换的数据结果。7135的转换启动由P14控制,高电平转换开始,低电平保持。
经调理后的0V~2V的模拟信号通过RC低通滤波后,从IN+,IN-输入。A/D转换后的结果包括2部分:极性和量程,反映转换性质的结果。转换后的数字信号为D1,D2,D3,D41及D5,其中D5(万位)只能是1或0,其他几位为0~9的BCD码。而7135所需的参考电压为量程的确良1/2,如果量程为2V,则参考电压为1V。为了保证转换的温度稳定性和精度,采用高精度基准电源MC1403,通过金属膜多圈进口电位器调节得到。参考电压上并联的CBB电容C46(0.1mF) ,C47(1mF)主要是保证参考电压的稳定性。

 

积分电容是决定转换精度的关键器件。按照7135应用特性,积分电容C8和积分电阻R3与量程等有关,选用时必须满足以下要求:

 

R3=满度电压/20mA (3)
C8=1000×20mA×T/积分器输出摆幅 (4)
式中,T=1/fcl k。
fclk—7135的时钟频率,一般可选择250kHz,166kHz、125kHz、及100kHz、典型值为125kHz,此时7135的转换速率为3次/s。
在±5V系统中,如模拟地为0V,则摆幅为±4V,此时量程为 ?C2V~ +2V,则:R3=100kW,C8=0.47mF。
(3)PLD技术的应用
为节省了硬件电路的开销,减少硬件电路产生的电磁干扰,系统的部分电路应用了PLD技术,其可编程逻辑电路(见图5)由可编程逻辑陈列芯片GAL16V8组成,主要完成A/D转换模块所需的时钟信号和转换结束选通信号 产生单片机外中断0中断信号的逻辑转换,其逻辑方程如下:
P16= + (与非门) (5)
P14=P7+P8  (或门) (6)
P13= (非门) (7)
式中,P2 、P3、 P7分别为单片机的 、 、ALE信号;
P8—与非门输出; P9—8155的A口中断信号;P13—生成的单片机外中断触发信号。
按照上述逻辑关系生成的PLD文件经FM软件编译后,产生熔丝文件*.LED,然后通过编程器写入GAL16V8即可。


三、系统软件设计

 

系统软件设计采用模块化结构,采用汇编语言编程,整个程序由主程序、显示、键盘扫描、A/D转换处理等子程序模块组成。限于篇幅在此只列出了A/D转换处理子程序流程图,如图6所示。

 

四、非线性误差的修正

 

传感器、放大器、A/D转换器总是存在非线性误差,由于上述非线性关系的存在,带来了精度的降低,为了保证在整个范围内满足精度的要求,所以在实际应用中应根据控制要求对测量值进行误差修正,修正一般通过软件较准实现。其具体的修正方法应根据信号的工作区段和质量要求来确定。利用单片机的运算和控制能力对非线性关系找出修正算法,并在反复测试调整后使其达到设计要求。本系统采用分段线性插值法对测量值的曲线进行了误差修正处理。方法为:将0~XMAX分为若干工作区段,每段曲线用一段对应的折线来代替,对每段折线可求出VQ:

 

N t : VQ = ai×N t+bi (8)
式中,I—某段折线的序号;ai—该段折线的斜率;bi—该段折线的截距。
它们的修正程序流程图如图7所示,处理关系示意曲线如图8所示。
预先将每段的之值存于单片机中,在不同的工作区段,单片机自动地将对应的每段的上述值调出进行运算处理。(限于篇幅,定量的分析没有讨论)

 

五、结束语

 

本文描述的是一种通用的高精度压力数据采集系统,它有许多优点,可在各种恶劣的环境中正常地工作,而且抗干扰能力强、使用寿命长、分辨率高。采用液晶显示及PS/2键盘接口,实现了良好的人机交换。可广泛地应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域的压力数据采集、检测与分析。

 


参考文献:

 

[1] 余永权. FLASH单片机原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,1997.
[2] 沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[3] 丁镇生. 传感及其遥控遥测技术应用[M] . 北京:电子工业出版社,2004.
[4] 王幸之,钟爱琴,王雷,王闪. AT89系列单片机原理与接口技术 [M] . 北京:北京航空航天大学出版社,2004.

 

Design Of High Accuracy Data Collecting System Based On MPX2100 Type Pressure Sensor

 

Abstract: In this article, a general system of high accuracy pressure-data collecting which can be further developed and applied is introduced. The function and characteristics of the main component ICL7135 are explained, the frame diagram of the system, circuits of important parts and the progress diagram of the A/D convert program are also given.

 

Keywords: high accuracy; pressure sensors; data collection; A/D convert; LCD display; MCU

(来源: 北京中科三研科技有限责任公司


全年征稿 / 资讯合作

联系邮箱:kefu@labbase.net

版权与免责声明

  • 凡本网注明“来源:来宝网”的所有作品,版权均属于来宝网,转载请必须注明来宝网, http://www.labbase.net,违反者本网将追究相关法律责任。
  • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
  • 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。