基于MAX1452的压力传感器校准系统设计

页，共39页DesignofCompensatingSiliconPiezoresistiveSensor’ErrorbasedonMAX1452AbstractThestabilityofnonlineardrifterrorandtheoutputsignalforsiliconpiezoresistivesensors,theMAX1452temperatureconditioningchipcompensationprogram.Describesthesystemstructure,function,datatransmissionandsoftwareforthisdesign,describestheoverallstructureofthetemperaturecompensationsystem,focusingontheMAX1452compensationprincipleandthecompensationofthesensor.TheuseofClanguageprogrammingonthePCsoftware,operationandcontrolofthevisualizationcorecompensationdeviceistheMAX1452.Bythemethodofleastsquarescurvefittingtogetthetemperaturedriftcompensationdata.Thetestresultsshowthatthesensorisafterthecompensation,theoutputsignalinthetemperaturerangeof-40~80°Candpressurehaveagoodlinearrelationship.KeyWords：siliconpiezoresistivesensor，temperatureerrors，MAX1452，Temperaturecompensation

目录1绪论 11.1课题背景及研究意义 11.2国内外研究现状 21.3课题的主要研究内容 42基于MAX1452的压力传感器的硬件研究 52.1系统总体设计 52.2传感器 62.2.1压力传感器选型 62.2.2补偿模块 72.2.3压力测试电路图 92.3控制模块 102.3.1微处理器 102.3.2数据通信接口设计 122.3.3+5V稳压电源模块 162.3.5部分电路的焊接图 183软件设计 193.1软件设计概述 193.2单片机编程 193.2.1流程图 203.2.2主要程序 234传感器的校准及补偿 284.1校准补偿目的 284.2校准补偿方法及步骤 294.3传感器校准补偿数据处理 315结论 36参考文献 37致谢 39

1绪论1.1课题背景及研究意义随着科学技术的不断发展，非电量的测试与控制技术已经越来越广泛的应用。尤其在航天、航海、冶金、能源、生物医学、自动检测与计量等技术领域。而且随着社会的发展，这种技术也逐步渗透到人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是衡量科学技术现代化的重要标志之一[1]。传感器是实现测试与自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获和转换，计算机发展的水平再高，依旧无法进行测试和控制。任何一种传感器在制造、使用时都需要对其设计指标进行一系列实验，以确定传感器的基本性能。硅压阻式传感器是一种广泛应用于工业生产、国防建设和航天测量的基本部件。由于半导体材料组成的硅压阻式传感器普遍存在着：一致性、温漂和非线性等问题，在使用过程中都要进行补偿与非线性矫正。传统的矫正方法是采用温度敏感器件与模拟电路实现。近年来，随着计算机技术日新月异的发展，对于硅压阻式传感器的矫正与补偿都采用微型计算机系统实现，这样的方法具有补偿精度高、工作稳定、体积精巧和传输方便等特点。这种方法组成的传感器信号调理电路也把传感器输出电路与变送器形成一体，即为现今的智能传感变送器。这种智能传感变送器还可以构成网络化测量系统，甚至能很方便的接入Internet网络。据光电行业开发协会(OIDA)做出的最新预测，从2003年到2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年20％的高速度增长[2]。对于传统传感器采用模拟方式对信号在模拟域进行处理，校准与补偿采用激光微调薄膜电阻、电位器等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管等温度敏感元件。所有这些方法存在以下主要缺点：补偿精度受限于传感器的非线性误差和温度特性；补偿器件同样受温度漂移困扰；自动化调理设备价格昂贵；人工调节不但精度不高，而且增加生产成本，不适合批量生产。本设计应用精密的信号调理器MAX1452的调理技术，设计开发了硅压阻式传感器的补偿与标定系统。1.2国内外研究现状传感器的动态校准一直是学术领域一个比较活跃的课题。近十几年来，它从原来主要应用于军事国防领域，逐渐向民用领域转变，使得在这方面研究的人越来越多[3]。对传感器的动态校准，国外相对而言研究的时间较长，涉及的领域也更宽一些。像美国、俄罗斯、德国、印度等，都取得了较高的水平。在国内，特别是近5、6年，一些研究院所和部分大学在该领域都进行了深入的研究，取得了比较令人满意的成果。我国从60年代开始对传感技术的研究与开发，国内在高精度智能化补偿与标定系统研究领域正处于方兴未艾阶段。诸如，南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、航空部304所、合肥智能机械研究所等都在这方面作了一些具体的研究。