本科毕业设计（论文）-硅压阻式传感器智能补偿与标定系统的研究

东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计（论文）PAGEPAGE32科生毕业设计（论文）摘要近年来，污水处理行业自动化水平的快速提高，使污水处理厂的自动控制系统已成为污水处理稳定运行的关键。而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水控制系统中的应用，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统和介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。在污水处理中采用PLC控制系统改造后，保证了污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行，提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，实现了污水处理厂生产管理的科学性。关键词：污水处理；PLC；自动化控制系统,PAGEIAbstractPiezoresistivepressuresensoralwaysfacesallimportantproblemoftemperaturecompensationwhichrestrictsitsapplicationsbecauseoftemperatureinfluenceOilsensor’ssensitivityandmeasurementprecision.Therefore,itisasignificantprojecttoresearchtemperaturecompensationforpiezoresistivepressuresensor.Firstofall,stateofartsonthistopicisreviewed.Somecompensationmethodsareanalyzedandtheirprinciplesarethensummarized.Thetechnologyaboutmodemsignalconditioningwhichwillbeusedinthispaperisalsointroduced.Thesmartsensorformeasuringpressuredesignedinthispaperhastheadvantagesofsmallsize,lowcost,higherperformanceandresponsespeed,andhigherlevelofintelligence.Afterdebuggingthesoftwareandhardwareofthesmartsensorthroughemulation,theresultshowsthatitsperformanceisperfect.Soweexpectthatthesmartsensorcanhavebroadfutureapplicationsinmanymeasuringandcontrollingsystemsforpressure.Keywords：piezoresistivepressuresensor;temperaturecompensation;MAX1457目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 11.1引言 11.2设计目的及其意义 21.3传感器的发展状况 3第2章压阻式传感器 42.1传感器的定义与作用 42.2传感器的特性 52.3压阻式传感器的基本原理 62.4压阻式传感器的特点 72.5压阻式传感器的温度补偿 82.6本章小结 11第3章硬件设计 123.1补偿与标定系统的框图 123.2MAX1457电源电路 123.3并口通信电路 133.4压阻式压力传感元件 153.5串行通讯的实现 173.6本章小结 18第4章软件设计 194.193C66的操作 194.293C66的管脚描述 194.393C66的工作模式 194.4MAX1457开发系统设计 234.5MAX1457补偿步骤 244.6本章小结 26第5章性能测试 275.1测试内容 275.2测试结果 275.3本章小节 29结论 30参考文献 31致谢 32第1章概述1.1引言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[1]。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：(1)补偿精度受限于传感器的非线性误差和温度特性；(2)补偿器件同样受温度漂移困扰；(3)激光微调或其它自动化设备价格昂贵；(4)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。对传感器普遍认可的定义是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。简单的说，能把被测非电量信息转换为电信号输出的器件或装置称为传感器。因此，传感器的定义包含着三层含义：(1)传感器是一个测量装置；(2)在规定的条件下感受外界信息；(3)按一定规律转换成易于传输与处理的电信息。传感技术早已渗透到工业生产，军事国防，宇宙探测，海洋开发，环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，文物保护，安全防范，家用电器等及其广泛的领域。因此，从茫茫太空到浩瀚的海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，21世纪的社会，将是充满传感器的世界。传感技术知识密集程度甚高，边缘学科色彩极浓，涉及的学科与领域十分广泛，制造技术复杂，工艺难度大，具有品种繁多，应用广泛等特点。

