（微电子学与固体电子学专业论文）智能型压力变送器的研究.pdf

智能型压力变送器的研究 摘要 r 目前，传统的传感器在各领域的应用中，由于其本身所具有的无法克服的材料 f 特性和电路结构等方面的缺陷，导致其在现在的智能化测控系统中，很难适应该系 统的要求和运行环境。随着微处理器的出现，使得以上这些缺点得以很好地克服。 显然，微处理器与传统的传感器的结合是当今测控系统的一大特点，也是必然的发 展趋垮文通过采用单片微型计算机与传感器系统的结合，探讨和研究了它们 内在的工作原理和组织结构。并在此基础上，主要研究了智能型压力变送器的基本 原理及其各种智能化功能的实现方法，并设计出了智能型压力变送器的初步模拟 样机、电路及软件程序。通过仿真进行了充分的调试应用，效果良好。最后，在该样 机电路上进行了多种实验和实测，以确定本论文设计的硬、软件的可靠性和正确 性。实验证明，本论文所研究设计的智能型压力变送器具有多项智能化功能且简单 方便等特点。 关键词：智能化单片机非线性校正自校准温度补偿数据融合 t h er e s e a r c ha n d s t u d yo f i n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r a b s t r a c t a t p r e s e n t ，t h en o r m a l s e n s o r sa r eu s e di nm a n yf i e i d s b u tt h e ya r en o ts u i t a b l e t ot h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb e c a u s eo ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c s o fm a t e r i a la n dt h e i rc i r c u i ts t r u c t u r et h a ta r en o td o n ea w a yw i t hb yt h e m s e l v e s ，a n d s oo n w i t ht h eb e g i n n i n go ft h em i c r o - c o n t r o l l e r s ，t h i sc a ns o l v et h e s ep r o b l e m s a b o v ew e l l 0 b v i o u s l y t h ec o n n e c t i o no ft h em i c r o - c o n t r o l l e r sa n dt h en o r m a ls e n s 0 r s s y s t e mi s o n eo ft h ev e r yi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h em o d e r nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n dw i l lb ed e v o l o p p e dw e l li nt h ef u t u r e t h ep a p e rr e s e a r c h e s a n ds t u d i e st h et h e o r yo ft h ew o r ka n dt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ec o n n e c t i o nb e t w e e n t h es i n g l e c h i pm i r c o c o m p u t e ra n dt h en o r m a ls e n s o rs y s t e m m e a n w h i l e ，t h ep a p e r m o s t l ye x p l i c a t e st h eb a s i ct h e o r yo ft h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e ra n dt h er e a l i z e dw a y so fi t se v e r yi n t e l l i g e n tf u n c t i o n o nt h eb a s e ，t h ep a p e rd e s i g n st h em o d e l o ft h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e ri t sc i r c u i ta n dt h es o f t w a r ep r o g r a m s t h o s e e f f e c ta r ev e r yg o o db ys i m u l a t i o nt h a ti sr e a l i z e db ya d j u s t m e n ta n da p p l i c a t i o nf u l l y f i n a l l y ，t