国外近年来，传感器的信号调理技术发展很快，向着集成化、小型化、智能化和数字化方向发展。典型产品有Motorola公司生产的MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列单片集成硅压力传感器；美国Honeywell公司生产的ST3000系列、ST3000．900／2000系列智能压力传感器；MAXIM公司生产的MAXl450信号调理器、MAXl452型高精度硅压阻式压力信号调理器芯片、MAXl458数字式压力信号调理器等。很多公司推出了在内部集成数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的智能信号调理芯片，可以补偿失调、失调温度漂移、灵敏度、灵敏度温度漂移和非线性等多个参数。这些芯片为开发高性能的补偿与标定系统提供了基础和条件[4]。国内传感器技术的制造工艺技术和专用工艺设备的落后，使传感器的稳定性和可靠性问题长期得不到根本解决，限制了国产传感器的使用范围和可信程序。与国外传感器特别是高技术含量的传感器相比，国产传感器存在较大的差距。经过多年开发，虽然一批工艺和产品取得了科技成果，但是批量生产工艺和稳定性和实用性得不到很好解决。随着计算机、微电子技术的迅速发展和主泛应用，特别是在传感技术中的应用，促使传感技术产生了一个飞跃。智能传感器的出现，就是计算机、微电子等新技术与传感技术相结合的结果。随着近年来通信网络技术、嵌入式计算技术、微电子技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，使得制造大量体积小、功耗低，同时具有感知能力、计算能力和通信能力等多种功能的微型传感器成为了可能，这些传感器可以感知周围的环境，并对数据进行一定的处理，同时可以通过通信部件进行相互通信。智能化传感器网络就是由许多这种传感器节点协同组织起来的[5]。传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息感知和采集的一场革命，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响[6]。2003年2月份的美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，智能化传感器网络被列为第一。美国商业周刊认为，智能化传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。近几年来在美国国防部高级规划署、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下，美国科学家正在对化传感器网络所涉及的各个方面进行了深入的研究。智能化传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端[7]。从而真正实现“无处不在的计算”理念。智能化传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有巨大的应用价值。从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。美国很早就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究，在2003年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元，美国国防部在这方面的投入更为巨大。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作。我国智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于八十年代中期。八十年代末中国国防科技大学、北京航空航天大学、浙江大学等专业院校相继报道了研究成果。九十年代初，国内几家研究机构采用混合集成技术成功的研制出实用的智能传感器，标志着我国智能传感器的研究进入了国际行列。但是与国外的先进技术相比，我们还有较大差距，缺少先进的计算、模拟和设计方法[8]。但是由于传感器网络是一个新兴技术，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.3课题的主要研究内容随着国防工业的不断发展，飞机、导弹等的结构无论在外形、受力情况及边界条件等方面均变得十分复杂。因此对准确参数的测试显得越发重要。用于表面压力监测的压力传感器性能要求相对其他应用有所不同，要求尺寸小、厚度薄、灵敏度和分辨率高、故选MEMS硅微结构压阻式压力传感器。但由于半导体材料的固有特性，普遍存在着零点输出、热零点漂移、热灵敏度漂移和非线性等问题，影响传感器的精确性。因此，必须采取有效措施，减少并补偿这些因素影响带来的误差，提高传感器的准确性。利用低成本精密信号调理器MAX1452对MEMS压力传感器做数字补偿，弥补了传统模拟方式补偿精度受限于传感器误差的非线性，且补偿元件同样受温度漂移等缺点[9]。本设计的主要内容章节安排如下：第一章绪论，介绍了涉及课题的研究背景、意义和现状，补偿系统，以及该设计的主要任务。第二章硅压阻式传感器的硬件设计，分析了现有各种压力传感元件的优缺点，根据课题需要选用小尺寸的传感元件，并设计了相应的补偿电路，详细论述了各参数测试电路原理图。第三章详细的介绍了硅压阻式传感器补偿的软件设计，本课题采用高性能、低价格、小体积的带12位ADC及32KB容量FLASH的8051内核作为微控制器进行数据采集及处理，使系统可靠性、稳定性和实时性都得到了较好的保证。