1.2设计目的及其意义目前，传感器可以检测物理参数，但是我们要用传感器做什么，通常，传感器技术分为俩个不同领域。一是信息采集，二是控制系统。近年来，传感器技术得到了迅速发展，其速度超出了大多数工程师和科学家的预料。我们发现很多在十多年前很少看到或只是在实验室的新的复杂装置已经出现在广大的家庭、车间和很多其他场合。传感器技术应用日益广泛的主要原因，是随着计算机和微处理器的发展，它可以用作复杂的、柔性的而且低成本的控制器。然而，如果不能给计算机的控制决策程序提供适合的、不断更新的、高质量的、关于外部系统状态的准确信息，那么直到今天这种系统的工作仍是很糟糕的。一旦这种信息通过传感器采集，并以预期的形式得到调制处理，那么就可以输入到计算机系统进行及时的处理并产生一个适当的响应。传感器系统的所有元件必须满足控制质量要求的性能水平。如果其中一个元件低于标准，就可能导致整个装置受到影响。在温度、液位、角速度、压力以及其他传感器的应用中，我们可以领会到传感器的重要性及其应用的广泛性。在当今世界上，传感器应用非常普及，人们已司空见惯。压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。压阻式压力传感器的一个主要问题是温度补偿问题，由于温度会对传感器的灵敏度及测量精度产生很大的影响，在相当程度上限制了压阻式压力传感器的使用，对传感器进行温度补偿显的尤为重要。应用信号调理芯片是现代常用的一种补偿方法。本论文应用智能化的模拟数字混合信号调理技术，采用MAXl457，开发出了一整套温度补偿系统，经调理后的传感器综合误差不超过0.1％。MAXl457是一种专用传感器信号调理芯片。此芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差。论文首先介绍了MAXl457芯片的结构、及相关数学公式推倒，分析了芯片的设计思路在结合压力传感器自身特点的基础上，深入分析了补偿思想，分析了能够实现高精度补偿的原因，设计了单路补偿模块，并成功地开发出了多路补偿系统，论文中介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码。1.3传感器的发展状况随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行各业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。我国地大物博，人口众多，对能源的需求量很大，但我国人均能耗低于世界水平，而单位产值的能耗却为发达国家的二倍。这在能源供应动荡不安的今天，应该引起人们足够的重视，同时也说明我国节能潜力很大，应该努力寻求节能的新途径。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。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、MAXl457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。在高度发展的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为人所共知的发展趋势，而它们的共同要求是必须建立在有着不断发展与提高的信息工业基础上，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。人们只有从外界获取大量准确，可靠的信息后，经过一系列的科学分析，处理，加工与判断，进而认识和掌握自然界与科学技术中的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统与方法加以实现科学实验研究与生产过程的高度自动化。换言之，工业生产过程的现代化面临的第一个问题是必须采用各种传感器来检测，监视和控制科学实验与生产过程的各个静动态参数，使设备与系统以及科学研究工作能正常运行和处于最佳状态，从而保证科研工作的成功与生产的高效率，高质量。所以，进行信息采集的传感器技术是重要的前期基础工作。此后，才有后期的信息分析，处理加工技术问题。第2章压阻式传感器2.1传感器的定义与作用在国家标准GB/T7665--1987《传感器通用术语》中，传感器的定义为能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分[2]。