（凝聚态物理专业论文）智能气压传感器系统的研制.pdf

y 一3 5 毒乱 摘要 随着科技和社会发展的需求，气象部门对气象要素的自动采集和气象数掘的自 动存储、数据处理提出了更高的要求。在我们设计的多要素自动气象站系统中，有 气压采集部分，用到了压电式谐振筒气压传感器。谐振筒气压传感器的输出为一矩 形波信号，该波形的频率与气压有关，气压一频率的输入输出特性是非线性的，且 随着温度的变化而变化，测量时如果不考虑输入输出特性的非线性及温度对输入输 出特性的影响，将会存在大的误差，满足不了对系统的要求。为此设计了智能气压 传感器系统。 系统的核心为p 8 7 l p c 7 6 7 ，p h i l i p s 推出的新产品，与5 1 系列单片机兼容，内 置o t pr o m 、定时计数器、8 位的a d 转换器、电源监测及w d t 等功能部件，构成 了简洁的最小系统。 利用外部计数器和p 8 7 l p c 7 6 7 定时计数器，完成了对气压传感器输出信号周期 的准确测量，测量误差在国家气象局规定范围内。 利用p 8 7 l p c 7 6 7 内置的8 位的a d 转换器，完成对环境温度的检测，为温度补 偿提供修正数据。 利用非线性自校正技术、采集的气压信号的周期( 频率值) 和温度信号，对传 感器进行非线性校正，从而测量气压，测量误差在0 3 h p a 以内，满足国家气象局 提出的测量要求。 该智能传感器系统具备r s 2 3 2 串行通讯接口，在完成对原始信号的预处理的同 时，可以作为自动气象站的气压采集子系统，也可以作为单要素自动气象站而独立 使用。 关键词：智能传感器p 8 7 l p c 7 6 7 周期测量非线性校正温度补偿串行通讯 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h es c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a n dt h er e q u i r e m e n to f s o c i e t y d e v e l o p m e n t ， t h ea u t o m a t i o nt ot h em e t e o r o l o 垂c a lf a c t o rg a t h e r sa n dm e t e o r o l o g i c a ld a t as a v e sa n d d a t a h a n d l i n gh a v e b e e n p u t f o r w a r dt ot h eh i g h e rr e q u i r e m e n t a st h e p a r tt h a ti su s e d t o g a t h e rt h es i g n a lo fa t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，t h ep i e z o e l e c t r i c i t yt y p er e s o n a n c et u b eo u t p u t a r e c t a n g u l a rw a v e ，a n dt h er e c t a n g u l a r w a v e sf r e q u e n c yw i l lc h a n g ew i t ht h e a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，m e a n w h i l e ，t h er e c t a n g u l a rw a v e sf r e q u e n c y c a nb ec h a n g e d a l o n g w i t ht h ec h a n g eo f t h et e m p e r a t u r e i tw i l lb r i n g b i g g e ri n a c c u r a c ya n d c a nn o t r e a c ht h er e q u i r e m e n to f s y s t e mi f t h et e m p e r a t u r ef a c t o r sa r en o tc o n s i d e r e di n w e d e s i g n e dt h ei n t e l l i g e n c ea t m o s p h e r i cp r e s s u r es e n s o rs y s t e mf o rt h i s t h eh a r d c o r eo ft h es y s t e mi sp 8 7 l p c 7 6 7w h i c hi sp r o d u c e db yp h i l i p sa n di s c o m p a t i b l e w i t h51 一m c u ，b u i l t - i no t p r o m ，t i m i n gc o u n t e r , 8 - b i ta d c ，p