第四章介绍了传感器的校准，采用数字化信号调理技术进行传感器的零点温度漂移补偿，另外，在现有设备基础上改造研究适合于传感器的专用校准设备，设计专用的调试软件对传感器进行辅助调试。2基于MAX1452的压力传感器硬件研究2.1系统总体设计基于半导体压阻效应制成的硅压力传感器在测量过程中要和被测物接触才能得到测量结果。由于被测物体的温度变化会使传感器的压阻系数产生变化，所以压阻效应原理本身会引起传感器输出的温度漂移。同时，由于制造工艺所造成的传感器电桥电阻的不严格对称、桥臂电阻的漏电流以及装配应力等因素[10]。目前，对此类传感器的补偿方案有很多，该系统是针对集成一体化的传感器调理电路方案而设计的一套基于MAX1452温度补偿系统，对硅压力传感器的温度漂移和非线性误差进行补偿与校正。经过试验确定好补偿和校正参数后，MAX1452补偿电路可以在规定温度范围内对传感器进行全自动补偿，以提高测量精度和效率[11]。如图2.1所示系统由4部分组成：上位机、上位机与MAX1452之间的接口模块、MAX1452补偿模块以及硅压力传感器。1是被校正的传感器，2是MAX1452补偿模块，用于对传感器进行温度补偿。3是PIC单片机，作为上位机与MAX1452之间的接口模块，并且单片机通过RS232与上位机4相连，对MAX1452发送的所有命令都由上位机的软件来控制，单片机接收上位机的命令之后对MAX1452进行操作，并将命令发送到MAX1452中。这样，上位机就可以对MAX1452进行控制和数据交换2补偿电路4上位机3接口模块1传感器2补偿电路4上位机3接口模块1传感器RS-232通讯 图2.1补偿系统结构图2.2传感器2.2.1压力传感器选型为满足对系统设计的要求。我们对压电式、电容式、以及压阻式三种基于不同测量原理的微型压力传感器进行比较选型。（1）压电式传感器：基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。具有结构简单、电路简单、工作可靠的特点，但是，因自身所具有的较高噪声电平，不太适合流体力学的检测应用。（2）电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。优点是空间分辨率相对较大，对压力灵敏度高，具备固有的低温度敏感性，并能做到功耗非常低。缺点在于需要具有集成电子设备用于小电容信号的放大，接口电路要安装在紧靠传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响，增加了电路布板的复杂性[12]。（3）压阻式传感器：利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。主要优点是结构简单、输出阻抗低、线性度高、灵敏度高、输出信号是方便使用的电压，存在的主要问题是压阻材料对应力变化和温度变化都极为敏感，即温度敏感性和漂移大，但可以通过温度补偿电路予以补偿。因为压阻式压力传感器具有膜片尺寸小、灵敏度高、结构简单、系统集成性好等优点，所以系统设计选择了SMI公司生产的硅微结构压阻式压力传感器SM5420，其采用惠斯通电桥结构、硅压敏电阻技术和比例输出，应用灵活，结构简单，具有微型化、低功耗、高精度、易配微处理器等优点；采用硅—硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内，用于大多数非腐蚀性气体和干燥空气的测量[13]。SM5420压力传感器有如下特点：超小体积、超低成本；表面安装（SO-8）结构，适用于自动化元件贴装；工作温度：-40℃～125℃；静态精度小于±0.2%FSO；可提供100、200、350和700kPa的绝压量程。SM5420在恒压供电下，采用压阻式传感器工作原理，当压力变化时，引起桥臂阻值发生变化，从而引起电压信号产生变化，这些信号经信号检出电路综合后，形成在幅值及相位上随压力值而变化的电压信号，代表了压力值的大小和方向，产生一个与输入压力成正比的电压信号，用户可通过信号调节电路对其进行放大或增加其附加值以达到自身产品的需求[14]。压力传感器SM5420的内部结构和各引脚如图[15]2.2。图2.2SM5420内部结构和引脚2.2.2补偿模块压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应来进行压力测量，因为具有体积小、重量轻、分辨率高等独特优点，在各行业得到了广泛应用。但由于半导体材料的固有特性，压阻式传感器普遍存在着如下几方面的问题：（1）一致性问题：由于工艺的关系，即使同一批生产的传感器其特性也会有比较大的离散性，为了保证足够的精度必须对每个传感器进行校准[16]。（2）温漂问题：半导体材料对于温度变化很敏感，因此温漂问题在压阻式传感器中尤其显得突出，实际应用中必须采取一定措施对传感器的温度漂移进行补偿。（3）非线性问题：这是普遍存在于各种传感器中的问题，为了便于信号的传送及处理必须对传感器输出信号进行线性化处理[17]。（4）传感器的原始输出信号都比较小，为了获得足够的分辨率或灵敏度，必须进行放大并使输出信号标准化。以上这些问题需要利用适当的信号调理电路加以解决，传统的变送器普遍采用完全模拟的方式对传感器输出信号进行校准和补偿，信号在模拟域进行处理，校准与补偿采用激光微调薄膜电阻、电位器等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管等温度敏感元件[18]。低成本数字可编程器件的出现使得采用数字方式调整模拟函数成为可能，这种技术不对信号进行量化，信号通道还是模拟的，采用数字方式对传感器激励和放大器的增益和失调进行调整，实现高精度的校准和补偿。