在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理，传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据。一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中要获取的信息，都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。本文中所研究使用的是压阻式传感器。压阻式传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使硅压阻式传感器的迟滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器等。它在生物，医疗，航天，海洋工程，原子能等各种尖端科技和工业领域等都有着广泛的用途。这类传感器具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。早期的压阻传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；20世纪70年代以后，研制出周边固定的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器，它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。它易于批量生产，能够方便的实现微型化，集成化和智能化，因而它成为受人们普遍重视并重点开发的具有代表性的新型传感器。2.2传感器的特性传感器的输入输出关系特性是传感器的基本特性。从误差角度去分析输入输出特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输入输出特性是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切的关系，而且测量误差也是与其内部结构参数密切相关的。传感器所测的物理量有两种形式，一种是稳态(静态或准静态)的形式，这种信号随时间变化很缓慢。另一种是动态(周期变化或瞬态)的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量的不同，传感器所表现出来的输入输出特性也不同，因此也就存在所谓静态特性和动态特性。2.2.1静态特性传感器的主要静态性能指标。线性度、灵敏度、迟滞、重复性、温度系数等[3]。量程：在规定的测量特性内，传感器在规定的精确度范围内所测量的被测变量的范围，其最高值与最低值分别称为上限与下限，上限值与下限值的代数差就是量程。线性度：线性度又称非线性，是表现为传感器输出输入的实际标定曲线与理论直线(或拟合直线)的不一致性。灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出量与被测输入量增量之比。迟滞：迟滞特性是反映传感器正反行程过程中，输出输入曲线的不重合程度，也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号的大小却不相等，这就是迟滞现象。实际评价用正反行程输出的最大偏差与满量程输出之比的百分比来表示。重复性：在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，它们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。重复性可由一组校准曲线的相互偏离值直接求得。分辨力：分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。有时对该值用满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。零点时间漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点输出信号与时间的变化特性，称为传感器零点时间漂移，简称零漂。传感器的零漂一般按48h内输出信号的变化来度量。零点温度漂移：传感器的零点输出随温度而变化的特性，称为传感器的零点温度漂移。一般常用环境温度变化10°所引起的输出变化相对于满量程的百分比表示。在实际使用中，时间漂移与温度漂移是同时存在的。灵敏度温度漂移：传感器的灵敏度随温度变化而变化，它反映温度变化对传感器输出信号影响的大小。一般用温度每变化10°而引起传感器的相对变化来表示。2.2.2动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说，总是希望传感器的输出随时间变化的关系能重复输入量随时间变化的关系，但实际上除了具有理想比例特性的环节以外，输出信号将不会与输入信号完全一致。这种输出与输入之间的差异称为动态误差。通常把传感器看作一个线性不变系统，用常系数线性微分方程来描述。anZ=bmxd式中an，an-1，…，a0和bm，bm-1对一个复杂的系统，严格地求解上式的微分方程是困难的。