智能压力传感器的设计.docx
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智能压力传感器的设计
密级：
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2009—2013年）
题目智能化压力传感器的设计
学院：
环化学院系测控系
专业班级：
测控技术与仪器093班
学生姓名：
钟刚学号：
指导教师：
刘诚职称：
讲师
起讫日期：
2013.3.15—2013.6.6
南昌大学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
摘要
传感器及转换器形成系统的“前端”，没有它，许多现代化的电子系统都无法正常工作。
传感器已广泛的应用于工业控制系统和能源工业装置当中（如石油和天然气的生产、配电工业）。
它们也是制造录音机和录像机这些原始设备产品的重要内在组成部分。
大多数这些数字电子系统之所以具有普遍性和强大优势是得益于传感器广泛应用于这些电子电路中。
本课题将深入研究智能压力传感器系统理论及其在压力测试方面的应用，对新型智能压力传感器系统的智能化功能、智能化软件和硬件配置进行全面的设计。
提出了一种差动电容式传感器的前置电路,基于电容/电压转换的原理,对微小电容变化量进行测量。
电路输出的直流电压与差动电容变化量成线性关系,且能对偏差电容和电路的漂移进行自动补偿。
完善智能化软件，实现温度补偿、自动校准、总线数字通讯、自动增益控制等多种智能化特性，使智能化程度尽可能的提高。
关键词：
传感器；压力；智能化。
Abstract
Sensorsandtransducersformthe“front-ends”,withoutwhichmanymodernelectronicsystemscouldnotfunction.Suchcomponentsareimplementedextensivelyinindustrialcontrolsystemsandenergyindustryinstallations（e.g.theoilandgasproductionanddistributionindustries）.TheyarealsoessentialcomponentswithinOEMproductssuchastaperecordersandVCRs.Inmostofthesesystemsdigitalelectronicsispervasiveandconsiderableadvantagesareobtainedwherethesensorisprovidedcompletewithextensiveelectroniccircuitry.
Thisarticledelvesintothesmartpressuresensorsystemtheoryanditsapplicationofpressuretesting,theintelligentfeaturesofthenewcanonlypressuresensorsystems,intelligentsoftwareandhardwareconfigurationtoconductacomprehensivedesign.Aprepositivecircuitfordifferentialcapacitancetransducersisproposed.Itcanbeusedtodetectsmallcapacitancechangesbasedoncapacitancetovoltageconversion.Theoutputdcvoltageisalinearwiththecomplementarycapacitancechangeandcanbeusedtocompensateforoffsetcapacitanceanddriftsautomatically.
improvetheintelligentsoftware,temperaturecompensation,automaticcalibration,busdigitalcommunications,AGCandotherintelligentfeatures,inordertodegreeofintelligencetoimproveasmuchaspossible.
Keywords：
Sensor；pressure；intelligent
摘要I
AbstractII
第一章压力传感器1
1.1压力传感器的概述1
1.2压力传感器的类型1
1.3压力传感器的结构特点1
第二章智能压力传感器3
2.1智能压力传感器的结构3
2.2智能压力传感器的功能3
2.3智能压力传感器的特点4
与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：
4
2.4智能压力传感器的应用与发展4
第三章系统结构设计5
3.1传感器系统总体结构设计5
3.2系统的特点5
第四章硬件设计6
4.1前端传感器模块6
4.2信号调理电路模块7
4.3A/D转换模块9
4.3.1ADC0809的内部逻辑结构9
4.3.2ADC0809引脚结构10
4.3.3ADC0809应用说明12
4.4微处理器12
4.5显示模块13
4.5.1LCD1602的优点13
4.5.21602字符型LCD简介13
4.5.31602LCD的基本参数及引脚功能14
4.5.41602LCD的指令说明及时序15
4.6温度补偿模块16
4.6.1DS18B20的主要特征16
4.6.2DS18B20引脚功能17
4.6.3DS18B20工作原理及应用17
4.6.4DS18B20时序图17
4.7硬件设计原理图20
第五章软件程序设计22
5.1语言介绍22
5.2程序流程图22
5.3智能数字滤波22
5.4C语言程序23
第六章系统抗干扰性分析24
第七章总结25
致谢28
参考文献27
附录29
第一章压力传感器
1.1压力传感器的概述
根据我国国家标准对传感器的定义，对于压力传感器，我们可以给出定义：
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器件或装置。
压力传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
组成框图如图1-1所示。
图1-1压力传感器组成框图
1.2压力传感器的类型
压力传感器通常的分类标准是按工作原理分类，分为：
电容式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器、智能式压力传感器等。