本课题选用Maxim公司生产的低成本精密信号调理器MAX1452对压力传感器做数字补偿。MAX1452为16引脚SSOP封装，是一款高度集成的模拟传感器信号处理器，优化于工业和过程控制中采用阻性元件的传感器。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，可以逼进传感器所固有的可重复指标。全模拟信号通道不会在输出信号引入量化噪声，利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正，偏移量和跨度可以校准在±0.02%满度之内。用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性。MAX1452的功能框图见图2.3。图2.3MAX1452功能框图通过MAX1452的功能框图可知其包含可编程传感器激励、16级可编程增益放大器(PGA)、768字节(6144位)内部EEPROM、四个16位DAC、一个独立的运算放大器以及内部温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移温度系数(OffsetTC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供灵活性的同时降低了测试成本[19]。本课题中应用MAX1452的基本原理如下：MAX1452主通道为完全模拟量通道，传感器信号的放大、校准、补偿等都在主通道中实现。其通过五个寄存器(ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTCDAC、CONFIG)把数字量转换成模拟量加载到模拟通道上，来具体实现校准、补偿等功能。其中FSODAC、FSOTCDAC寄存器的数字量（0～FFFF）转换成相应的模拟电流值（0～2mA），直接加到惠斯通桥式敏感头电源引脚上，来给敏感头供电，通过此功能可以对传感器的灵敏度（即FSO）进行调整和温度补偿等；ODAC、OTCDAC寄存器的数字量（0～FFFF）转换成模拟电压值，直接加到其模拟通道上，通过此功能可以对传感器的偏置（Offset）进行校准和温度补偿等；另外，模拟通道也可以通过对CONFIG寄存器填入参数来对传感器输出信号进行极性转换、偏置调节以及放大等。传感器正常工作模式下，每1毫秒从EEPROM刷新一次ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTCDAC、CONFIG寄存器，其中ODAC、FSODAC寄存器可通过温度寻址EEPROM来刷新数据，OTCDAC、FSOTCDAC、CONFIG寄存器从EEPROM固定地址来刷新数据；调试工作模式下，通过计算机串口往（MAX1452）五个寄存器中写入数据，来进行实时调试[20]。2.2.3压力测试电路原理图利用2.2.1和2.2.2中所提到的压力传感器SM5420和信号调理器MAX1452组成的压力测试单元原理图2.4。SM5420为惠斯通电桥式压力传感器，压力的变化引起桥臂阻值发生变化，从而引起电压信号产生变化。如图所示，SM5420的Vcc端与MAX1452的电桥驱动BDR引脚连接，GND接地，INP和INM分别与电桥的正输出端+Sig和负输出端-Sig连接，通过配置寄存器可交换二者的极性。VDDF是EEPROM正电源电压，为了抑止噪声，需在VDDF与VDD之间连接一个1kΩ的电阻，VDDF和VDD之间需要连接两个0.1μF电容，中间通过一个47k电阻接地。UNLOCK引脚上使用下拉电阻，使得MAX1452不需要重新布板便能切换到数字模式，完成对压力传感器的在线校准调试。MAX1452外围电阻和电容与其内部的运放构成二阶低通滤波器对信号进行滤波。图2.4压力测试单元原理图2.3控制模块2.3.1微控制器在当今微控制器市场，各种微控制器都有其独有特点，至于具体选择哪种微控制器型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性原则。本课题采用成熟的带12位ADC及32KB容量FLASH的8051内核作为行测试信息管理模块的数据采集及处理微控制器，对传感器信号进行A/D转换、数据处理，然后通过485总线将数据输出。基于本课题对器件体积小、价格低、信息处理速度快的要求，微控制器选用了综合性能较好的SiliconLab公司的C8051F410。C8051F410是SiliconLab公司新近推出的小封装、高性能、低功耗混合信号片上系统型MCU，适合于测控系统、仪器仪表、便携式医疗设备、智能传感器、POS系统、游戏机、电子玩具等众多应用领域。具有体积小、价格低、运算速度快、功能全及微功耗等特点，片内集成外设的很多先进特性可以节省应用代码空间和CPU执行时间，很适合于要求控制器体积小、能进行快速运算的高速实时控制场合[21]。它的内部结构框图如图2.5所示。图2.5C8051F410内部结构框图C8051F410的结构和性能很适合在本课题的行测试信息管理模块中作为控制核心，能满足系统的要求，这主要体现在以下几方面：(1)具有体积小、价格低、运算速度快、功能全及微功耗等特点，很适合于要求控制器体积小、能进行快速运算的高速实时控制场合；(2)它具有多达24个外部输入ADC通道，可编程为单端输入或差分输入，满足带式传感器的多路信号输入采集要求，可编程转换速率最大可达200ksps；(3)具有32KB可编程FLASH，256字节的数据RAM，2048字节外部数据地址空间（XRAM），为移植嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ提供了条件；(4)方便高效的开发环境，FLASH型C8051F410单片机有C2CK调试接口，这种单片机的调试只需一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用的仿真器和编程器，这种高度方式方便、廉价；(5)C8051F410的32脚LQFP表面贴片封装使它体积很小，这正符合系统的微型化小体积要求。