h ep a p e rd i dm a n ye x p e r i m e n t si no r d e rt od e c i d et h ec o r r e c t i o na n ds t a b i h z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et h a ta r ed e s i g n e d t h e s ee x p e r i m e n t ss t a t et h a t t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e rt h a tt h ep a p e rs t u d y sa n dd e s i g n si so fm a n yi n - t e l l i g e n tf u n c t i o n ss i m p l i c i t ya n df a c i l i t y ，a n ds oo n k e yw o r d s ：t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r ，t h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ， l i n e a r i t y c a l i b r a t i o n ，s e l f c a l i b r a t i o n ，t h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ， s e l f - c o m p e n s a t i o n ，t h ed a t a a m a l g a m a t i o n i 致谢 本文作者在近三年的学习、生活和撰写论文的过程中，自始至终得到了导师高 启安教授的亲切关怀和悉心指导。高启安教授严谨的治学态度和高尚的品德给作 者留下了深刻的印象，并同时为作者在今后的学习、工作和生活中树立了榜样。导 师在作者在合肥工业大学近七年的时间，给作者许多无私的帮助和教诲，使作者真 正体会到师恿难忘和难以回报的涵义，这将使作者终生受益、难以忘怀。导师对学 生的宽广胸怀和无限体谅，都给作者树立了尊师重教的榜样，使作者在合肥工业大 学的本科学习和硕士学习获得了一生中最为宝贵的精神财富。在此，作者向导师高 启安教授致以最诚挚的敬意和深深的谢意。 本文作者在合肥工业大学学习期间，从父母及家人那里获得了最大的支持和 帮助，为此，作者要感谢父母的养育之恩，家人的同胞之情，他们的关心是作者能得 以顺和j 毕业的保证。 同时，本文作者还要向合肥工业大学理学院两位教务员；雷佳屏老师和武敏老 师，表示最衷心的感谢。感谢她们在学习和生活上对我的无微不至的关怀，正是由 于她们两位令人尊敬的老师善解人意和体谅作者所遇到的困难，才使得作者在合 肥工业大学攻读硕士学位期间体会到许多东西，也使学业顺利完成。在此，作者再 次向她们表示感谢。 本文作者非常感谢朱敏同学在我的学习期间对我的关心和帮助。她的支持使 我能够顺利毕业。 最后，本文作者要感谢在我学习期间曾经帮助过我和支持过我的老师和同学 们。在合肥工业大学七年的学习期间，是他们给了我学习的帮助，生活的关心。他 们的心胸和友谊始终让我受益匪浅。他们的宽宏大量给了我做人的榜样，在此，作 者向他们表示感谢! 本文作者再次感谢导师高启安教授对作者的培养之情! 祝母校合肥工业大学更加辉煌! l 图l 一1 图1 2 图2 1 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 插图清单 传感器的组成( 2 ) 非集成式智能传感器框图( 4 ) 智能型压力变送器的硬件框图( 1 1 ) a d 7 7 0 6 芯片的内部总体结构图( 1 6 ) a d 7 7 0 6 引脚图( 1 6 ) a d 7 7 0 6 与8 0 3 1 单片机连接图( 1 8 ) 7 4 l s 3 7 3 结构图( 1 9 ) 2 7 1 2 8 e p r o m 引脚图( 2 0 ) 8 0 3 1 与e p r o m2 7 1 2 8 和r a m6 2 6 4 的连接图( 2 1 ) 6 2 6 4 的引脚及逻辑符号图( 2 1 ) d a c 0 8 3 2 结构图( 2 2 ) d a c 0 8 3 2 与8 0 3 1 单片机的连接图( z 3 ) d a c 0 8 3 2 的模拟电压输出电路( 2 4 ) v i 转换电路( 2 5 ) 监控主程序流程图( 2 9 ) 零位温度漂移特性( 3 0 ) 压力传感器的灵敏度温度漂移( 3 0 ) 分段温度补偿子程序流程图( 3 1 ) 补偿电压u ( 丁，t 1 ) 计算子程序流程图( 3 2 ) 数据融合技术子程序流程图之一( 3 5 ) 数据融合技术子程序流程图之二( 3 6 ) 非线性校正子程序流程图( 3 8 ) 数字滤波子程序流程图。( 3 9 ) a d 7 7 0 6 芯片的初始化子程序流程图( 4 0 ) 表 表 表 表 表格清单 压力传感器实测的原始输出数据( 4 6 ) 压力传感器的零漂值( 4 5 ) 数据融合技术处理后的输出数据( 4 7 ) 多段温度补偿处理后的输出数据( 4 8 ) 引言 近年来，传感器以其本身的特点在控制领域与检测领域发挥着巨大的作用。