基于单片机的高精度压力数据采集系统的设计

2016-10-19魏月

数码世界 2016年9期

关键词：高精度乘法单片机

魏月

渤海大学工学院

基于单片机的高精度压力数据采集系统的设计

魏月

渤海大学工学院

把单片机作为系统的控制中心，传感器采用的是Motorola公司的X型的精密硅电压式的压力传感器，转换器采用的是高精度的积分式的ICL7135从而实现采集和转换压力信息。软件上还用到了最小二乘法的最佳拟合直线的相关知识，最小二乘法对于修正采集到的压力数据产生的误差有很大的作用，从而提高系统对压力数据的精确度。本论文中给出了非线性误差补偿的原理以及对相关的实验数据进行了验证，从测试的结果可以得出最小二乘法的非线性进行误差补偿有着明显的效果。

单片机最小二乘法压力数据非线性

1　引言

现今，已经有很多的学者对压力数据的采集进行了大量的研究。而与此同时，在微电子技术方面取得的成就为数据采集开辟了更加宽广的天地，同时也促进了采集系统的发展。对压力数据进行采集这在石油，冶金以及化工方面有着广泛的应用。在采集压力信号的过程中，在进行非电和电之间转化的过程中的精度要求很高，因此对压力数据采集的过程中需要保持高精度。

随着航天技术方面的不断发展，在截联的惯性的测量中对精度的要求越来越高，除了精度的要求外，还要求通信的接口多样化，系统的工作要实现智能化以及数据的处理能力要强等等，为了迎合这些高要求，很明显传统的设计方法已经不是适应了，必须寻找新的设计方法，新的设计方法需要在技术和工艺方面进行努力。在制造工艺和提高陀螺仪的时候，要把握住截联惯性的测量组合的关键部分，也就是数据的采集以及电路的处理，这两者所处的位置很重大，单片机以自身的优势在惯性的设计中的作用越来越大。许多的行业领域中都有用到基于单片机的数据采集，尤其是最近几年，选择51系列的单片机进行高精度的压力数据采集已经成为了一种争相追赶的趋势。

2　压力数据采集系统的概述

压力数据采集系统的设计部分主要包括了两个组成部分：硬件设计和软件设计。系统总体的结构图如图1所示。

图1　系统总体结构图

从上图可以看出，首先是把信号放到力传感器中，经过ADC进行转换，将生成的信号通过放大滤波和A/ D进行转化最后就实现了信号的数字话，接着把相关的数据交给程序进行计算，从而得出所需要的物理量，最后将结果显示在程序的界面。

（1）数据采集的概述

把压力，温度，位移等等这些变量参数进行数字量化，然后再借用计算机的存储能力以及计算能力对产生的数据进行显示或者打印的这个过程称为数据采集，与该过程对应的就是数据采集系统。数据采集的目的是为了从传感器中获得的模拟信号通过转变从而生成计算机这个机器可以进行识别的数字信号，简单的说这是一个由模拟信号转为数字信号的过程。数据采集的结果是否是过关，这个决定因素是数据的采集中的精度以及采集的速度控制的。要想提高数据采集的效率，可以从这两个方面进行改进，可以通过保持精度不变提高采集的速度，也可以通过保持采集的速度的不变，从而提高采集的精度。

3　压力采集和信号的变换

Motorola公司研究的X型的硅压力传感器和扩散的硅压阻式的压力传感器所用到的慧斯登电桥是不一样的，这项专利的技术用了单个的压敏元件并且呈现的是X型的电阻元件，这个电阻用到的原理是利用离子在硅膜上刻上工艺光，修正的技术用到的是计算机的控制技术，以及温度的补偿技术，通过这种方式对于精度的改进方面起到了很大的促进作用，具有很大的价值，而且在线性度以及灵敏度方面都有着很大的改进。

压力信号通过高精度的压力传感器后转为电信号，但是产生的电信号不是很强，所以为了解决由于信号衰弱而造成对系统精度的影响，本系统就采用了电流进行传输。

4　非线性误差补偿

4.1非线性的误差补偿

所谓的软件补偿的概念就是把处理器和压力传感器进行相互的结合，然后再根据单片机本身的功能与补偿的算法对传感器中产生的误差修正处理。其中软件补偿的算法比较常用的有曲线拟合以及表格法。而曲线的拟合算法中又可以细分为多项式和最佳的虚线拟合，由于拟合的方法不同就会导致拟合形成的误差也就不同。通常情况下，当传感器的输入和输出是线性关系的时候，如果拟合的次数越低，那么当运用最小二乘法的时候精度就越高，本文中考虑了实际中用到的测试仪器所要求的精度以及计算机机器自身的储存能力和计算的功能，所以该系统就用到了低阶的最小二乘法进行曲线的拟合。

4.2最佳拟合曲线的补偿原理

从以上求出的结果中代入解出k 的值和b 的值，所以最后便可以求出设置的未知数，代入后拟合曲线就可以求得。

5　软件实现

软件的实现部分，采用的是分段的方法，对压力的测试范围进行分割后分别进行测试，这样的可以在一定的程度上修复非线性带来的误差，其中的每个分段内都是用折线来进行表示的，求出这段折线的斜率k 以及截距b ，然后代入到直线表达式y=kxi+bi中，其中公式中的i 表示折线的编号，当i =1时表示第1段折线，表示的是通过压力传感器进行采集数据后通过A/D进行转换后产生的结果，y 表示的是误差修正后返回的值。经过调试的测量后，可以获得系统的测量参数，提前把每段的数值保存到单片机的程序存储器中，当处于不同的区段的时候，来自每段的数值就会由单片机负责修正处理。修正处理的流程图如图2所示。

图2　修正处理的流程图

6　结果仿真

本论文仿真用到的工具是Matlab，在基于Matlab的基础上对该扩撒型的压力传感器的数据测量进行了精确的测量。其中的最小二乘法拟合的压力数据的变化区间是在0到0.06Mpa之间波动的，在该范围内将其分为等值的三等分，然后对这每一个等份进行最小二乘法的直线拟合。仿真的结果证明了本文采用的补偿方法对数据的精确度测量以及系统误差的修复是有很大的益处。仿真的结果如表1所示。

7　结语

本文所研究的高精度的压力数据采集的系统是针对任何情况下都适用的，所以通用性很强，其中的硬件这部分用到的是X型的硅压力传感器进行数据的采集，该硬件是Motorola公司开发的，通过电流区间设置在4mA到20mA之间，进行电路的调理，这样对硬件的采集部分以及传输部分的精度有了很大的保证。同时软件部分采用的是低阶的最小二乘的直线拟合，对其中产生的误差可以进行修正，最后实现了压力数据的采集方面的精确性。通过在量程的范围里进行分段，对每个部分进行补偿的措施，从而实现软件精度的补偿，这样仿真的结果呈现也会更加的精准。本系统设计的高精度压力数据采集系统解决了半导体存在的问题，半导体会带来自非线性误差的补偿问题，非线性主要包括了零点漂移和温度漂移等等，该系统的最大优势就是提高了精度的准确性。并且由于该系统的通用性，所以可以运用到化工，石油，轻工以及冶金各个方面。