它货源充足，价格低廉，也符合系统低成本的要求。本课题在电路设计时，C8051F410中的P1.4～P1.7，P0.0～P0.3，P0.7，P2.0～P2.6均可作为ADC输入，一共16个ADC通道，用于采集的端口接RC滤波器，R为470欧，C为0.01μF。P0.4和P0.5用于串行通信。C2D和C2CK为单片机下载程序、在线调试接口。其他口线则用于控制，满足了系统的硬件要求，电路原理图如图2.6所示。图2.6C8051F410外围电路2.3.2数据通信接口设计串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。

典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：

波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。

数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准

ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同[24]。本课题选用MAXIM公司的MAX232作为总线接口芯片，内部结构如图2.8所示。由于RS-232的逻辑“0”电平规定为+5—+15V

，逻辑板“1”电平规定为本-15—-5V，因此在与TTL电路连接时必须经过电平转换。

电平转换的方法很多，比如：三极管和其他分离元件搭成。也可以直接用电平转换芯片，用芯片，有它的好处，体积小，连接方便，而且抗静电能力强。这里就用常用的MAX232作为电平转换芯片。MAX232的引脚功能说明如下：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。图2.7MAX232及其内部结构图C8051F410单片机有一个全双工的串行口，数据发送端为P0.4(TX)，数据接收端为P0.5(RX)，它们分别与MAX232的驱动器输入端T1in和接收器输出端R1out相连。如图2.9所示。图2.8单片机与MAX232的接口电路2.3.3+5V稳压电源设计由于实际提供的电源不一定是符合设计要求的，所以需要将所提供的电源转换成+5V稳压电源以满足芯片的需要，本设计采用7805构成常用的+5V稳压电源，7805是三端口器件，可以将7V-35V的输入电压转换为5V的输出电压。图2.9+5V稳压电源2.3.4整体的电路测试图将各部分电路测试图连接构成整体的电路图，如图2.10。对整体的原理图用PROTEL99SE做出测试电路的PCB图，如图2.11。图2.10校正电路原理图图2.10测试电路PCB版2.3.5部分电路的焊接图自己动手焊了接口电路，单片机也用了STC89C51的，由于SM5420和MAX1452都只有贴片封装，所以只焊了部分，如果想正常运行，必须要制成PCB板再进行调试。3软件设计3.1软件设计概述硬件电路设计完成后，测试系统能否实现相应的功能还要依赖于软件的实现。系统能否正常可靠的工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不开的。本课题所设计的软件结合采用51单片机C语言完成系统的整个流程控制以及运算处理等工作。3.2单片机编程软件与硬件的有机结合就像人一样。如果硬件是人的身体，那么软件就相当于人的大脑，空有身体，头脑中没有知识或头脑干脆有了疾病，则工作能力就会受到很大限制。因而编制正确、完善的程序，采用合理的算法是至关重要的。硬件电路设计完成后，系统的主要功能将依赖于系统软件来实现。系统能否正常可靠的工作，自动化程度的高低，智能实施控制的能力大小，除了硬件的合理设计外，很大程度上取决于功能完善、算法先进的软件设计。程序的编制过程需要不断地修改、调试、完善，因此结构化好，可读性强的编程风格，有助于缩短开发周期，同时便于日后的维护和改进[25]。作为程序设计人员，要对软件的编制特点有深刻的理解。单片机的程序设计有其自身的特点。首先，单片机系统的系统程序与应用程序密不可分，系统程序与应用程序必须在一起考虑；其次在单片机系统中，硬件与软件紧密结合，软件直接操作硬件，硬件电路的设计不具有通用性，必须根据具体的硬件设计相对应的软件。硬件设计的优劣直接影响到软件设计的难易和质量，软件设计的水平又直接影响硬件功能的发挥。同时，很多时候软件可以替代硬件的功能。单片机的应用一般都是在工业现场，其多数环境恶劣。因此，除了在硬件上提高抗干扰能力外，软件的抗干扰能力、容错能力也必须强。除了以上所述单片机编程的一些特点外，也同样有一般软件的共同特点。首先，应采用合理、正确的算法，以合理的资源耗费实现预定的功能。其次，软件应具有模块化，可读性强，可维护性好的特征。软件的设计按如下步骤进行：（1）分析问题，明确所要解决问题的具体要求，编写任务说明书；（2）根据具体要求，确定软件应实现的功能；（3）根据各功能，确定功能模块，并为每一模块进行接口定义，即输入、输出定义。同时规划监控程序，确定监控程序与各功能模块之间的关系；（4）确定算法，根据不同的功能，选择或设计不同的算法。