o w e r m o n i t o r a n dw 矾e t c ，f o r mt h e m i n j - s y s t e m u t i l i z i n go u t e rc o u n t e ra n dt i m i n gc o u n t e ri np 8 7 l p c 7 6 7 ，t h es y s t e mc a l lm e a s u r e t h ec y co ft h eo u t p u ts i g n a l t h em e t r i c a le r r o ri sl e s st h a no 0 0 1 3 t sa n dm e e t st h e r e q u i r e m e n to ft h em e a s u r e w i t ht h eb u i l d i n8 一b i ta d ci n p 8 7 1 p c 7 6 7 ，w e c a nm e a s u r et h e e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ef o rr e v i s i n gt h ed a t a u t i l i z i n gn o n l i n e a rs e l f c o r r e c t i n gt e c h n o l o g y ，t h ep e r i o d ( f r e q u e n c y ) o ft h ea t m o s p h e r i c p r e s s u r ea n d t h et e m p e r a t u r e s i g n a l ，t h es y s t e m m a k e st h en o n l i n e a r r e v i s ef o rt h es e n s o rt om e 目t s u r ct h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r e t h ee r r o ri sc o n f i n e di n 0 3 h p a m e e t i n g t h er e q u i r e m e n to f t h ec h i n e s ew e a t h e rb u r e a u p o s s e s s i n g t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e - r s 2 3 2 ，t h e i n t e l l e c t u a l a t m o s p h e r i cp r e s s u r es e n s o rs y s t e mi sn o to n l yt h ea t m o s p h e r i cm e a s u r i n gs u b s y s t e m i nw e a t h e rs t a t i o nb u ta l s oo n l yu s e di na u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n c es e n s o r , p 8 7 l p c 7 6 7 ，c y cm e a s u r e ，n o n li n e a r c o r r e c t ，t e m p e r a t u r er e p a i r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 第一章引言 第一节国内气压测量的现状 自动气象观测系统是应用气象传感器技术、自动测试技术、数据传输技术、微 机应用技术开发组建的自动观测系统，可显著提高气象观测的准确性、实时性。主 要解决恶劣环境下长期稳定的高精度数据( 包括气压、气温、湿度、风向、风速、 雨量等) 采集；自动气象观测系统使气象站网观测进入自动化、遥测化时代。随着 科学技术的发展和社会发展的需求，国际上对气象要素的自动采集和气象数据的自 动存储、数据处理提出了更高的要求。 国外进口的气象站网观测系统设备价格昂贵。国内气象观测技术领域也有相关 研究，取得了一定的进展，但数据传输大都局限于传统的通讯方式( 有线m o d e m 、 g s m 等方式) 。 2 0 0 2 年，g p r s 数据通讯业务在我国迅速推广应用。g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一。它 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相 同的t d m a 帧结构，在现有g s m 网络中增加g g s n 和s g s n 为移动用户提供高速 无线i p 或x 2 5 服务。g p r s 是基于g s m 的新型移动分组数据承载业务，每个用 户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的 利用，比现有g s m 网( 9 6 k b i t s ) 具有更高的数据率( g p r s 的最高速率可达 1 1 5 2 k b p s ) ，并具有“永远在线”( 即用户随时与网络保持联系) 的特点。 