但 是随着测量要求与控制要求的提高，传统的传感器已经越来越显现出其内在固有 的缺点，即精度不够高，工怍不稳定等。事实上，许多商家与生产厂家都试图通过调 整其本身的硬件结构或者其周围的硬件环境来达到要求，但是，由于硬件电路本身 也具有局限性，使得这一途径最终不能满足生产的要求。随着计算机技术的飞速发 展，要实现上述要求就变得可行起来。通过微机或单片机的控制，可以使得传统意 义下的传感器具有许多良好的性能，如自校正、自诊断、自补偿等。我们称这种技术 结合的产物为智能型传感器( 或智能化的传感器) 。有些场合，为了抗干扰并便于测 控，使传感器信号为标准4 2 0 m a 输出。这种传感器称为变送器，因此，其本质上 并未作较大的改观。所以我们可以把它们统一起来进行研究。 本课题主要对智能型压力传感器( 变送器) 进行了硬件电路设计和软件设计两 方面的研究。在硬件电路上采用了尽可能简化电路的原则，因为电路过于复杂，整 个系统的干扰与噪声会较大，可靠性也会受影响，所以采用元器件越少应该比较合 理。主要的工作都由软件来完成。由于采用单片机控制，必然就应采用汇编语言进 行编程，编程的工作量比较大，所以所花的时间也相应地比较多。显然，智能型压力 变送器的研究重点在于软件方面。本课题主要研究了智能型压力变送器的监控程 序、补偿程序和校正程序及一些计算程序。当然，智能型压力变送器的硬件电路也 是本课题研究重点之一。在进行本课题研究时，我们重点注意到三路信号的输入、 单片机的外部扩展以及v i 转换电路等方面，同时，为了减小噪声的干扰，我们特 别地采用了一种数字地与模拟地分开布线，最后由一点接地的办法来尽可能地减 少干扰。 本课题在研究中主要解决了普通压力传感器受温度影响的问题( 即温度补偿) 和线性化的问题，使得精度得以提高。下面就本论文工作做一详细的讨论。 第一章压力传惑器的原理及其应用 i 1 压力传感器的结构原理 1 i i 压力传感器的定义 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的转换规律转换成可用输出信号的 器件或装置 u 。传感器的一般组成如图1 一i 所示。 雹1 1 传感器的组成 压力传感器是以压力为被测量，进行转化为电信号的传感器，它具有广泛的用 途。 1 1 2 压力传惑器的结构 根据压力传感器的定义及其原理分析，我们可以看到适于做压力传感器的材 料是多种多样的。显然，这种多样性决定了其结构上的差异。不同的材料把压力转 化为电信号的物理定律并不是相同的，可以在研究压力传感器的结构原理时，就要 考虑到这种差异，下面就介绍几种常见的弹性体压力传感器的结构。 ( 1 ) 弹性圆柱敏感元件( 实t l , 和空心) ( 2 ) 悬臂梁 ( 3 ) 圆形膜片和膜盒 1 1 3 压力传感器的种类 对压力传感器进行分类，首先应该遵循一定的分类标准。我们通常按工作原理 来分类，可以分为：电阻应变式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感 器，压电式压力传感器、智能式压力传感器等。当然，我们也可以采用所使用的材料 对压力传感器进行分类：金属压力传感器、半导体压力传感器、金屑一氧化物压力传 感器等，还有其它一些分法。 电阻应变式压力传感器是应用最广泛的传感器之一。它其实就是通过把各种 电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，从而形成测量压力的传感器。它是利用材 料应变效应来测量压力的。导体或半导体材料在受到外界力( 压力或拉力) 作用时， 产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象 称为“应变效应”或压阻效应【“”。因为导体和半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸 一2 一 有关，当导体或半导体在受外力作用时，这些因素都会发生变化，所以引起电阻的 变化。这样，通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。所以电阻应变 式压力传感器有金属应变式和半导应变式之分。 i 2 传统型压力传感器的缺陷及其补偿的的缺陷 1 2 1 传统压力传感器的缺陷 传统压力传感器具有以下几点主要缺陷! “：( 1 ) 因结构尺寸大，而时间( 频率) 响应特性差；( 2 ) 输入一输出特性存在非线性，且随时间而漂移；( 3 ) 参数易受环境条 件( 湿度、静压等) 变化的影响而漂移；( 4 ) 信噪比低，易受噪声干扰；( 5 ) 存在交叉 灵敏度，选择性、分辨率不高。这些明显的不足是产生智能型压力传感器的背景。 1 2 2 传统压力传感器补偿的缺陷 这里所说的补偿是指传统压力传感器外围补偿电路它们的缺陷明显在于它们 增加了传统压力传感器的系统电路的复杂性及庞大性，使得整个电路系统性能不 稳定，可靠性不强。温度补偿电路通常采用桥路补偿和应变片自补偿。