还有一种分类方式是按压力传感器所使用的材料分类：
半导体压力传感器、光学压力传感器、金属压力传感器、金属-氧化物压力传感器等。
现在应用最广泛的一种压力传感器是压阻式压力传感器。
它是利用的原理时压阻效应，并采用微电子技术制成。
这种压力传感器准确度高、动态响应好、灵敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到广泛的应用，得到迅速发展，属于新的物性型传感器。
1.3压力传感器的结构特点
本课题采用差压式电容传感器作为敏感元件。
电容式压力传感器结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等，在恶劣的环境下对测量静态或低频变化的压力有比较好的优势。
1.4传统压力传感器的局限性
传统的压力传感器往往在性能和成本上不能两全其美，为了提高性能，就要有居高不下的成本，因为制作材料必须品种多，性能高，制作过程要求非常严格，寸偏大，但是时间相应特性不高；2、系统非线性导致随时间漂移；3、环境变化很容易影响到参数的变换；4、器件信噪比不高，是传感器容易受到噪声的干扰致使结果不稳定；5、交叉灵敏度的存在导致传感器的选择性和分辨率都不高。
这些因素就造成了传统压力传感器可靠性差、精确度低、性能不稳定等缺点，也注定了传统压力传感器必将被更高级的智能化压力传感器所取代。
第二章智能压力传感器
2.1智能压力传感器的结构
智能传感器主要是指利用集成电路工艺和微机械技术将敏感元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片上，具有信号提取、信号处理、逻辑判断、决策、自检、自诊断和计算等功能。
和经典传感器相比，智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、精度高以及功能强等优点。
智能压力传感器的结构如图2-1所示，其中作为作为“大脑”的微型计算机，可以是单片机，也可也是微型计算机系统。
图2-1智能压力传感器的结构框图
2.2智能压力传感器的功能
①具有逻辑判断、统计处理功能：
可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。
②具有自诊断、自校准功能：
可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。
③具有自适应、自调整功能：
可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。
④具有组态功能：
可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。
⑤具有记忆、存储功能：
可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。
⑥具有数据通讯功能：
智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。
2.3智能压力传感器的特点
与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：
①高的性能价格比：
由于智能压力传感器的种种优点都是通过调试微处理器和计算机之间的配合达到的，所以在工艺本身不会追求过多，可以采用廉价的集成电路、芯片加上调试软件实现，从而性能价格比自然会高与传统的压力传感器。
②适应能力强：
系统在进行分析、判断和处理信号时，可以根据工作状况决定各个部分的供电和上极位传输速率，能够是系统功耗最低，传送率最优，并具有多种动能自动补偿。
③精度高：
智能压力传感器的自校准、自选量程、自动补偿和自动修正各类误差等功能保证了它的高精确度，通过系统软件达到这些功能，相比以前依靠硬件解决的方式来说方便和容易实现很多。
④量程宽：
智能压力传感器的测量范围很宽，具有很强的过载能力。
⑤集中控制：
由于微处理器控制整个系统，自身的控制和数字处理能力都很强大，所以智能压力传感器通过软件程序充分利用微处理器，使系统的多种功能和优点充分发挥，从而实现了集中的控制方式。
2.4智能压力传感器的应用与发展
智能压力传感器主要应用于检测流体或固体的压力并进行信号远距离传输。
它是工业实践中最为常用的一种传感器，常常作为一种自动化控制的前端元件，因此其广泛应用于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公用设备等行业。
目前，传感器的发展主要集中在集成化和智能化两个方面。
传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。
传感器的智能化是将传感器与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上。
系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大学及变化情况自动选择量程和测量工作方式。
本次论文的主要工作是在现在研究基础上，设计出具有体积小、成本低、寿命长、量程范围大、反应速度快、智能化程度高的智能压力传感器。
第三章系统结构设计
3.1传感器系统总体结构设计
本次课题将采用差动式电容传感器作为系统前端，A/D转换模块采用ADC0809芯片进行实现模数转换，微处理器采用单片机89C52，显示器采用LCD1602进行显示，本次课题总体设计方框图如图3-1所示
图3-1总体方案设计图
3.2系统的特点
本次课题设计的智能压力传感器结构简单，造价便宜，采用特定的信号调理电路，利用单片机和A/D、D/A转换器自动调节信号Uc1和Uc2,采用负反馈技术,实现了对偏差电容的自动补偿,并且采用差动测量方式以消除寄生电容、热零点漂移、共模干扰和其它环境因素的影响,使电路具有很强的抗干扰能力。
具有自动报警功能，本次设计电路图中加了一个发光二极管，若所施加压力超出压力传感器的正常承受范围，发光二极管将会自动点亮，以保护传感器安全。
报警系统用软件实现。
第四章硬件设计
本次课程设计的硬件共分为前端传感器、信号调理电路、A/D转换、微处理器和显示部分这五个模块组成，下面将一一对这五个模块做出详细的介绍。
4.1前端传感器模块
从经济、测量精度、稳定性以及对人体无害等因素，本课题采用陶瓷电容作为传感器材料，且采用圆柱差动变面积式电容位移传感器，如图4-1所示。
图4-1圆柱差动变面积式电容位移传感器
圆柱电容的计算公式为：
C=
.
其中，X为内外电极重叠部分长度；D、d分别为外电极内径与内电极外径。
当重叠部分长度X发生变化时，电容的变化量为：
=
-
=
.