举例说明：用户访问互联网时，点击一个超级链接，连接在微机上的g p r s 终 端就在无线信道上发送和接受数据。主页下载到本地微机后，数据传送暂停，g p r s 终端就进入一种“准休眠”状态，释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络 与用户微机之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，g p r s 终端立即向网 络请求无线频道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能 上网。 g p r s 数据服务除了“高速”、“永远在线”的特点外，还具备通讯费用低廉 的优势。g p r s 数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取。对营运商来 说，提供数据服务的成本产生基本按流量产生，中国移动采取了分段计费( 流量) 的价格模式，这样就大大降低了用户的使用g p r s 进行数据传输的成本，尤其在数 据采集与监控系统中。 基于新技术的发展，利用g p r s 数据传输通道，直接通过g p r s 数据终端将信 息发送出去，实现无线传输，构成气象要素自动检测网络；同时利用新型的微控制 器及各种算法研制出精度高、性能可靠、价格相对低廉的自动采集系统( 自动气象 站) 具有可观的经济效益和重大的社会效益。目前中国气象局“大气监测自动化” 项目正在实施，主要是安装在地级市的新一代天气雷达和县市级的多要素自动气象 站。按照规划，气压采集站将布到县一级，以河南省为例，全省有1 2 0 左右个县， 自动气象站的研制具有广阔的市场。 在自动气象站中，要采集的气象要素有气压、气温、湿度、风向、风速、雨量 等，本文针对气压要素自动采集系统的设计与实现展开讨论。 第二节气压传感器的工作原理 气压采集系统有水银槽式气压仪、盒式气压仪和压电式谐振筒气压仪，其中水 银槽式气压仪易实现高精度测量，但不便于遥测，而盒式气压仪精度低。目前，国 内外普遍采用的压电式谐振筒气压传感器为高精度压力测量、控制提供了低功耗、 长寿命、宽工作温度范围、可承受恶劣环境以及智能化的理想传感器，便于实现遥 测，因此被普遍采用。 如图1 1 所示，传感器外面是保护筒，内部是高q 值、高导磁率的恒弹性薄 壁谐振筒，一端封闭，另一端固定在基座上，筒壁厚0 0 8 m m ，两者之间是参考 腔。参考腔是绝压传感器工作的基础，为高真空腔，不允许任何微量漏气。在弹性 体内壁上贴有压电陶瓷片和温度传感器。弹性体内部是工作腔，外界大气压力p ， 经过接管嘴与内腔相通，压力p 作用在弹性体内壁上，使弹性体产生张力。观测时， 接上电源后，激振压电片和振动筒相互作用下产生固有振动频率。此频率随气压的 增大而升高，拾振压电片检测振动频率的变化，从而指示气压的变化。输出是电参 量。a 1 是一种特殊的谐振电路，它将拾振压电片产生的电荷进行放大，并反馈到 激振压电片上，去激励筒体谐振在固有能级最低的谐振频率上，同时输出此频率信 号到f d 转换电路。a 2 将温度传感器测得的振筒温度电压信号v ( t ) 放大后。 送到a d 芯片上，此信号用于温度补偿。 一浩振筒气压传感器 图1 - 1 谐振筒结构示意图 图1 2 谐振筒气压传感器原理框图 如图1 2 所示，激励元件维持谐振筒的持续振动。检振元件的信号被移相、放 大后，一部分反馈到激励线圈，形成正反馈振荡回路。传感器内置有温度传感器， 用于测量振动筒传感器的温度，以便用来进行温度修正。 谐振筒的工作方式是一个二阶强迫振荡系统，其数学模型为： m 窘+ 嗉+ 戤趔幻 世 式中：x 振动引起的位移； f 时间； 【i f 一谐振筒的振动质量； r 阻尼系数； 卜刚度系数，k ：孚，仃为弹性材料的刚度； f ( t ) 压电片给出的周期强迫应力。 谐振筒式气压传感器的频率因素q 比较复杂，有筒壁的拉伸效应、弯曲效应和 应力效应三部分组成。当大气压力为零时其固有频率为： 厶= 去j 赢劬。 式中：q o _ 一零气压时的频率因素； 冒弹性材料的杨氏模量： u 材料的泊松系数： r 振简的半径； p 振筒材料的密度。 当谐振筒材料和振型确定之后，兀为一常数。振筒的振型用其振动径向周期 数“n ”和轴向半波数“m ”来表征，图卜3 给出了两组不同的h 和m 值下振动 变形的示意图。 以= 1 口 图卜3 谐振筒两组不同以和m 值下的振动变形 在外谐振力作用下，谐振筒弹性体谐振在自身的固有最低能级上，压力不同， 谐振体的固有能级不同，谐振频率不同；p 和一一对应，单值连续： o 脚 ，= ，踊 当被测气压变化时，振筒上的压力发生变化，其内部张力也发生变化，则谐振 频率也随之改变。振动筒谐振频率的变化反应了气压的变化。 振筒气压传感器振动系统低阻尼、高q 值( 品质因数) ，稳定性好，迟滞小， 灵敏度高，压力变化0 1 h p a 就有响应，准确度高。 