桥路补偿法 事实上是采用应变片作为平衡电桥的一个电阻进行工作的，桥路补偿法在温度变 化梯度较大的条件下，很难傲到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，从而影 响补偿效果；应变片自补偿法是指粘贴在补测部位上的一种特殊应变片，当温度变 化时，产生的附加应变为零或相互抵消的方法。这种方法由于要采用特殊的应变 片，使得某一种应变片只能在一种材料上应用，局限性很大。还有的采用热敏电阻 补偿法，这种方法是在传感器输出电路上串联一热敏电阻，使得热敏电阻与应变片 处在相同的温度条件下，这样，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻 的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿 因应变片引起的输出下降，但是这种方法要求精度高、灵敏度高的热敏电阻，而且 由于在电路上增加了热敏电阻电路系统，使得制造上变得更复杂，因此，在实现上 困难较大。通过以上分析，发现温度补偿电路尽管从某种意义上说的确能够改善传 统压力传感器的性能，可它存在的困难及缺点也使得这种补偿方式的局限非常大。 信号调理电路一般有运算放大器式电路、电桥电路、调频电路，消振电路和二极管 t 型网络等。这些电路事实上都不能从本质上改变传统压力传感器的缺点。但是， 它们能够满足一定的精度要求，它们的缺陷有非线性增加、线路复杂、变化范围窄 等。这些都作为传统压力传感器系统的缺陷被体现出来，所以，信号调理电路对微 弱信号进行处理时，也导致了整个系统的不稳定因素增加。 由于一般情况下，传统压力传感器采用电桥电路为测量电路，而电桥电路存在 非线性误差，所以要对其非线性进行补偿，通常采用差动电桥和高内阻的恒流源电 桥来进行补偿。根据分析可知，这两种方法均可以有效降低传统压力传感器的非线 性误差。但是，它们通过电路的方法仍会有一些缺陷，因为硬件电路本身的缺陷是 一5 难以克服的，它们的使用必然会增加传感器系统的误差。 1 3 智能型压力传感器的功能和特点 1 3 1智能型压力传感器的定义 只要对传统的传感器赋予“智能”，我们就可以认为该传感器为智能型传感器。 因此，我们暂且引用以下定义：智能型传感器就是一种带有微处理器兼有检测信息 和信息功能处理的传感器嘲f - 。显然，智能型传感器具有较强的信息功能处理的能 力，主要是通过微处理器的程序来进行的，也就是说，智能型传感器是硬件电路与 软件程序结合的产物。因此，智能型传感器系统是既有获取信息的功能又有信息功 能处理的传感器系统。 由于信息技术的发展有人认为：智能传感器必须具备学习、推理、感知、通讯 以及管理等功能。这应该是离一级的智能化。目前研制的智能型传感器都还不完 全具备以上功能。但是正朝着这个方向发展，在不远的将来应该会出现上述智能型 传感器系统o 。 关于智能型传感器的中、英文称谓，目前也不统一。有人认为智能型传感器应 该是“i n t e l l i g e n ts e n s o r ”，而有些人认为应该是“s m a r ts e n s o r ”，然而还有人认为应 该是“i n t e g r a t e ds m a r ts e n s o r ”。本论文采用“i n t e l h g e n ts e n s o r ”来描述智能型传感 器，因此，智能型压力变送器为“i n t e m g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r ”( i p t ) 。 1 3 2 智能型传感器的类型 智能型传感器是微处理器和传感器的结合，因此，我们可以根据它们的结合方 式即实现途径来划分：非集成化的智能型传感器、集成化的智能型传感器和混合型 的智能型传感器。集成化智能型传感器按具有的智能化程度又有初级形式、中级形 式( 自立形式) 和高级形式之分。显然，若按测量的物理量即输入量划分有智能型压 力传感器、智能型温度传感器、智能型加速度传感器，智能型位移传感器等形式。广 泛地说，任何传统意义下的传感器都可以通过与微处理器的结合而产生智能型传 感器。 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器( 采用非集成化工艺制作的传感 器，仅具有获取信号的功能) 、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一 整体而构成的一个智能传感器系统，其框图如图1 2 所示。 圈1 2 非集成式智能传感器桎田 4 我们可以从图中看出，这种非集成式智能传感器实际上就是在传统的传感器 系统上增加了微处理器的连接，因此，这是一种实现智能传感器系统的最快途径与 方式。它是在现场总线( f i e l db u s ) 控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的口。 若对它配备可进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件它就可以形 成真正意义上的智能传感器，对于本课题，则是采用这种形式实现了压力传感器的 智能化，另一种非集成化的智能化传感器为模糊传感器。 集成化的智能传感器是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利 用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调整电路、微处理器单元，并把它们集成 在一块芯片上而构成的。 