智能压力传感的研究与设计
测试测量技术
智能压力传感的研究与设计
Research and Design of Smart Sensor for Pressure M easurement
王泉（潍坊职业学院，山东潍坊261030）
Wang Quan（Wei fang Vocational College，Shandong Weifang261061）
摘要：文中对智能压力传感器系统理论及其在压力测量方面的应用进行了深入研究，提出一种新型智能压
力传感器系统，并对其智能化功能、硬件配置和智能化软件进行了全面的设计。本研究设计的智能压力传感
器系统具有体积小、成本低、可靠性好、响应速度快、智能化程度高等特点，通过仿真对软、硬件进行了充分的
调试，效果良好，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。
关键词：智能传感器；压力；微处理器
中图分类号：TN247文献标识码：A文章编号：1003-0107（2009）02-0023-03
Abstract:After the theory of smart sensors for pressure measurement has been deeply studied,a new kind of a smart sensor for measuring pres-
sure is developed in this paper to improve this situation,and its overall design of intelligent functions and hardware and software are also de-
scribed in detail.The smart sensor for measuring pressure designed in this paper has the advantages of small size,low cost,higher performance
and response speed,and higher level of intelligence.After debugging the software and hardware of the smart sensor through emulation,the result
shows that its performance is perfect.So we expect that the smart sensor can have broad future applications in many measuring and controlling
systems for pressure.
Key words:smart sensor；pressure；microprocessor
CLC number:TN247Document code:A Artecle ID:1003-0107（2009）02-0023-03
1引言
传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。例如在日本传感器技术被列为六大核心技术（传感器、通信、激光、半导体、超导和计算机）之一，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一。我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就。目前，在"科学技术就是第一生产力"的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世界先进水平[1][2]。但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实
践远未成熟，离实际应用需求差距很大，
尤其是用于压力测量的高性能、小体积、
低成本智能压力传感器系统更是有待于
进一步开发。因此，研究开发高性能的智
能压力传感器系统对于促进信息技术及
自动化技术的发展、提高设备的性能及自
动化水平具有不可低估的意义。
2系统结构
本文设计的智能压力传感器提供了一种精确测量压力的系统方法，它将三种技术融为一体：硅压阻传感元件、微型计算机和数字信号处理[3][4]。它可为温度效应和非线性度提供补偿，并且每台传感器同时具有数字输出和模拟输出。根据设计要求，智能压力传感器系统采用低价格、小体积、具有高性能价格比的8位微处理器（单片机）M SC1211Y5控制，用以实现传感器信息的处理、数字通讯和智能化管理。利用计算机现成的RS-232标准串行口实现与系统的通信，通信速率可达到57.6kbps，能够满足大多数工业控制系统的要求，稍加改进，即可实现远程控制和网络控制，总体结构分为计算机和智能压力传感器两部分。
其中智能压力传感器的硬件电路分为4大部分：电源模块、传感器模块、M CU模块和数据输出模块。电源模块的功能是为集成芯片提供5V的工作电压，传感器模块用来将被测物理量转换为相应的电压信号，数据输出模块实现数据通信，M CU模块是整个传感器的核心。本智能压力传感器的系统框图可由图1表示
。
图1智能压力传感器系统框图
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3压阻式硅压力传感元件
传感元件位于传感器系统之首，被测压力量须由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本课题对传感元件的要求是体积小、成本低、准确度高、可靠性好。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，它利用液柱高度差或弹性元件的形变来指示压力，其主要的问题是：尺寸大，份量重和不能提供电学量输出等。随着半导体技术的发展，压力传感器呈现出半导体化的趋势。半导体压力传感器的发展过程中，早期曾出现过压敏晶体管器件(三极管或二极管)，其封装较为困难，而且容易失效。压阻器件是目前应用最广泛的半导体压敏传感器，并且由于综合运用M EM S 工艺与集成电路工艺，半导体压阻传感器小型化、集成化提供了可能条件，现阶段对压阻材料传感器的研究十分活跃。目前主要的压阻材料是硅材料，应用最为广泛的是桥式压力传感器，桥式压阻传感器在相当的时间里都被作为压阻传感器的标准电路形式，与之相适应的各种调节电路也日趋成熟。本系统采用利德电子有限公司的87型（超稳定）压力传感元件，这种压阻式硅压力传感器具有体积小、结构简单轻巧、性能可靠及低功耗等特点，智能压力传感器系统采用它作为压力传感元件，有利于降低成本，简化系统结构。