二谐振筒传感器的输入输出特性 1 实验标定数据 在我们研制的气压要素采集中，使用了太原某仪表公司提供的g d j 5 压电激励 谐振筒式压力传感器。该传感器的输出为：周期( 频率) 与气压相关的m 电平 的矩形波信号和一个和工作温度呈线性关系的o 一5 v 的模拟电压信号。在传感器 出厂前，厂家对该传感器进行了标定。 表1 1g d j 5 压力传感器二维实验标定数据( 周期) 一3 d 一2 0 一1 0 0 cl o 2 0 3 0 4 0 5 0 o 2 6 v 0 7 9v1 3 3v1 8 4v2 3 6v 2 8 8v 3 4 1v3 9 4v4 4 7v 1 0 7 01 9 3 5 0 9 21 9 3 5 1 8 21 9 3 5 2 9 71 9 3 5 4 1 51 9 3 5 4 5 51 9 3 5 5 4 21 9 3 5 7 2 31 9 3 5 8 51 9 36 0 0 1 l 0 0 01 9 5 3 0 9 91 9 5 3 2 1 91 9 5 3 3 4 41 9 5 3 4 8 41 9 5 3 5 4 41 9 5 3 6 4 51 9 5 3 8 4 61 9 5 3 9 8 81 9 5 4 1 5 4 9 5 。1 9 & 6 2 81 9 6 5 4 1 61 9 6 8 5 5 81 9 6 6 7 1 4i 9 6 ，6 7 8 21 9 6 6 8 9 5l 拿87 n1 9 6 7 2 6 51 9 67 4 4 3 9 0 01 9 7 9 7 41 9 8 9 31 9 8 0 0 51 嗨0 2 1 91 9 8 0 2 1 9 8 蚋2 71 9 8 0 6 5 51 9 乳0 8 2 21 9 8 1 0 1 5 8 5 01 9 9 3 5 0 61 9 9 3 6 7 11 9 9 3 8 4 41 9 9 4 0 2 7l 蚴4 1 2 51 9 9 4 2 6 31 9 9 4 5 0 21 9 9 4 6 8 51 9 94 8 8 7 8 0 02 0 0 7 5 5 32 0 0 7 7 3 42 0 0 7 9 2 22 0 0 8 1 2 12 0 。8 2 32 0 0 8 3 82 8 6 42 0 0 8 8 3 22 0 0 9 0 4 9 7 5 02 0 2 1 9 2 32 0 2 2 1 22 0 2 2 3 2 62 0 22 5 4 32 0 2 2 鼹22 0 2 2 8 32 0 2 3 1 0 32 0 2 3 3 l2 0 2 ，3 5 4 7 0 02 0 3 6 6 2 92 0 3 朗4 32 0 3 7 0 72 0 37 3 0 32 0 3 7 4 3 52 0 3 7 6 1 42 0 3 7 9 0 5 2 0 3 8 1 2 52 0 3 8 3 7 3 6 5 02 0 5 1 6 7 32 0 5 1 9 1 82 0 5 2 1 5 22 0 5 2 4 0 22 0 5 2 5 4 9 2 0 5 2 7 4 32 0 53 0 5 22 0 5 3 2 8 62 0 5 3 5 5 6 0 02 0 6 7 0 4 82 0 6 7 3 1 52 0 6 7 5 6 92 0 & 7 8 2 42 0 6 7 9 8 52 0 6 8 2 0 12 0 68 5 2 1 2 0 6 8 7 6 92 0 69 0 4 7 5 5 02 0 8 2 8 0 62 0 8 3 0 8 22 0 83 3 6 22 0 8 3 6 4 62 0 8 3 8 1 52 0 b 4 0 2 92 0 8 ，4 3 7 42 0 8 4 6 哇3 2 0 8 。4 9 3 5 5 0 02 0 9 8 9 3 l2 0 9 9 2 32 0 9 9 5 2 82 0 9 9 8 3 12 1 n0 0 1 9 2 1 0 0 2 5 92 1 0 0 6 22 1 0 0 8 9 12 l 仉1 1 9 5 4 5 0 2 儿5 4 6 42 1 1 5 7 8 22 1 1 6 0 9 82 1 1 6 4 2 32 1 1 6 6 2 5 2 n 6 8 82 1 1 7 2 62 1 17 5 5 72 1 1 7 8 7 9 表1 1 所示九组数据分别列出了3 09 c 、- 2 0 c 、1 0 。c 、0 。c 、1 0 。c 、2 04 c 、 3 0 。c 、4 0 。c 、5 0 。c 情况下，不同气压值对应的周期c 。气压p 单位是百帕( h p a ) ， 周期c 的单位为微秒( 1 i s ) ，温度电压的单位为伏( v ) 。 