混合集成的智能传感器将各系统集成化，以不同的组合方式将各子单元集成 在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里，这种智能传感器同样能够获得智能化。 混合集成实现智能化是一种非常适合当前技术发展的智能化途径。 1 4 智能型压力传感器与传统型压力传感器的区剐 1 4 i 智能型压力传感器的功能 要讨论它们之间的区别，我们只要从组成结构、功能和特点三方面阐述即可。 事实上，智能型压力传感器同样在智能型传感器中具有典型代表性，它的许多功能 也就代表着智能型传感器所具有的功能。我们可以归纳出智能型压力传感器所具 有十大功能： ( 1 ) 具有自校零，自标定、自校正功能； ( 2 ) 具有自动补偿功能； ( 3 ) 能够自动采集数据，并对数据进行预处理； ( 4 ) 能够自动检验、自选量程、自寻故障； ( 5 ) 具有数据存储、记忆与信息处理功能； ( 6 ) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能； ( 7 ) 具有判断、决策处理功能； ( 8 ) 具有多点快速检测功能； ( 9 ) 具有自动修正各类测量误差的功能； ( 1 0 ) 具有抗干扰、数字滤波功能。 上述十大功能是传统型压力传感器所不具备的。而且由于智能型压力传感器 内置微处理器，这就简化了所采用的硬件电路，因为硬件电路所实现的功能大都通 过软件来解决，这样电路简化，干扰降低，本身的缺陷得以克服。传统型压力传感器 只具备简单的检测与处理功能，达不到自动校正、自动补偿等要求，所以，对于要求 高的测控场合，传统型压力传感器无所作为。正如前面所述，智能型传感器是传统 型传感器的必然发展趋势c “”。从十大功能分析可以看出，它们的实现基本上都要 一5 一 通过软件来解决砸i 是，软件执行需要时间，它要比硬件执行时间长，所以我们在设 计其软件程序时要充分考虑到它的优化设计问题以达到高速高效的目的。 1 4 2 智能型压力传感器的特点 谈及智能型压力传感器的持点我们可以参考其功能，并与传统型压力传感器 相比较它的特点是非常明显的，我们可以概括如下： ( 1 ) 精度高。智能型压力传感器有多项功能来保证它的高精度；智能型压力传 感器系统通常都具有自选量程、自校准、自动修正各类误差、自动补偿等功能，这些 功能通过软件来解决，明显比硬件解决要好。 ( 2 ) 商可靠性与高稳定性。智能型压力传感器能自动补偿因工作条件与环境参 数发生变化后引起系统特性的漂移，具有自动切换量程、自诊断、判断和决策处理 等功能。 ( 3 ) 高信噪比和高的分辨力。智能型压力传感器具有数据存储、记忆与信息处 理功能，能够通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，它可以去除输入数据中的 噪声，可以通过数据融合、神经网络技术，消除多参数下交叉灵敏度的影响，这样保 证了在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。 ( 4 ) 强的自适应性。智能型压力传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系 统工作情况决策各部分的供电情况。与高上位计算机的数据传送速率，从而使系 统工作在最优低功耗状态和优化传送数率，而且它具有多种自补偿功能。 ( 5 ) 设计制造容易，使用维修简单。由于智能型压力传感器的大部分功能都是 通过软件程序来实现的，而它的硬件电路相对来讲是比较简单，制造容易。同样，若 智能型压力传感器出现故障，除它本身具有自寻故障，发出警报功能外，对它进行 维修主要是优化软件程序。 ( 6 ) 集中控制。由于智能型压力传感器采用微处理器进行整个系统的控制，所 以这种方式是非常集中的，因为微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力，通 过它的软件程序来使微处理器充分利用，这样可以使智能型压力传感器系统多种 功能协调起作用，从而保证了它的优点充分发挥。 ( 7 ) 灵活性强。以软件为主体的智能型压力传感器不仅在使用方便、功能多样 化等方面呈现很大的灵活性，而且在智能型压力传感器的性能方面，由于其控制软 件或运算软件易于修改，也是易于改变的。 ( 8 ) 高的性能价格比。智能型压力传感器所具有的上述多种功能，并不是像传 统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环境进行精- t , - 设计与调试， 进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得。而是通过与微处理器或计算机相结合，采用 廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。 一6 一 第二章智髓型压力变送器传感器的总体设计思想 上一章我们主要讨论了智能型压力传感器( 下面都以传感器为例) 的一般原理 及其特点和功能我们也筒述了它相对于传统型压力f 专感器的优点。占是传统型压 力传感器的取代产品。