浅谈智能压力传感器系统设计

2016-08-19华世能

大科技 2016年7期

关键词：单片机电路传感器

华世能

（长江大学电子信息学院 434000）

浅谈智能压力传感器系统设计

华世能

（长江大学电子信息学院 434000）

随着电子信息技术的发展，智能压力传感器被广泛应用于现代化工业控制系统和各类电子测量设备。本文重点讨论了智能压力传感器的系统理论，以及在压力检测应用上的科学原理，并结合计算机科学理论阐释了智能压力传感器的系统设计流程。

智能；压力；传感器；设计

前言

众所周知，“压力”的测量值不仅是实际工厂生产中的重要参数，也是我们日常生活中衡量多方面事物的参考标准。研究智能压力传感器的系统设计，不仅是智能科技技术精益求精的发展必然，更是对提高未来工厂自动化生产的安全高效性具有重要意义。

1 智能压力传感器理论综述

智能压力传感器是基于传统压力传感器之上，具备高精度、高灵敏性和高自动化特点的应用型产品，所以在了解智能压力传感器之前，必须先了解传统压力传感器的相关内容。传统的压力传感器是能够感受规定的被测量（压力信号），并按照一定规律转换成可用输出信号的一种器件或装置，一般包括敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分，其工作原理和流程可简述为，由被测物体的重力产生被测压力，通过敏感元件将压力传递给转换元件，转换元件负责将压力信号通过编译传递给基本转换电路，以电信号的形式输入到计算机系统，通过程序指令展现在人工可读的仪表上。传统压力传感器的类型可根据其工作原理和材料的不同而有所分类，比如按工作原理可分为电容式、压阻式、压电式、电感式等，按材料可分为半导体式、光学式、金属式、金属-氧化物等。

传统压力传感器虽然能够对压力进行一定精度的测量，但不同的工作原理对应有非常严格的制作材料和制作程序，所以在性能和材料成本的结合上往往不能让用户满意，要想性能优越，成本就随之上升。另外，传统压力传感器非线性的系统容易产生时间漂移的现象，不同的气压、噪音和温度环境，对参数的变换也有重要的影响，这些传统压力传感器固有缺陷的存在，让新型智能压力传感器的研发成为大势所趋。

相较于传统压力传感器，新型智能压力传感器的优越之处在于系统原理的升级和技术手段的更新，通俗来讲，智能压力传感器主要依靠集成电路和微机械技术，以芯片的形式，将各元件与功能强大的电路加以集成，当被测物品产生压力的时候，经过预处理环节，通过模拟信号数字化输入到微型机，微型机通过信息处理及校正软件，对检测出的数字化信号进行数理统计和分析，这样就能以程序化运行的方式对系统是否具备线性，以及周边环境中的温度、噪音、交感时间、漂移现象和响应时间作出补偿，最后通过转换电路显示出高精度的测量数值。集成电路和微机械技术的应用，大大地降低了智能压力传感器的体积、功耗和成本，性能上也具备高速度和高精度的特点，值得一提的是，智能压力传感器还具备信息记忆和储存功能，给微型机自我诊断和自我修正提供了大量的参考数据，未来的智能压力传感器还将在数据通讯功能上加以发展，实现更好的人机交互，进一步提高信息处理的质量。

2 智能压力传感器系统的硬件设计

智能压力传感器系统的硬件设计应该从硬件的选择上开始，主要是压力传感器工作原理、A/D转换模块、微处理器和电路的选择。压力传感器最常见的两种选择分别是电阻应变式和差动式电容传感器，前者具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，主要部件是电阻应变片和弹性元件，从应变片电阻值的变化来判断被测物品的位移加速度、压力值、力矩等重要参数；而后者利用压阻效应，集成化程度较高，同时也具备高精度、高灵敏性的特点，两种选择都是硬件系统中接收压力信号的一部分，根据产品的功能定位而合理选择。

A/D转换模块是以集成芯片为主，将模拟信号转化为数值的“中转站”，上述已经对芯片的特点有所论述，值得补充的是，芯片的分辨率和通道决定A/D转换模块对模拟量的处理能力，一般常见选择是8位分辨率、双通道A/D转换芯片。然后就是微处理器，智能压力传感系统都是基于单片机控制的，单片机的型号选择与上述压力传感器一样，取决于产品的功能定位，比如某单片机的型号是AT89C51，是一种带4K字节闪烁、可编程可擦除、只读存储的低电压，高性能CMOS8位微处理器，单片机有效地提高了智能压力传感器的信息处理速度。电路的选择上，除了上述必要的系统控制电路，很多智能压力传感系统配备有显示电路、超限报警电路、复位电路等。

3 智能压力传感器系统的软件设计

如果说硬件设计是智能压力传感器系统的“血肉”，那么软件设计就是智能压力传感器系统的“神经”，二者缺一不可。软件设计主要利用的是计算机C语言编程技术，C语言是结构式语言，结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。

智能压力传感系统的软件设计包括A/D转换器的软件设计、芯片接口软件设计、单片机与键盘的接口软件设计、数值屏显软件设计等，流程是先制作出程序流程图，然后将程序指令编译成代码，最后通过系统调试检验合格的。限于文章篇幅所限，具体的程序流程图和C语言程序代码就不一一例举了。