表1 2g d j 5 压力传感器二维实验标定数据( 频率) 3 0 一2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 02 6 vo 7 9v13 3 vi 8 dv2 3 6v2 8 8v3 4 1v3 9 4v44 7v 1 0 7 0 5 1 6 7 7 1 35 1 6 7 4 7 2 6 25 1 6 7 1 6 5 5 65 1 6 6 8 5 15 1 6 6 7 4 3 7 45 1 6 65 1 1 5 5 1 6 60 2 8 5 1 6 5 6 8 9 4 95 1 6 5 2 8 6 5 9 1 0 0 05 1 2 00 6 8 25 1 l g7 5 3 65 1 1 9 4 2 5 9 75 1 1 90 5 95 1 1 8 9 0 1 8 55 1 1 8 6 3 7 9 l5 1 1 8 1 1 15 1 1 7 7 3 8 75 1 1 73 0 3 9 6 9 5 05 0 8 57 4 5 75 0 8 5 3 9 3 9 35 0 8 50 2 6 7 35 0 8 4 6 2 35 0 8 44 4 7 5 95 0 8 41 5 5 , 1 85 0 8 365 ( ) 8 31 9 9 2 65 0 8 2 7 3 9 3 7 9 0 05 n 5 1 1 6 8 35 0 5 0 7 7 85 眦3 7 7 5 25 0 4 9 9 t 65 0 , t 97 4 2 4 95 0 9 4 】6 j 】5 0 慨8 3 55 聃84 0 9 25 0 4 7 9 1 7 3 6 8 5 05 0 1 6 ，2 8 7 95 0 1 5 8 7 2 7 35 0 1 5 , 1 3 7 5 25 0 1 4 9 7 75 0 1 4 7 3 0 7 75 0 1 4 3 8 3 7 65 0 1 3 7 8 35 0 1 3 3 2 2 9 15 0 1 2 8 1 5 2 6 8 0 04 9 8 1 1 8 8 54 9 8 0 7 3 9 4 84 9 8 0 2 7 3 1 44 9 7 9 7 84 9 7 9 5 0 9 3 24 9 7 91 3 7 4 14 9 7 8 t 9 34 9 7 8 0 1 7 0 84 9 7 7 4 7 9 3 9 7 5 04 9 4 5 8 6 84 9 1 5 3 0 4 9 34 9 1 4 8 0 1 1 84 9 4 42 7 l4 9 4 3 9 7 9 7 74 9 4 3 5 6 9 1 64 9 4 2 9 0 24 9 4 2 3 9 6 3 74 9 4 1 8 3 4 6 j 4 9 1 0 0 3 4 4柏嘴5 5 8 5 74 9 0 9 0 1 1 4 74 q 0 8 4 54 8 1 3 2 0 4 4 9 0 7 伯0 8 74 9 t 6 9 9 84 9 0 64 7 0 4 i4 9 0 5 8 7 3 4 6 6 5 04 8 7 40 7 l l4 8 7 3 4 8 9 14 8 29 3 3 3 94 8 7 23 , 14 8 7 19 9 。8 84 8 7 1 5 3 0 4 44 8 7 0 7 9 74 8 7 0 2 4 2 1 44 8 6 9 6 1 6 0 3 4 8 3 78 1 74 8 3 71 9 2 24 8 3 6 5 9 7 9 6, t 8 3 60 0 24 8 3 5 6 2 5 0 24 8 3 5 l l 帕04 8 3 4 3 7 24 8 3 3 7 9 2 4 64 8 3 31 4 2 9 9 5 5 04 8 0 1 2 1 5 34 8 0 0 5 7 9 1 44 7 9 9 9 3 3 9 54 7 9 92 84 7 9 8 9 0 54 7 9 8 3 9 7 7 24 7 9 7 6 1 ) 44 7 9 6 9 8 4 4 24 7 9 63 1 0 2 9 r i 0 04 7 6 4 3 3 4 7 6 3 6 5 1 4 3 4 7 6 29 7 5 34 7 6 2 2 8 84 7 6 1 8 6 1 6 84 7 6 13 1 7 5 3 4 7 6 0 4 9 94 7 5 。8 8 5 2 l4 7 5 乳i 9 6 5 5 4 5 04 7 2 70 9 54 7 2 6 3 8 4 8 54 7 2 5 6 7 9 0 64 7 2 4 9 5 34 7 2 4 5 0 2 4 54 7 2 3 9 3 3 3 44 7 2 3 0 8 54 7 2 2 4 2 3 0 64 7 2 1 7 0 5 0 6 表卜2 所示九组数据。分别列出了3 0 c 、2 0 c 、i o * c 、o c 、i o * c 、2 0 c 、3 0 。c 、 4 0 c 、5 0 * ( 2 情况下，不同气压值对应的频率。气压p 单位是百帕( h p a ) ，频率，的 单位为赫兹( h z ) ，温度电压的单位为伏( v ) 。 2 输入输出特性曲线 图l - 4 ( a ) 、( b ) 分别是以o c 为例，得到的气压一周期输入输出特性曲线和气 压一频率输入输出特性曲线。图l - 5 ( a ) 、c o ) 分别是以7 5 0 h p a 为例，得到的温度一 周期输入输出特性曲线和温度一频率输入输出特性曲线。 ( a ) 图1 4 气压一周期，频率输入输出特性曲线f o ) ( a )( b ) 图1 5 温度一周期，频率输入输出特性曲线( 7 5 0 h p a ) 由图1 - - 5 可知，输出量( 周期c 或频率，) 与输入量( 气压p ) 呈非线性关系。 