此传感器为一种微型压阻式硅压力传感器，它专为OEM 应用而设计，与腐蚀性介质兼容。传感芯片安装在TO 型的敏感头上，在封装上焊着一层316不锈钢盘旋膜片，在膜片和传感器元件之间密封了适量的硅油，
ISO 压力外壳利用硅油压力从316不锈钢膜片上传递到压阻元件上，其结构如图2所示。
图287型（超稳定）压力传感元件结构
其中2脚是供电电流的正输入端，
3脚为负输入端，5、6脚是增益调节端，
1、4脚分别为输出端的负极和正极。电压信号经微处理器处理后，传送到远方的PC 机，以便达到实时监控的目的。以微处理器为主体构成的分布式数据采集和控制系统，因为其电路结构简单，工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的微处理器产品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通过RS-485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台微处理器系统连接
成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服微处理器的不足，引入了主机，采用主从式结构模式，即PC 机为主机，分布在现场的各个微处理器系统为从机，其结构如图3所示。
图3主从结构框图
主机串行口采用标准的RS-232口，根据标准的规定：RS-232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20米以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，RS-232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测低达200mV 的电压，故传输信号在千米以外得到恢复。在该设计中，使用TI 公司的RS-485接口芯片75LBC184，它使用单一电源，电压在3.5-5V 范围内都能正常工作，能完成TTL 与RS-485之间的转换。该芯片与普通的RS-485收发器的性能相比，有一个显著的特点，那就是片内有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为400W(典型值)的过压瞬变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。
该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证在接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的2倍(≥24k Ω)，故可以在总线上连接64个收发器。
4传感器的标定实验
传感器系统的标定是准确测量的基础，传感器的标定有静态定标和动态定标两种。动态标定适用于需测量动态瞬变或交变的压力、流量、位移等场合，其目的是测定传感器的动态特性，如频率响应或者脉冲响应特性，从而确定它可应用的频率范围及动态误差的大小。静态标定是在标定系统处于静
平衡的条件下进行的，目的是测定传感器的输入量与输出量之间的线性或非线性关系。
4.1实验过程
调试完线路板、测试程序和主程序后，将测试程序写入微处理器M SC1211Y5中，然后进行传感器的标定。标定实验的过程分为下面几步：
(1)插好带测试程序的CPU ，装好整机。(2)整机走温度场，记录各个温度点的压力试值和温度测试值、
标
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通用测试eneral Test
G
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定环境温度下的电压值。
(3)进行加压时，测量加压8小时后卸载，再进行压力测量和电压的测量。
(4)将所有测试值写入程序。
4.2实验数据
表1传感器标定试验数据
5结论
整个系统在优化硬件配置的基础上采用小型化一体化设计，所有电路芯片如微处理器、稳压模块、通信接口芯片等都采用低价格、小体积、高集成度的器件，从而使电路板尺寸很
小，并与压阻式压力传感元件一体化装配，使智能压力传感器系统具有体积小、
成本低的特点。一个完善的智能压力检测系统，不但需要可靠的软硬件设计，而且应使用户在可视化操作平台下工作。本系统把电路模块与传感元件组装在同一壳体里构成智能化压力传感器，通过仿真试验证明各项指标基本能够得到满足。但是，
我们的研究还处于初级阶段，还有存在许多不足的地方，并且由于受客观条件的限制，有很多的测试和仿真工作无法实现，因此对于整个系统的实现还有很多的工作需要进一步的完善。
参考文献：
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输出电压(mV)
温度(℃)
压力(kPa)
-1003040
5000.50 1.140.00-0.80-2.6710015.9915.5215.8315.2014.9620031.8830.5230.1229.9527.2130050.6648.2547.9547.2547.0240063.8863.0462.8562.1461.5250080.4579.2578.9677.2475.94600
98.49
96.25
94.23
91.54
89.25
*stk++=0x07;//R7//不用保存SP ，任务切换时根据用户堆栈长度计算得
出。
return ((void *)ptos);}
4操作系统测试程序
测试程序创建了3个任务task1、task2、task3，优先级分别为2、
3、4，task1每秒显示一次，task2每3秒显示一次，task3每6秒显示一次。根据实验输出结果，显示3个task1之后显示1个task2，显示6个task1和2个task2之后显示1个task3。实验结果证明是正确的，从而验证μC/OS-Ⅱ在P80C592上移植成功。
5结束语
μC/OS-Ⅱ是一种可裁减、结构小巧的实时多任务操作系统，可被广泛地移植到多种不同构架的微处理器上。
本文成功地将其移植到PHILIPS 公司的P80C592上，并编写了例程，能够正常运行，验证了移植代码的正确性，具有一定的应用价值。
参考文献
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