因此在工程控制和信息论中通常采用一些能反映系统动态特性的函数将输出和输入联系起来，如传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等。2.3压阻式传感器的基本原理随着半导体技术的发展，压力传感器已向半导体化和集成化方向发展。人们发现固体受到作用力后电阻率就要发生变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受压力时，它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器就是利用固体的压阻效应制成的，压阻式传感器主要用于测量压力、加速度、负荷等参数。压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量传感元件，称为粘贴型压阻式传感器；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，称为扩散型压阻传感器[4]。任何材料电阻的变化率由下式决定。△RR=△ρρ式中，R一导体的电阻(Ω)；p一导体的电阻率(Ω·㎜²/m)；l一导体的长度(m)；s一导体的截面积(㎜²)。

2.4压阻式传感器的特点压阻式压力传感器的最突出的优点是灵敏度高、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变小，适于动态测量；其缺点是受温度影响大，重复性较差，下面细化一下[5]。(1)优点①频率响应范围宽，固有频率很高；②体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感元件可做得很小；③精度高、灵敏度高；④由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强以及可以在恶劣环境下工作的优点。(2)缺点①由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿；②制作工艺复杂。对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装工艺等比其它传感器要复杂的多，因而成本较高。传感器技术发展的主要趋势，小型化，集成化，智能化。在集成电路部分制成一些微处理器，使得其具有记忆，思维，判断，处理的能力。采用硅弹性材料、半导体工艺和微机械加工技术的扩散硅压力传感器，除了灵敏度高这一优点外，还具有体积小、重量轻、成本低等优点，在各行业中得到了广泛的应用。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；(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；(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。

2.5压阻式传感器的温度补偿压阻式传感器由于有很多优点，因而发展很快，但是温度误差却是这类传感器发展中的一个需要解决的问题，所以在使用压阻式传感器时需进行温度补偿。温度补偿有硬件补偿和软件补偿两种方式。硬件补偿就是在传感器桥臂附加串并联电阻网络达到消除或减小温度影响的目的，而软件补偿就是利用微机或单片机系统对实时采集的数据进行综合修正达到消除和减小温度的影响。压阻式传感器采用硬件温度补偿对电阻补偿网络的要求较高，而且还涉及到电阻条的扩散工艺，其补偿效果是与硬件成本成正比的。随着微型计算机和大规模集成电路技术的迅速发展及其成本的下降，测量仪器向数字化发展并与软件相结合是一个主要的发展趋势。而MAXl457把软件和硬件补偿相结合，把校准和补偿系数存在E²PROM内，传感器的电桥电压反映传感器温度的变化，此变化的电桥电压经过信号调理芯片内部的ADC转换后作为地址参数，读取E²PROM中相应的校准和补偿系数，驱动DAC输出的模拟电压，对压阻式传感器进行实时校准和补偿。同时上位机通过并口读写校准和补偿系数，并获得传感器的电桥电压和经过补偿后的传感器输出电压[6]。2.5.1温度补偿的意义在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零点漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使4个桥臂电阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度。压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。2.5.2温度补偿的方法在这个领域，有多种多样的补偿方法，根据自身的需要和要求，各有优缺点。有根据电桥特性，进行补偿的传统方法，现在越来越多的是采用适当的调理芯片进行补偿。压力传感器是利用在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥，其原理是当不受力时。电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力的作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压，电桥输出的电压与压力成比例。