算法正确与否，直接决定了程序的正确性和能否达到预期的目标；（5）确定数据类型、规划数据结构；（6）分配内存资源，列出RAM资源的详细分配清单，作为编程依据；（7）编程及调试，编制程序时，要根据算法，首先绘制出流程框图，有时甚至需要绘制出多级框图，逐步细化。编制完了还需要对程序进行调试。对Flash型C8051F410单片机来说，有十分方便的开发调试环境，因为器件内部有JTAG调试接口；（8）写入程序，现场试运行。仿真运行正确的程序就可以烧入EEPROM，到现场试运行了。并不是可仿真运行的程序在现场都能运行或完全正确运行。（9）根据现场运行状况，修改硬件和软件，使系统更完善，更可靠[26]。3.2.1流程图根据以上介绍，画流程图和编写C语言程序。程序主流程图如图3.1。如图3.1运行开始时，先将各个寄存器进行必要的初始化，做好准备，将所用到的中断初始化成可用状态，开始读取数据（正，反行程的数据），发送数据进行对比和校准。开始开始初始化寄存器打开中断读取数据串口发送图3.1程序主流程图如图3.2程序开始写入，写入标准的传感器信息，选择进行压力校准或不进行，不进行压力校准，则选择我们设置的检测点进行检测，进行数据采集。选择压力校准，无论正反行程，都先设置检测的检测点，再进行数据的采集。如果数据符合设置的校准要求，则保存数据，校准结束。如果不符合校准要求，则重复上述动作，重新设置压力检测点，再进行校准。重复以上流程，直至符合设计所要求达到的精度标准。开始开始写入传感器标准信息初始化串口选择压力校准设置检测点正，反行程设置检测点数据采集数据采集数据符合要求校准完毕保持数据符合校准要求保持数据结束 YNNNNYNYNY3.2压力传感器校正流程图3.2.2主要程序#include<c8051f410.h>#include"const.h"#include"main.h"bitReceive_Flag;unsignedchar*Receive_Pointer;bitSendOver;unsignedchar*Instruc_Pointer;unsignedchardataRECEIVED_at_0x22;voidCOM1452();voidSerial_Init();voidDecide_1452(unsignedchar*INSTRUC);voidSend_message(unsignedchar*message);externvoidSystem_UARTO_Init();externvoidReceive();externvoidUARTO_Enable();#ifndef_1452COM_VALUE#define_1452COM_VALUE#defineCALIBRATION0x00#defineCOLLECTION0x20#defineWATCH0x10#defineSTRAIN0x40#definePRESSURE0x80#defineTEMPRATURE0x00#defineVIBRATION0xc0#endifunsignedcharinstruction[7]={0x86,0x16,0x39,0x08,0x59,0x18,0x59};voidmain(){WDT_Disable();SYSCLK_Init();System_Port_Init();System_UART0_Init();UART0_Enable();while(1){Decide_1452(Instruc_Pointer); }}voidDecide_1452(unsignedchar*INSTRUC){Instruc_Pointer=instruction;if((*Instruc_Pointer&0x30)==CALIBRATION)//判断指令是否是校准{if((*Instruc_Pointer&0xc0)==STRAIN) { P20=1; Serial_Init(); COM1452(); } if((*Instruc_Pointer&0xc0)==PRESSURE) { P21=1; Serial_Init(); COM1452(); }}if((*Instruc_Pointer&0x30)==COLLECTION)//判断是否是指令集 { if((*Instruc_Pointer&0xc0)==STRAIN) {} if((*Instruc_Pointer&0xc0)==PRESSURE) {}if((*Instruc_Pointer&0xc0)==TEMPRATURE) {} if((*Instruc_Pointer&0xc0)==VIBRATION) {} }if((*Instruc_Pointer&0x30)==WATCH) //判断指令是否是WATCH{ if( (*Instruc_Pointer&0xc0)==STRAIN) { P20=1; Serial_Init(); COM1452(); //UNLOCK0=1，STRAIN 通道可用 } if((*Instruc_Pointer&0xc0)==PRESSURE) { P21=1; Serial_Init(); COM1452(); //UNLOCK1=1，PRESSURE通道可用 } }}voidCOM1452(){unsignedcharn;SendOver=0;n=*Instruc_Pointer&0x0f;//n=数据长度Instruc_Pointer++;while(n>0){if(*Instruc_Pointer==0x59) { Send_message(Instruc_Pointer); Instruc_Pointer++; n--; if(n!