以标定的0 * c 频率数据为例( 如表1 2 所示) ，以( 5 0 0 h p a ，4 7 2 6 2 8 0 h z ) 、 ( 1 0 0 0 l l p a ，5 1 1 9 ，0 5 9h z ) 两点作拟合直线，计算得出7 5 0 h p a 处应是4 9 2 2 6 7h z ， 而实际标定数据是4 9 4 4 2 7 lh z ，两者相差2 1 6 0 2 h z ，而5 0 0 l l p a 到1 0 0 0 h p a 对应频 率相差3 9 2 7 7 9 h z ，从而得非线性度为：2 1 6 0 2 3 9 2 7 7 9 = 5 5 0 ，折合气压的误 差为5 0 0 5 5 0 = 2 7 5 0 h p a ，这远不满足国家气象局规定的气压测量分辨率 o 1 h p a ，准确度士0 3h p a ( 非线性误差远大于规定值) ，何况还存在着温度的交叉 灵敏度( 见图1 5 ) 。因此，在对气压传感器的输出信号处理时，必须要进行非线 性校正，同时还要考虑温度补偿问题。 以上气压测量中非线性校正及温度补偿的任务可由气象站的主处理器完成，但 这势必增加主处理器的数据处理负担，因此我们设计了气压信号预处理系统，即智 能气压传感器系统。该系统对原始信号进行预处理，之后，再把线性的气压信号送 往气象站主处理器。该系统既可以作为自动气象站的气压采集子系统，也可以作为 单要素自动气象站而独立使用。 该智能气压传感器系统应具备如下功能： 1 ) 自动测量的功能。自动测量传感器输出的矩形波信号的周期( 频率) 和温 度信号。 2 ) 自校正功能。因为信号的周期( 频率) 与气压呈非线性关系旦存在对温度 的交叉灵敏度，因此要对原始信号进行非线性校正和温度补偿，以提高测量精度。 3 ) 一定的自诊断功能。在系统出现连接不良等情况下能够自动识别并将信息 发送至上位机。 4 ) 通讯功能。具有数据通信接口，能与自动气象站的主处理器或微型计算机 直接通信。 第二章智能气压传感器系统设计分析 第一节智能气压传感器系统设计要求 根据气象部门的规定要求( 地面有线综合遥测气象仪观测规范，修订本，中国 气象局编定，气象出版社，2 0 0 t 年8 月) ，气压采集系统的分辨率：0 1 h p a ，准确 度：0 3 h p a ，采集速率：6 次分钟( 一分钟共取6 个样本值，取中间大小的4 个值的等权算术平均值) 一周期测量的分辨率 欲使系统分辨率达0 1 h p a ，应按照周期对气压的最低灵敏度来确定周期测量的 分辨率。 表1 1 所有数据中，一3 0 。c 时从1 0 0 0 h p a 到9 5 0 h p a 的气压增量5 0 h p a 对应周期 增量值最小( 周期对气压灵敏度最低) 1 9 6 6 2 8 0 - 1 9 5 3 0 9 9 = 1 3 1 8 1i t s ，折合至 o 1 h p a 的气压增量对应的周期增量( 即周期分辨率) 为： c = 1 3 1 8 1p s 5 0 0 = 0 0 0 2 6 3 6 2 胪 在此处，对应的频率的灵敏度也最低，为5 0 8 5 7 4 5 7 - - 5 1 2 0 0 6 8 2 = - 3 4 3 2 2 5 h z 。 折合至0 1 h p a 频率的变化量为：a f - - - - - 3 4 3 2 2 5 5 0 0 = 0 0 6 8 6 4 5 h z 对于信号周期( 频率) 的测量，经常用两种实现方法： ( 1 ) 直接测量信号的周期。在系统设计中，单片机应用越来越广泛，经常用 单片机的定时计数器测量信号的周期。目前常用的单片机的机器周期鹏数量级， 高速的单片机的机器周期在1 0 4 s 数量级，如果直接用单片机的定时计数器，不能 满足o 0 0 2 6 3 6 2g s 分辨率的要求。 ( 2 ) 直接测量信号的频率。将信号作为单片机定时计数器的外部脉冲信号， 在给定时间内对外部信号进行计数。若满足0 0 6 8 6 4 5 h z 分辨率的要求，定时时间 要超过1 5 秒。按照这种方法，不能达到国家气象局规定的气压采集速率：6 次分 钟。 如果对信号进行分频，扩展信号的周期，将分频后的信号作为门控信号，对较 高频率的信号进行计数，就可以满足对信号周期的高精度测量。 例如，原始气压信号1 2 8 分频后作为门控信号，这样在该信号的高电平对0 m h z 信号进行计数，计数值为，则： 6 4 c = n 6 i t s 其中c 为原始信号的周期，c = n 3 8 4i t s - - n x o 0 0 2 6 i t s ，其分辨率为 0 0 0 2 6 i t s ，可以满足系统的要求。如果将计数信号改为1 2 m h z ，将进一步提高对 原始信号周期测量的分辨率。 二温度测量的分辨率 系统对温度的分辨率，应根据周期c 或( 频率，) 对温度的最高交叉灵敏度来决 定。 从标定数据中知，在气压为4 5 0 h p a 、温度在4 0 - - 5 0 c 时，信号周期对温度的交 叉灵敏度最高，为0 0 0 3 2 2g s ，如果进行温度补偿，则温度测量的准确度为： o 0 0 2 6 3 6 2 0 0 0 3 2 2 = 0 8 2 ( c ) 从标定数据中可知，当温度从3 0 c + 5 0 。c 变化时，温度传感器输出的温度电 压从0 2 6 v 到4 4 7 v ，每1 对应的电压为0 0 5 3 v ( 5 3 m v ) ，且有良好的线性度。 