压力数据采集系统

压力采集系统一硬件设计11系统结构原理基于单片机的压力数据采集系统组成框图如1所示。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，其输出的模拟信号通过信号调理电路放大调理。调理后的模拟电量在AT89S52单片机的控制下，通过ADC0809进行AD转换，可以保证系统具有高数据采集精度和很强的抗干扰能力，转换后的数字量传送给单片机进行运算及软件补偿等处理。最后将数据显示出来，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。12压力采集及信号变换MOTOROLA公司的X型硅压力传感器与扩散硅压阻式压力传感器的惠斯登电桥不同，其专利技术采用单个压敏元件呈X型的电阻元件，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，使其精度很高，并具有极好的线性度和灵敏度。压力信号经高精度压力传感器MPX2100变为电信号，由于电信号比较微弱，为防止传输过程的衰减影响系统精度，系统采用电流传输。采集信号经过图2电路调理后，变换成420MA的标准电流信号，通过MC33274四运算放大器选择之后，输出到AD模块ADC0809进行模数转换。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12500324V（为电源电压的一半）。2非线性误差的补偿软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用单片机丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器的附加误差进行修正。常用的软件补偿算法有曲线拟合法和表格法。对于曲线拟合方法，常用的有最小二乘法和切比雪夫法。最小二乘拟合法又可分为最佳拟合直线法和多项式拟合曲线法。拟合的方法不同，拟合误差就不同。一般来说，对于理论上输入输出为线性关系的传感器，当拟合的次数较低时，采用最小二乘法的精度较高。考虑到一般测试仪器的实际测试精度要求以及计算机的数据运算能力、存储能力，我们采用低阶的最小二乘法曲线拟合，对误差加以修正。21最佳拟合直线补偿原理X1假设拟合直线的方程为YKXB，设被测物理量为，X2，XN，相应的测量结果为Y1，Y2，YN，则第I个测量数据与拟合直线上相应值之间的残差为IYIKXIB，最小二乘法拟合的原则是使为最小，即使从而求得根据校准曲线上N个测量值，将式1和2编制计算程序，很快可得最小二乘方拟合直线的截距和斜率。二软件实现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。三结果仿真本文用MATLAB对实验室的扩散型压力传感器的测量数据做了仿真，如图4所示。实验数据见下表。为了提高补偿精度，最小二乘法拟合时将压力数据范围0006MPA平均分为3段，分段用最小二乘法的最佳拟合直线拟合。仿真结果说明这种补偿方法可以更好的修正采集系统的误差，有利与提高整个系统的精度。四结束语本设计是一种通用的高精度压力数据采集系统，硬件采用MOTOROLA公司专利技术的X型硅压力传感器采集数据，经过420MA电流电路调理，保证了硬件采集和传输过程的精度；软件采用低阶的最小二乘之最佳拟合直线方法拟合，对误差加以修正，从而实现压力数据的准确采集。为提高软件补偿精度，采用量程范围内分段补偿措施，仿真结果表明此方法精度更高。本设计主要解决了半导体压力传