由于温度的影响，四个电阻的阻值变化值有可能不同，将使传感器的零点发生漂移。传感器的零位漂移可采用在电桥电路中串联，并联补偿电阻的方法来解决。如图2-1，并联的电阻Rp为负温度系数的热敏电阻，主要用来补偿零位温度漂移，串联的Rs用来调节零位输出。很多的补偿方法是从其制作工艺去考虑，类似补偿方法主要采取自补偿法，其中包括一元件法和二元件法。有的方法是从掺杂浓度来考虑，这些在相关文献中都有报道。RSRUR1R3RPU图2-1补偿原理图2.5.3常见的补偿方法在一些的论文中，最常见的一种是采用模数转换器(ADC)，对传感器进行温度补偿。电路工作原理，温度测量电路是由温度传感器，运算放大器，桥路及数模转换器等组成。如图2-2，Rt为热敏电阻，不同的温度产生不同的电压信号，此信号送至ADC0809，而运放的同相输入端将电桥所产生的电流信号转换成电压信号，送到数模转换器的基准电压输入端，利用此基准电压来消除零点温度产生的误差信号。此电路的实质是当电桥的输出电压发生微小变化时，其输出到ADC的基准电压也发生变化。大多数温度传感器的温度系数是负值，而电阻温度系数是正值。两者的绝对值非常接近。VCCD0D1D0D1VinD7VrefRt R2ab Digitaloutput R3 R1 Rf+-图2-2采用A/D补偿原理图在这里是利用了TCR(电桥阻抗温度系数)和TCS(灵敏度温度系数)的绝对值相等这一理想条件，但在实际当中，有一定的误差。而后用MAXl457修正时，考虑到这一情况。也有相关采用A/D转换器进行温度补偿，补偿思路类似，也都是从电桥本身获得温度电压。可以将补偿电阻网络与A/D转换电路相结合使用，理想情况下，从电路上可以将温度的误差项彻底消除[7]。但这些是对平衡电阻的分析不够，运放本身的输入漂移电压和漂移电流而引起的误差也没有考虑。在其它补偿方法中，也多以增加串联，并联电阻为主，通过预先测得的变化曲线调整阻值的大小，或建立数学模型，推导出合适的公式。2.5.4现代补偿方法有一种单片机智能控制系统，摒弃了传统的方法，是将传感器的输出电压Us去掉其零点温漂电压Ut，作为最后的输出Uo=Us-Ut，此系统中包括压力传感器及温度传感器，分别将其放大，并有A/D及单片机系统。单片机计算及其显示小系统A/D转换部分压力传感器及其放大单片机计算及其显示小系统A/D转换部分压力传感器及其放大温度传感器及其放大温度传感器及其放大图2-3原理框架图系统中的单片机采用8031作为主处理芯片，外接程序存储器和数据存储器。传感器工作时，在单片机的控制下，首先将A/D转换通路接通温度传感器，依次测出的温度数据，查出预先存储在RAM中的对应于此温度的补偿值Ut，然后控制A/D接通压力传感器通路，测出此时的压力传感器输出电压Us，减去Ut，得到最后结果。这种方法的实质是根据温度传感器的采样值，进行查表，将对应于此温度的补偿值Ut提出，后测出Us求出Uo。而此方法中的放大电路的元件并没有考虑其温度特性，此方法主要针对的是零点漂移，没有对传感器的灵敏度进行考虑，因而精度不会太高。这种方法已经表达出一种补偿思想，就是将压力信息和温度信息都要考虑，还有一点就是预先存储参考值。以及从桥臂获得温度信息，即作为测压元件又作为温度补偿元件的测量方法。这些都摒弃了传统的方法，为以后方法的改进提供了好的思路。也有采用PN结的特性对硅压传感器进行温度补偿。其实质也是调整外部电路，修正电路的电阻值。这需要对每个传感器不同的温度特性进行实验，并且成本高，只是阻值的计算方法上有所改进。正如前所述，对压阻式传感器的温漂的补偿，国内外的许多科技人员做了大量的工作，也取得了很大的进展。但是这些方法中许多都存在着精度低，成本高，不能实时补偿等缺点。针对上述情况，美国的MAX公司成功地开发了一种传感器的补偿芯片—，MAXl457。此信号调理芯片以消除传感器因温漂引起的固有的可重复误差，提高传感器的测量精度，使传感器的误差控制在0.1％以内。2.6本章小结本章简要说明了对压阻式压力传感器的特性和基本原理，并且给出了温度补偿框架图，对压力传感器的补偿方法作了简要介绍。第3章硬件设计硬件的研究与设计是论文工作的重要组成部分，首先进行方案论证确定系统的结构和框架，并对各部分的硬件电路和逻辑进行详细的研究与设计，完成硬件电路的设计[8]。然后根据设计结果绘制详细的原理图和PCB图，并在制作好电路板后进行硬件调试，发现问题并解决问题，为软件的设计做好基础。3.1补偿与标定系统的框图MAX1457上位机PC计算机并口E²PROM(93C66)MAX1457上位机PC计算机并口E²PROM(93C66)硅压阻式传感器A/D转换A/D转换（MAX140）1）图3-1补偿与标定系统的框图补偿与标定系统的信号调理电路是以MAXIM公司生产的MAXl457为核心；数据采集电路以MAXl401为核心，用来采集传感器的桥压和MAXl457的输出电压。根据向导式的补偿步骤通过并把补偿和修正系数写入E²PROM，在某个特定温度点MAXl457载入相应的补偿系数对硅压阻式传感器进行补偿与标定。3.2MAX1457电源电路为了确保精度，需要保证MAXl457的电源电压的精度，因为MAXl457的电源电压是失调DAC(OFSTDAC)和灵敏度DAC(FSODAC)参考电压。