测量温度电压时，其分辨率应为： 5 3 m v x 0 8 2 = 4 3m v 一般的a d 转换器的输入为o 一5 v ，如果采用8 位a d 器，则对电压的分辨率 为： 5 0 0 0 m v r 2 5 5 = 1 9 6 m v 满足测量温度电压的要求。 三通讯接口要求 该智能传感器系统完成对原始信号的预处理，可以作为自动气象站的气压采集 子系统，也可以作为单要素自动气象站而独立使用，这就要求该系统具有通讯接口。 目前常用的通讯接口为r s 2 3 2 串行通讯接口，该系统应具有r s 2 3 2 串行通讯接口。 四e 2 p r o m 存储器 非线性校正算法往往比较复杂，通常由p c 计算机来进行处理，p c 计算机来处 理以后，将有关参数下载至传感器系统。对于谐振简气压传感器，产品性能存在一 定的离散性，对不同的传感器，p c 计算机处理以后的关参数会有所不同。智能传 感器系统中应有不掉电的存储器，目前常用的是e 2 p r o m 存储器，p c 计算机处理以 后的有关参数下载至e 2 p r o m 存储器中。这样的设计避免了对于不同的谐振筒气压 传感器要求不同程序的现象发生。 第二节智能气压测量传感器系统组成 根据以上系统分析及设计要求，传感器系统应有以下部分组成( 见图2 1 ) 。 一原始信号周期测量 利用晶体振荡器，产生1 2 m h z 信号。传感器输出的原始信号经1 2 8 分频( 周 期被扩展) 后作为门控信号，对1 2 m h z 信号进行计数。 由于计数器的位数有限，会有溢出现象。计数器的高位接到单片机的定时计数 器的外部信号端( 该单片机应有定时计数器部件) ，作为单片机系统定时计数器的 外部触发信号，进行计数器的高位扩展。 单片 机最 小系 统 回 二温度信号采集 图2 1 整体框图 将温度电压信号接在单片机系统的a d 转换输入端，单片机通过a d 转换器， 将模拟信号转换为数字信号后，用以进行温度补偿。 三通讯接口 单片机系统应具备串行通讯接口。由于单片机系统的信号电平为t t l 电平 应通过电平转换，将串行通讯信号变为r s 2 3 2 电平。 四e 2 p r o m 扩展 目前流行的e 2 p r o m 接口总线多为1 2 c 总线，单片机系统应支持i2 c 总线。 第三章智能传感器电路设计 第一节p 8 7 l p c 7 6 7 简介 在系统中，单片机是系统的核心，由于单片机系统中要求具有定时计数器、8 位的a d 转换器、1 2 c 总线接口等功能部件，合理选用单片机至关重要。 目前常用的单片机是i n t e l 公司5 1 系列单片机，但该单片机不具有a o 转换 器等功能部件，使用时需要进行电路扩展，使系统设计复杂化。 p 8 7 l p c 7 6 7 是p h i l i p s5 1 系列单片机小型封装系列中的一员，2 0 脚封装， 适合于许多要求高集成度，低成本的场合，可以满足许多方面的性能要求。除了与 i n t e l 公司5 1 系列单片机兼容外，提供了高速和低速的晶振和r c 振荡方式，具有 较宽的操作电压范围，可编程的i 0 口线，l e d 驱动输出，有内部看门狗定时器和 上电、掉电复位功能，具有a d 转换器部件，非常适应于智能气压传感器系统的设 计。 c m p 卯0 0 p 1 7 p 1 6 r s t 伊1 5 v s s x l ，p 2 1 x 2 ，c l k o u 聊2 0 i n t l ，p 1 4 s d a ，i n t q 母1 3 s c u t 0 ，p 1 2 p 0 1 ，c i n 2 b p 0 掣c i n 2 a p o 3 c i n l b a d 0 p 0 4 ，c i n l a ， d l p 0 s ，c m p r e f ，棚 v d d p 0 6 c m p l ， 。d 3 p 0 7 ，r l p 1 蚜x d p 1 1 ，r x d 图3 1p 8 7 l p c 7 6 7 管脚配置 p 8 7 l p c 7 6 7 是2 0 引脚的器件( 如图3 1 所示) ，表3 一l 列出了各个管脚的属 性与功能。p 8 7 l p c 7 6 7 除了与i n t e l 公司5 l 系列单片机兼容外，还具有如下特征： 操作频率为2 0 m h z 时，除乘法和除法指令外，加速8 0 c 5 1 指令执行时间为 3 0 0 6 0 0 n s v 萨4 5 5 5 v 时，时钟频率可达2 0 m h z ，v 。= 2 7 - 4 5 v 时，时钟频率 最大为1 0 m h z 4 通道多路8 位a d 转换器。在振荡器频率户2 0 m h z 时，转换时间为9 3 l s 表3 1p 8 7 l p c 7 6 7 管脚属性与功能 助记符管脚号类型名称及功能描述 p o r t o ：p 0 是一个用户可以定义输出类型的8 位i o 口， p o 锁存器在准双向模式中配置，由u c f g i 中的 l ，1 3 ，1 4 。 i o p r h i 位确定复位后写入“1 ”还是设定0 。p 0 1 6 2 0口由口配置寄存器设定为输出或输入模式，每一位 均可单独设定。 