具有广泛的商业价值及应用前景应用于石油化工、交通、航 空、航天和轻工等部门。我们对智能型压力传感器的研究具有很现实的意义。但是， 尽管我们知道智能型压力传感器是在传统型压力传感器加上微处理器基础上产生 的，但我们仍然要剖析其内部总体设计指导思想，以有利于进行各个组成都分的设 计和制造及其接口电路设计。这一章我们主要阐述一下智能型压力传感器的总体 设计思想。在第一章我们讲到，本课题是采用非集成式智能型压力传感器进行研究 工作的。 2 1 传统型压力传感器的缺点及其解决途径 2 1 1 传统型压力传感器的缺点 我们在上一章就已经讨论了传统型压力传感器的主要缺点，因此只有通过软 件程序来解决。要使用软件就必须使用微处理器或计算机。微处理器是多种的，一 般采用z 8 0 或i n t e l8 0 3 1 系列单片机。当前，采用哪种微机就必须使用其编程语言 进行软件设计。事实上，与微机硬件电路相匹配的语言一般为汇编语言，只不过各 自的汇编语言具有不同形式，但其本质都是一样的。本课题采用i n t e l8 0 3 1 单片机 进行控制，因为这种机型相对简单，但其实现功能并不少。而且它是目前市场上比 较流行的单片机。尽管有的研发机构已经采用了1 6 位的8 0 9 6 单片机进行控制，但 8 0 3 1 仍不失为主流机型。 智能型压力传感器相对于传统型压力传感器，在组成结构上它具有单片机、 a d 转换电路( 芯片) 、d a 转换电路( 芯片) 及扩展电路等。智能型压力传感器是 在传统型压力传感器的基础上发展起来的。所以它仍含有部分传统型压力传感器 的电路。这些组成结构目的就是要使传统型压力传感器的主要缺点得以克服，使它 能够达到智能化目的。 2 1 2 智能型压力传感器硬件和软件优点 第一章谈到了传统型压力传感器的主要局限性，而智能型压力传感器优良之 处也就是能够通过硬件与软件的结合能够解决上述缺点。首先，要采用软件方法来 解决，就必须使得测量的模拟信号数字化，解决这一问题之后，我们可以根据所采 用的硬件芯片编制各种软件子程序来针对各个问题进行具体化。我们在研究本课 题时编制了自补偿子程序、监控子程序、线性化子程序、各种算法子程序等。这些程 序存储在r o m 中，可以由8 0 3 1 单片机调用。智能型压力传感器在精度和可靠性、 稳定性上得到了很大的提高。这一点是我们目前测控技术和现场总线控制技术所 要求的。 智能型压力传感器在硬件方面主要是简化电路采用几块主要功能的芯片加 上一些简单的外围电路来实现它的大部分功能主要靠软件来实现。通常的压力传 感器在测压力时会受到静压和温度影响，因此选择性就成为智能型压力传感器的 主要功能之一，在软件上通过数据融合技术来消除静压和温度的影响，或多线段逼 近法进行温度补偿 5 ，使精度及稳定性得以提高。 2 2 智能型压力传感器( 变送器) 的总体设计思想 智能型压力传感器有几种形式，对于不同的设计思想和实际条件，我们可以选 取不同的形式。由于本课题的实际开发环境的限制，我们选择了非集成式智能型传 感器系统，见图1 2 。我们知道，不管是硅材料还是金属应变片的压力传感器，它 们在使用时要受到环境温度影响，而且我们是对差压传感器智能化，它同时也要受 到静压的影响，这样我们的主要目的在于把温度、静压的影响消除掉。事实上，想通 过温度补偿电路和零点漂移补偿电路是很难达到要求的。所以我们就采用i n t e l 8 0 3 1 单片机对这三传感器进行控制和运算。首先，要想消除其它因素的影响，我们 必须测出这两因素的影响有多大，所以在前端电路设计时，我们采用差压传感器、 静压传感器和温度传感器测量差压传感器的影响指标。显然，差压传感器的输出u 肯定是三者p 、p 、7 的函数u ( p ，j p ，丁) 。由于我们采用的是非集成式，所以三个 传感器都是独立的测量单元。 显然，传感器测量的外部信号为模拟信号，从抗干扰角度出发，由于硬件电路 要满足简单要求，所以我们选择多通道a d 转换器来采样差压、静压和温度三信 号。a d 7 7 0 6 芯片是a d 公司推出的一款新型三通道a d 芯片，它的指标均能满足 本课题要求。而且它与i n t e l8 0 3 1 单片机的连接电路简单，不需要多余的外围接口 电路，只需要提供a d 7 7 0 6 芯片精确的基准电压。采用m a x i m 公司的m a x 8 7 2 芯片提供的2 5 v 基准电压源 1 0 ，这种芯片外围电路也非常简单，只需连接分压电 阻即可。具体电路及操作我们将在第三章详细论述。 智能型压力传感器主要部件仍然是8 0 3 1 单片机8 0 3 1 单片机具有控制整个 硬件电路工作状态和进行数据处理等功能。在本课题，8 0 3 1 单片机处在主控模式， 也就是它对其它芯片是控制的。首先，它与a d 7 7 0 6 连接时，由于a d 7 7 0 6 为串行 口输出输入，所以它就必须占用单片机的t x d 和r x d 引脚，即p 3 0 和p 3 1 引 脚，而且单片机串行口必须工作在模式0 状态下，即同步移位模式。由t x d c p 3 1 ) 引脚提供它的移位时钟脉冲，这样单片机才可以完全控制a d 7 7 0 6 的工作状态。由 于单片机8 0 3 1 无r o m ，所以它使用时就必须扩展r o m ，同时也要扩展r a m 。