灵敏度为：
K=
.
传感器由两组定片和一组动片组成。
当动片上、下改变位置时，与两组定片之间重叠面积发生相应变化，成为差动电容。
将上层定片与动片行形成的电容记为
，下层定片与动片形成的电容记为
。
4.2信号调理电路模块
测量差动电容变化量的电路原理图如图4-2所示。
图4-2信号调理电路图
电路的结构对称,两边都以相同的方式工作,只对其中的一边进行分析。
一正弦电压Us用于激励电路,其频率为f（Hz）,幅值为A（V）。
被测传感器电容器C1的一个极板与电压源相连,另一极板与电流检测器A1的输入端相连。
电压信号也作为乘法器M的一个输入端,M的另一个输入端与控制信号Uc1相连。
乘法器的输出电压信号为K1Us,系数K1=Uc1/10。
电流Im和I1之和被放大器A1转换成电压信号UA1,经放大器A2后,输出电压信号Uo1。
Us=Asinωt.
;
式中 C1=C10+ΔC1,C10为C1的初始值,ΔC1为变化量。
同理,Uo2有类似的表达式。
Uo1和Uo2同时输入差动放大器A3,其增益为Hi,得到输出电压信号Uo为
Uo=Uo1-Uo2
（1）
假设 C10=C20,ΔC1=ΔC2=ΔC,K1=K2,则式
（1）可以简化为
Uo=[2HiRfΔCR1ωAsin（ωt+π/2）]/R2.
将Uo输入相敏检波器PSD中,输出直流电压信号Ud为
Ud=[8HiR1RfωAΔC]/πR2
（2）
式中,系数4/π可由相敏检波器PSD对输入信号的整流和放大作用得出。
由式
（2）可见,Ud与被测电容的变化量ΔC成线性关系。
因此,利用AD转换器将Ud转换成数字量,再经过单片机进行数据处理,即可实现对差动电容传感器电容变化量的测量。
根据式
（2）有下式
式中 δC为最小可测电容变化量;δUd为Ud测量分辨力;VADC为AD转换器的工作电压范围;n为AD转换器的转换位数。
电容测量分辨力理论上主要取决于输出电压的测量分辨力。
可以通过提高输出电压的测量分辨力来提高电容的测量分辨力。
所提出的测量电路可以实现对偏差电容的自动补偿,原理如图4-3所示。
图4-3自动补偿原理框图
电压信号Uo1和参考信号Ur分别为相敏检波器PSD1的两个输入,输出信号Ud1可以表示为
Ud1=4HiRf（C1+K1Cm）R1ωA/πR2
=4HiRf（C10+ΔC1+Uc1Cm/10）R1ωA/πR2.（3）
根据式（3）,有下式
U′d1（Uc1）=[2HiRfCmR1ωA]/5πR2.
因此,利用信号Uc1可以对电容器C1的固定值C10进行补偿,则在理论上,Ud1可表示为
Ud1=[4HiRfR1ωAΔC1]/5πR2.（4）
利用单片机控制A/D和D/A转换单元对Ud1进行转换,并通过负反馈的方式将信号Uc1加到乘法器M的一个输入端,便可实现对偏差电容的自动补偿。
令电压Us的幅值A=0.5V,
频率f=1.0kHz,
Cm=100pF,
Rf=47kΩ,
R1=R2=1kΩ,
运算放大器为TL071,相敏检波器为AD630,乘法器为MC1495,差动放大器为INA102（Hi=100）,8位的AD/DA转换器工作电压为±5V。
在当压力传感器所受压力处于0~100KPa时，通过对差动式电容应变力的设计，使得ΔC处于0~6.65
F上下限范围内。
根据式（4）可知，AD转换器接收的电压范围为0~5V。
4.3A/D转换模块
本次课题选择ADC0809作为模数转换芯片。
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
4.3.1ADC0809的内部逻辑结构
由图4-4可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图4-4ADC0809内部结构
4.3.2ADC0809引脚结构
ADC0809各脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出引脚。
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存允许信号输入端。
（以上两种信号用于启动A/D转换）.
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端（一般为500KHz）。
A、B、C：
地址输入线。
图4-5ADC0809引脚图
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线：
4条
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表如下表所示。
表4-1ADC0809通道选择
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
数字量输出及控制线：
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
4.3.3ADC0809应用说明
（1）．ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）．初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
（3）．送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
（4）．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
（5）．是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
（6）．当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
4.4微处理器
本次课题采用单片机STC89C52作为处理芯片，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位?
定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
单片机STC89C52引脚图如下。
图4-6单片机STC89C52引脚图
4.5显示模块
4.5.1LCD1602的优点
本次课题的显示模块采用LCD1602液晶显示屏进行显示。
选择LCD1602进行显示具有如下优点：
①显示质量高：
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
②体积小、重量轻：
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
③功耗低：
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
4.5.21602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例介绍其用法。
一般1602字符型液
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