p o 口具有键盘输入中断功能。 p 0 口还可用作如下特殊功能： lop 0 0c m p 2 比较器2 输出 p 0 o 午o 7 2 0ip 0 1 c i n 2 b 比较器2 正相输入b 1 9ip 0 2 c i n 2 a 比较器2 正相输入a 1 8i p 0 3c i n l b 比较器l 正相输入b a d o d 通道0 输入 1 7i p 0 4c 琳l a 比较器l 输入a a d ia 仍通道l 输入 1 6ip o 5c m p r e f 比较器参考( 反相) 输入 a d 2a d 通道2 输入 1 4op 0 6c m p l比较器1 输出 a d 3a d 3 输入 1 3mp o 。7t l 定时，计数器l 外部计数输入或溢出输 出 2 4 8 1 2i o p o r t l ：除了下面说明的三个管脚外，p l 是个用户可 以定义输出类型的8 位i o 口，p l 锁存器在准双向模 式中配置，由u c f g i 中的p r h i 位确定复位后写入1 还是0 。p 1 口由口配置寄存器设定为输出或输入模 式，每一位均可单独设定。 p l 口还可用作如下特殊功能： 1 2o p i 0t x d串行口输出 p 1 o 于1 7 l lip 1 。1r x d 串行口输入 1 0p 1 2t o 定时计数器0 外部计数输入或溢出输 o 出。 s c l 1 2 c 串行时钟输入，输出。为了和1 2 c 格式 一致，当配置成输出时为开漏输出。 9i p 1 3 五i 而外部中断0 输入。 u 0s d a 1 2 c 串行数据输入输出。为了和1 2 c 格 式一致，当配置成输出时为开漏输出。 8i p i 4i 雨前外部中断1 输入。 1 4 p 1 5r s t外部复位输入( 可通过e p r o m 配置选 4i 择) ，低电平复位，使i o 口和外围器 件为默认状态，处理器从0 地址开始执 行，当用作i o 口时，p i 5 只能用作施 密特输入。 p o r t 2 ：p 2 是一个用户可以定义输出类型的8 位i o 口， p 2 锁存器在准双向模式中配置，由 o c f g l 中的p r h i 6 ，7位确定复位后写入1 还是“0 ”。p i 口由口配置寄存 器设定为输出或输入模式，每一位均可单独设定。 p 2 口还可用作如下特殊功能： p 2 o 巾2 1 p 2 0x 2由e p r o m 选择为晶体振荡时，振荡器 7o 输出。 c l k o u t 通过使能s f r 位，连接到内部r c 振 荡或外部时钟输入的频率除以6 后 输出。 6ip 2 1x 1 由e p r o m 选择为振荡器输入或内部 时钟发生器电路。 v s s 5i 地 v d d 1 5i 电源：正常操作模式，空闲模式和掉电模式时的电源。 用于数字功能时，操作电压范围为2 7 - 6 0 9 。 - 4 k 字节0 t p 程序存储器，1 2 8 字节的r a m 。3 2 b y t e 用户代码区可用来存放序列码 及设置参数。 2 个1 6 位定时计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出。 内含2 个模拟比较器。 全双工通用异步接收发送器( u a r t ) 及i2 c 通信接口。 八个键盘中断输入，另加2 路外部中断输入。 4 个中断优先级。 看门狗定时器利用片内独立振荡器，无需外接元件，看门狗定时器溢出时间有8 种选择。 低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。 低电平复位选择与舍得两种电压之一复位，可在掉电时使系统安全关闭。也可 将其设置为一个中断源。 振荡器失效检测。看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡器的 失效检测。 可配置的片内振荡器及其频率范围和r c 振荡器选项( 用户通过对e p r o m 位编程 选择) 。选择r c 振荡器时不需外接振荡器件。 可编程i o 口输出模式：准双向口，开漏输出，上拉和只有输入功能。可选择施 密特触发输入。 所有口线均有2 0 m a 的驱动能力。 可控制口线输出转换速度以降低蹦i ，输出最小上升时间约为l o n s 最少1 5 个i 0 口，选择片内震荡和片内复位时可多达1 8 个i 0 口。 如果选择片内振荡及复位时，p 8 7 l p c 7 6 7 仅需要连接电源线和地线。 串行e p r o m 编程允许对芯片进行板上编程。2 位e p r o m 保密位可防止程序被读出。 空闲和掉电两种省电模式。提供从掉电模式中唤醒功能( 低电平中断输入启动运 行) 。 一时钟电路 第二节单片机的最小系统 p 8 7 l p c 7 6 7 内部具有内置的r c 振荡器，一般情况下不需要外接晶体振荡器。 但是，内置的r c 振荡器具有2 5 左右的误差，在我们的系统中，有串行通讯部件， 该误差会影响波特率的准确性，因此在系统中采取外接晶体振荡器的方式。 p 2 1 、p 2 0 既可以作为一般的i 0 口，同时也可以作为晶体振荡器的连接引 脚，具体应用在对p 8