=0) { Receive_Pointer=&RECEIVED; } if(n==0) { Receive_Pointer++; } Receive_Flag=1; //Receive信号的设置 Receive();}else { Send_message(Instruc_Pointer); Instruc_Pointer++; n--; } } if(n==0) { SendOver=1; //发送消息成功 }}voidSend_message(unsignedchar*message){ ES0=0;//禁用UART0中断 TB80=1;//第九位设置为1 SBUF0=*Instruc_Pointer; while(!TI0) ; //等一直到发送成功 if(TI0) {TI0=0;}}voidSerial_Init(){ES0=0; TB80=1; SBUF0=0xFF;//初始化串行端口 while(!TI0); if(TI0) {TI0=0;} SBUF0=0x01; //初始化串口 while(!TI0); if(TI0) {TI0=0;}}4传感器的校准及补偿4.1校准补偿目的测量系统的线性度（非线性误差）是影响系统精度的重要指标之一，为了实现传感器的输入—输出特性是一条直线，也就是说在测量范围内传感器的灵敏度是一不变的常数，需要对传感器进行校准和温度补偿[27]。理想传感器的输出量与输入量之间应为线性关系：，其中常数和分别对应于传感器的零点和灵敏度。对于实际的传感器输入、输出之间的关系会受到环境因素（主要是温度）的影响，就是存在着一定的非线性。这样，实际传感器的输入、输出关系可以用下式来表示：(4.1)其中，和分别代表传感器的零点及其温漂；和分别代表灵敏度及其温漂；二次以上的高阶分量代表传感器的非线性。校准与补偿的目的，就是将上式中的和调整在某个精确的值，最大限度消除其中的温漂成分和，并消除二次以上的非线性成分。1．校准校准的目的是将式的、调整在一个统一、精确的值，对于压阻式传感器分别对应于失调和满偏的校准。失调的校准是利用高精度DAC产生一个校准电压，叠加到经PGA放大后的传感信号中，使传感器的零点输出为一个标准的值。满偏输出FSO（也就是灵敏度）的校准分为两步：首先通过数字调节PGA的增益进行粗校；细校是利用DAC调节传感器的激励电流来实现的。恒流驱动时，传感器的灵敏度正比于桥路的激励电流，因此可以通过调节激励电流达到校准灵敏度或FSO的目的[28]。2．温度补偿温度漂移是压阻式传感器最主要的问题，典型传感器的失调及FSO温漂会达到20%～30%左右。而对于电阻应变片来说，温度的变化也会引起电阻值的变化，这样，实际的测量结果就不完全是由于被测构件受力所产生的应变，还包括有由于温度变化带来的虚假应变。因此要获得足够的精度，必须进行仔细的补偿。温度的变化范围可能会很大，而温度漂移又具有非线性，所以MAX1452采用分段线性补偿（多斜率温度补偿）的方法，可以补偿任意的误差曲线。MAX1452用115个线性区段来近似实际的温度误差曲线，115个线性区段的补偿系数保存在内部EEPROM中。温度信号取自桥路的端电压（恒流供电时，桥路端电压与温度有关），用一个12位ADC将转换为数字量并用此数字量去寻址EEPROM，就可得到不同线性区段的补偿系数。从EEPROM取出的失调和FSO补偿系数分别被写入两个16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），而它们的参考电压取自桥路端电压，这样，DAC的输出电压可以表示为：(4.2)补偿系数通过对传感器误差测试数据进行曲线拟和得到。温度测试点越多、曲线拟和精度越高，则补偿精度也越高。但过多的测试点会增加测试工作量，增加生产成本。补偿后的残留误差还与误差曲线的非线性程度有关[29]。3．非线性修正任何传感器都存在非线性。为了信号处理和传输的方便。通常都要进行线性化处理。非线性修正的目的是要消除二次以上的高次项。4.2校准补偿方法及步骤本课题所研究的压力及应变校准补偿均采用数字式信号调理器MAX1452，以下内容以压力传感器为例讲述应用MAX1452进行校准及补偿的原理及步骤。MAX1452的模拟部分包含激励传感器桥的所有信号成分，将传感器的微小信号放大，补偿温度变化引起的偏置误差和灵敏度误差，并为校准提供多路可选模拟通道。其模拟信号方框图如图4.1所示[28]。它主要由6个功能模块构成，各模块功能见表4.1。MAX1452对传感器的校准和修正都是通过改变偏移量（IRO）和可编程放大器（PGA）的增益以及传感器电桥上的激励电压或电流实现的。压力传感器的静态参数校准包括零点和灵敏度校准。MAX1452的校准程序相比起以前的产品来要简化很多。EEPROM查找表里提供的对灵敏度和偏置DAC的校准值，可以有效的隔离校准点上的互相依赖。另外，MAX1452可提供其内部功能的高度可伸缩性和可见性，这样就可以避免校准前对传感器的预测试，从而加快校准过程的速度[29]。图4.1MAX1452模拟信号通道方框图表4.1MAX1452的模拟功能框图功能模块描述桥激励为惠斯通桥式传感器电路提供稳定的电流源激励传感器信号放大将传感器的微伏级微分信号放大为单引脚输出的放大电压偏置及偏置温度补偿设置零点输出电压并在温度变化时维持零点输出电压满量程输出温度系数补偿在传感器和MAX1452的温度变化时保持FSO电压固定多路复用模拟输出为校准需要，允许多路模拟信号在OUT引脚输出温度索引指针内部有一个数字化温度传感器用来索引数字系数阵列利用MAX1452进行校准，由于不同传感器厂商生产的传感器桥路电阻、灵敏度等参数存在很大差异，通常需要在使用前进行常温下的初始校准，以保证MAX1452内部电路工作在线性、可调节的范围内，同时为传感器设定初始参数。