这 要根据设计程序的容量来决定扩展多大容量，本课题扩展了1 6 kr o m 和8 k 一8 一 r a m 。由于本题课设计的硬件电路并没有多少芯片，所以我们就没有编译码，而是 直接利用p 2 口的高位口线来直接控制芯片的动作，这有利于节约资源，而且速度 并不会受到影响，在编程上也就简化了许多。 显然，在智能型压力传感器的设计时，它的输出肯定是模拟信号，若是变送器， 则必须为4 2 0 m a 电流输出。由于单片机处理数据后的信息仍然为数字信号。这 样，就必须需要d a 转换，从而可以驱动v t 转换电路。同样，8 0 3 1 单片机也要对 它进行控制和通信，由于d a c 0 8 3 2 为8 位并引数据输入，所以它的连接较为简单， 而且它可以直接挂接到p 0 口总线上，我们采用单缓冲器方式连接，即8 0 3 1 单片机 发出控制信号后，d a c 0 8 3 2 就可以进行d a 转换，从而节约了时间，而且避免单 片机处于等待状态。单片机与d a c 0 8 3 2 芯片的连接也不需要外围接口电路。本课 题在设计时充分运用简化电路的方法，使其能抗干扰。 在设计智能型压力传感器时，可以不考虑它的输出方式是电压或电流，输出都 不是关键，倘若d a c 0 8 3 2 输出的电压值不是很理想，我们稍微调整一下输出电路 方式即可。而本课题的最终任务是智能型压力变送器，所以还要考虑d a c 0 8 3 2 输 出电压与电流4 2 0 m a 的变换，这种电路为v i 变换电路 1 1 ，它实际上是由几块 放大器芯片和电阻组成。若要调整它的输出只需调整电阻值即可。 软件是需要硬件来支持的，我们在编程时注意到硬件电路的设计，当然软件程 序要采用模块化编制，毕竟这个系统软件的编制工作还是比较繁杂的。对于智能型 产品，它肯定要利用单片机对整个系统监控，这种监控程序事实上也是整个系统启 动后的流程。由于智能型具有多种功能，所以在编制时根据它要实现的功能来编制 模块，最后统一由监控总程序调用，在设计过程中，尽量要优化以节省资源和时 间 1 “。设计时，我们遵循8 0 3 1 汇编语言的编程格式，但在有些程序上沿用了以前 非结构模块化设计，因为有些程序是经典的，我们可以直接来调试它即可。在设计 时有些编程技巧使用，取到了非常好的效果，这些将在下面论述。 2 3 智能型压力变送器传感器硬件电路的总体设计 智能型压力变送器仍然要以传统型压力传感器的硬件电路为基础，比如抗干 扰电路、传感器电路等。但是，智能化要求传感器的许多功能( 大多数功能) 都通过 软件程序来完成。这样，就要求它具备一定的硬件支持电路，我们设计时考虑到i n - t e lm c s 一5 1 系列单片机有非常强大的功能，而且它的性价比高，由于8 0 3 1 单片 机具有代表性，所以我们选取它。同时，要注意到i n t e | 8 0 3 1 单片机内部没有 r o m ，且r a m 的容量也小，只有2 5 6 字节。但是8 0 3 1 单片机可以扩展6 4 kr o m 和r a m 。这种优点可以使得我们在硬件连接上选择性较好。若所设计的压力变送 器功能比较强大，而且属于高一级的智能化，显然，扩展的r o m 和r a m 可以选 择3 2 k 或6 4 k 。若所设计的压力变送器功能属于一般型的智能化，则扩展的r o m 一9 一 和r a m 没必要选取很大，这有利于节省口线资源。本课题扩展了1 6 k r o m 和8 k r a m 。当然，对压力变送器的智能化也可以通过其它单片机或微机，这应根据设计 者的熟悉程度和课题需要而进行选择。 在硬件电路的设计过程中，大部分芯片的连接都应该固绕单片机8 0 3 1 展开。 在设计时，我们尽可能采用直接连线的方式，这显然是为了制作板的方便和简化电 路的需要，因为数字信号容易受到外部信号的干扰而产生波动，且出现逻辑混乱。 我们在进行a d 7 7 0 6 与8 0 3 1 连接时，尽量采用节省口线的工作方式，具体连接我 们将在下一章讨论。 a d 7 7 0 6 芯片的选择也是考虑到它的输入为三通道，而且它为1 6 位的转换精 度，本身精度就比较高，且无误码输出。这些优点使得本身从硬件上就已从提高精 度入手。这些思想一直贯穿于整个硬件电路设计和软件设计过程中，而且a d 7 7 0 6 芯片可以直接与单片机8 0 3 1 相连，不需要中间加转换电路，a d 7 7 0 6 芯片内部采 用z aa d 转换技术，这些都是在硬件电路设计时要考虑的因素。 作为硬件电路的总体设计，要考虑到整个电路的供电状态及抗干扰措施。在这 方面，本课题设计时尽可能采用同一电压源供电，但由于v i 转换电路一般要求 的电压稍高。本课题采用的v i 转换电路要求+ i s v 电压，除此之外，其余的电路 都为+ 5 v 电源供电，这就极大限度地制止了电源干扰的影响，而且由于本课题的 硬件电路设计中包含有模拟电路设计和数字电路设计两部分，单片机只对数字信 号进行处理，而传感器的测量输出信号肯定是模拟信号，这样为了防止数字信号与 模拟信号的相互影响，我们一采用了部分隔离技术，在版图设计时尽可能使得模拟 电路与数字电路相融较远，而且线路互不交叉和覆盖。同时，在接地方面，我们采取 数字电路接数字地，而模拟电路接模拟地，这样，最终通过一点把数字地和模拟地 连接起来，这一点我们在下一章会进行详细讨论。它们的硬件框图如图2 1 所示。 在硬件电路设计时，智能型压力变送器最终显示的方式是多样的，可以是数字 化l e d 或液晶显示，也可以通过电流输出显示等。本课题要求4 2 0 m a 的电流输 出，而通过单片机处理后的数据输出时是数字信号，我们还必须把它转化为模拟信 号。这样，在设计电路时要考虑d a 芯片，它的要求本应该与a d 7 7 0 6 芯片一样， 但注意到d a 芯片d a c 0 8 3 2 虽然只有8 位并行输入口，但它可以很方便地与 8 0 3 1 的p 0 口相连接，而且d a c 0 8 3 2 的转换精度相对来说可以满足我们课题精度 的要求。不过，它的输出为模拟电压输出，这样导致我们设计电路时还得再增加一 级v l 转换电路，不过，一般的d a 转换芯片都为模拟电压输入，所以这种v i 转 换电路在变送器中是常用的。事实上，该v i 电路只是通过集成运放和三极管电 路组成即可。同样，d a c 0 8 3 2 也有芯片选择引脚，这可以通过单片机的p 2 口线加 以连接。采用的也是直接译码方式。由此，我们可以看出不管是a d 7 7 0 6 还是 d a c 0 8 3 2 ，它们与8 0 3 1 单片机的连接都是采用节省口线资源的方式，丽且操作工 作简单。这样，决定了软件上的简单明了，毕竟一定的软件程序要求一定的硬件加 以支持它的执行。在这些硬件电路设计出来以后，我们就可以根据它们的布线方式 设计p c b 版图1 “。 十5 v 田2 1 智能型压力变送器的硬件框田 2 4 智能型压力变送器软件程序的总体设计 在硬件电路设计好以后，软件设计则是最重要的一个设计部分，由于智能型压 力变送器的大部分智能化功能都是由软件来完成，这样就使得硬件电路设计的简 化和成本低可以得到实现。然而，8 0 3 1 单片机采用的是与其物理地址联系非常紧 密的汇编语言来进行编程的。我们知道汇编语言相对于高级语言而言，它的速度是 比较快的，而且它的指令代码也非常简单 “ ，但前提是编程人员要对8 0 3 1 单片机 内部硬件电路非常熟悉。这对编程人员的要求是比较高的。 在进行软件编程时，我们仍然要采用结构化模块方式编程，从而可以把一些非 常大的程序逐步分解为几个小程序，这对于编程人员是非常重要的。对于本课题而 言，由于它最终要设计成样机形式。因此，我们就得对整机进行监控，这个监控程序 中应包括各种芯片的初始化程序、自诊断程序及许多中断子程序等。事实上，在对 一】1 一 智能型压力变送器上电后。它应在单片机的控制下自动转入监控程序的执行。我们 在编制时把监控程序怍为本机的主程序来进行工作。任何故障都会从监控程序的 执行中得到响应，而且任何故障给予的响应方式和代码不同，因此这很方便地可以 查找到该故障部位。显然这只对硬件电路的故障有效。对于软件程序的执行故障， 我们目前只能通过软件程序的调试安装及仿真来判别它是否正常运行。因为单片 机毕竟不是教机或上位机它所能容纳的程序能力也是有限的。当然，我们可以采 用各种技术进行优化，这样就可以最大限度地制止软件程序的出错运行。对于智能 型压力变送器，监控程序在本质上就是整个仪器仪表的执行主程序。这样，各种子 程序模块都挂接在该主程序上。编制它时，我们尽可能充分利用8 0 3 1 单片机的软 件资源及内部存寄器资源，这样可以提高其运行速度。虽然对于这种要求精度高的 智能型压力变送器一般首先考虑其精度，而其速度是次要的，由于在硬件电路设计 时。我们已经采用精度很高的a d 7 7 0 6 芯片，所以从这里考虑速度是一种切实可行 的充分考虑两者的方法。这解决了a d 转换速度和精度不能同时满足的问题，这 主要是采用了 a i d 转换技术。 智能型压力变送器一种重要功能就是对采集的三种信号( 差压、静压和温度) 进行处理，这一点我们采用的是数据融合技术，这种技术要求三者具有相互影响， 倘若三者有些因素是不影响的，那么它的补偿效果可能要差点。在本课题设计过程 中，我们先后采用过两种方式对差压进行补偿，发现对于温度不受差压和静压影响 时，采用温度自补偿可以很好地解决这一温度漂移的影响，而采用数据融合技术， 则发现效果不是很好，特别是温度漂移影响，其中的原因我们将在后面进行讨论。 由于智能型压力变送器要对许多数据进行处理，显然，仍然要通过8 0 3 1 单片 机汇编程序来对其进行算法的编译，我们知道，用汇编语言编制计算程序比高级语 言编制要繁琐得多。但目前有一种c 语言与汇编语言交叉汇编技术 5 ，它既保留了 8 0 3 1 汇编语言的执行指令少且速度快，又保留了高级语言如c 语言编程指令明了 且容易编写的特点。虽然上述交叉汇编语言能够很好地限制了机器汇编语言的缺 点，但对于本课题，因为有许多数据处理程序子模块是经典的，即很多单片机书上 都有介绍，我们只要稍加调试运行即可。然而本课题数据处理程序编制的重点就 在于这些程序的大模块编制，我们因此仍然统一采用8 0 3 1 单片机汇编语言，以使 得智能型压力变送器具有统一的汇编源程序代码，而不会产生混乱。 智能型压力变送器的设计中应包括低功耗设计。在硬件上，我们尽量采用 c m o s 电路的芯片 1 “” ，因为c m o s 电路芯片是属于低功耗的，而在软件上，也应 具有低功耗设计，对于8 0 3 1 单片机，若向其电源控制寄存器p c o n 送入立即数 0 1 h 时，单片机则进入闲置方式，此时c