校正步骤如下：(1)在室温下对传感器施加最小压力；(2)调整FSODAC的值，将MAX1452桥路驱动电压Vb调整至约2.5V；(3)调整IRODAC的值，将PGA模拟电压输出Vo粗调到0.2V～1.0V的范围内；(4)调整OFFDAC的值，将PGA模拟电压输出Vo进一步细调至约0.5V；(5)对传感器施加最大压力，测量此时的PGA模拟电压输出Vfs；(6)计算理想桥路驱动电压Ideal_Vb，即：Ideal_Vb=期望达到的FSO×Vb/(Vfs-Vo)(7)如果Ideal_Vb的值小于1.5V或大于3.5V，则增大或减小PGA增益后从步骤（1）重新开始校准；(8)如果Ideal_Vb的值在1.5V～3.5V的范围内，则将环境压力恢复为最小值；(9)调整FSODAC的值，使实测的桥路驱动电压Vb=Ideal_Vb；(10)调整FSODAC的值，使PGA模拟电压输出等于要求的失调；(11)将数据写入EEPROM。4.3传感器校准补偿数据处理根据课题要求的测量范围，首先设定全量程需要检定的等间距压力点，然后使用压力泵给真空罐内从零点等间隔加压，当压力达到检定点值并持续稳定一段时间后，数字精密压力表上显示的数值稳定后，记录数据并保存；之后，开始进行下一个标定点的测试，当压力达到设定的最大测量值后，压力泵开始等间隔的卸压，直至回到零点，从而完成了一个循环。多个循环结束后，由计算机对数据进行处理，得出标定曲线与所需的结果[30]。1标准曲线的确定在系统整个测试量程内取m个测试点，并进行n次循环测试，各测试点的正、反行程测试值得算术平均值，分别按下式计算：(4.3)(4.4)式中—正行程第i个测试点第j个测试输出值—反行程第i个测试点第j个测试输出值分别由、所连接的曲线成为正行程校准曲线和反行程校准曲线。各测试点的正行程和反行程测试值的算术平均值为：(4.5)由所连接的曲线称为该系统的校准曲线。2．标定曲线的确定（1）端点连线方程可用下式表示：(4.6)式中—测试物理量上限值；—测试物理量下限值；—测试上限处测试输出值的平均值；—测试下限处测试输出值的平均值；—测试系统在测试范围内的物理量值（2）计算各测试点的正、反行程算术平均值与端点连线方程的差值：(4.7)(4.8)从上两式的数据中，找出最大的正偏差和最大的负偏差，则端点平移线的截距a按下式计算：(4.9)端点平移线的斜率与端点连线的斜率相同：(4.10)系统的工作直线为端点平移线的方程：(4.11)（3）满量程输出值系统工作直线的上限值与下限值之差的绝对值为系统的满量程输出值：(4.12)（4）误差①重复性误差：按下式计算各测试点上正、反行程子样标准偏差：（4.13)(4.14)测试传感器在整个测试范围内的标准偏差为：(4.15)测试传感器的重复性误差表示为随机误差的极限值，按下式计算：(4.16)②用端点平移线为工作直线的校准系统，其系统误差即线性度，是传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，按下式计算：(4.17)线性校准系统的基本误差，即不确定度为：(4.18)在绝压-100kPa～100kPa的测量范围内选取10个压力点，进行3次循环（正行程、反行程）实验。压力标定实验的实验数据如表4.2表4.2压力标点实验数据电压（V）压力（kPa）第一次循环第二次循环第三次循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程-80.30.263420.265010.258000.257990.263550.26564-62.80.444590.443110.445590.445240.452530.46114-43.80.667990.664100.657890.667830.655980.64897-28.20.831230.821020.840010.824220.812310.8243101.137881.139981.152351.142341.136791.1445620.31.360011.355601.336741.348921.356311.3671241.61.621111.631101.612431.612451.621181.6124362.91.843451.833451.833431.834251.842561.8342582.72.060112，039982.050012.042452.053622.0435699.72.191222.180012.156752.135462.124592.2467510个输入压力值对应的正行程输出电压值的算术平均值记为y，反行程输出电压值的平均值记为y1，正行程和反行程的算术平均值记为y2。由y2形成的曲线称为校准曲线，应用EXCEL进行校准曲线拟合，如图4.2所示：图4.2EXCEL拟合曲线所得拟合曲线的方程式y=0.0108x+1.1345端点连线方程为：表4.3标定数据处理10.262212-0.000210.00028620.449-0.00232-0.0017730.6484520.0077360.00651140.8120230.0144920.01148451.1106730.0336920.03449261.3259540.0262010.03066871.5486230.06710.0701881.7734010.0465740.04108991.9834060.0669060.064259102.163862-0.000460.000363经计算得：，代入的方程为：满量程输出值为：系统的标准偏差为：S=0.00329重复性误差为：线性误差为：不确定度为：5结论本文设计的校准系统经过硬件的设计和软件的初步调试之后，运行稳定、可靠。对大量测定的数据进行误差分析后，它的功能和性能指标达到了设计的基本要求。基于MAX1452的硅压力传感器温度补偿系统有以下特点：改进了传感器补偿的方法，提高了补偿的精度和