这里采用了AD586给MAXl457提供精密5V电源电压。AD586MN的工作温度为0℃～70℃，温漂为2ppm/℃，输出电压范围为5.000V+2mV，输出噪声非常低。精密5V电源电压电路如图3-2。88NRTP88NRTPTPVINVOUTTPTRIMGND17 26 35454图3-2精密5V电压电路图3.2.1MAX1457与E²RPOM的接口电路MAXl457本身具有与SPI/MicroWire兼容的串口，而E²PROM采用的是ATMEL公司的AT93C66，它采用了三线串行总线结构[9]。两者的连接图如图3-3。228193C662281VDDCSVDDCSSKORGDIVSSDOESCECLKEDIEDO21721726 32019451945图3-3MAX1457与E²RPOM的连接图3.3并口通信电路PC机都带有一个标准的并行打印口用于连接打印机，实际上它还是一个并行通讯口，可与任何符合该通讯标准的设备相互通讯。本论文中，PC机通过打印机并口读写E²PROM并对MAXl457进行控制。并行打印口的针脚功能表如表3-1。打印口共有三个寄存器接口。378H数据口、379H状态口和37AH控制口。表3-2给出了这三个端口的位数与针脚的对应关系。(1)378H数据口是PC机向打印机发送数据的唯一出口，该口有八条线，而且只能输出，不能输入。(2)379H状态口是打印机返回给PC机的联络信号，用于反映打印机的当前状态。该口共有五条输入线，位数为D7、D6、D5，D4、D3。其中D7为负逻辑，即外部输入低电平，读入为高电平。(3)37AH控制口是PC机向打印机发出打印控制命令的端口。它有四条线，与数据口一样只能输出，不能输入，位数为D3、D2、D1、DO。其中除D2外，其它三位都是负逻辑，即送出高电平输出为低电平。表3-1并口打印口的针脚功能表针脚功能针脚功能1选通端，低电平有效10确认，低电平有效2数据通道011忙3数据通道112缺纸4数据通道213选择5数据通道314自动换行，低电平有效6数据通道415错误，低电平有效7数据通道516初始化，低电平有效8数据通道617选择输入，低电平有效9数据通道718-25地线表3-2并口地址的位数与针脚对应表并口地址D7D6D5D4D3D2D1D0378H98765432379H111012121537AH1716141并口的引脚电平为TTL电平，而E²PROM的引脚的电平也是TTL电平，无需电平转换，通讯非常方便。但是为了防止并口与E²PROM互相干扰和驱动对方的能力不够，中间加入了74HC244作为缓冲和隔离。PC机读写E²PROM时，需要拉低MCS信号，使得MAXl457处于空闲状态，以免干扰PC机对E²PROM的读写。所以MCS信号也与并口相连接，使得PC机能够控制MAXl457。

3.4压阻式压力传感元件传感元件位于传感器系统之首，被测压力量需由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本课题对传感元件的要求是体积小、成本低、准确度高、可靠性好。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，它利用液柱高度差或弹性元件的形变来指示压力，其主要的问题是，尺寸大，份量重和不能提供电学量输出等。随着半导体技术的发展，压力传感器呈现出半导体化的趋势。半导体压力传感器的发展过程中，早期曾出现过压敏晶体管器件(三极管或二极管)，其封装较为困难，而且容易失效。压阻器件是目前应用最广泛的半导体压敏传感器，并且由于综合运用MEMS工艺与集成电路工艺，半导体压阻传感器小型化、集成化提供了可能条件，现阶段对压阻材料传感器的研究十分活跃。目前主要的压阻材料是硅材料，应用最为广泛的是压力传感器，桥式压阻传感器在相当的时间里都被作为压阻传感器的标准电路形式，与之相适应的各种调节电路也同趋成熟。本系统采用利德电子有限公司的87型(超稳定)压力传感元件，这种压阻式硅压力传感器具有体积小、结构简单轻巧、性能可靠及低功耗等特点，智能压力传感器系统采用它作为压力传感元件，有利于降低成本，简化系统结构[10]。智能压阻压力传感器组成，作为主传感器的压阻压力传感器用于压力测量，温度传感器用于测量环境温度，以便进行温度误差修正，两个传感器的输出经前置放大器放大送至多路转换器，多路转换器根据单片机发出的命令fl1选择一路信号送至A/D转换器，A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号送人单片机，单片机根据已编制好的程序对压阻元件非线性和温度变化产生的测量误差进行修正。3.4.1结构该传感器为一种微型压阻式硅压力传感器，为克服传统压阻压力传感器的不足，设计出一种智能型压阻压力传感器。根据智能传感器的系统组成和应用范围，在充分考虑各元器件之间连接的参数配合的基础上，选择实用性好，可靠性高，成本低的元器件组成整个测量系统，该系统在单片机的控制和处理下，同时具备温度和压力参数的自动测量、放大、MD转换和结果显示，而且具有自检、自动补偿和现场通讯等功能。它专为OEM应用而设计，与腐蚀性介质兼容。传感芯片安装在TO型的敏感头上，在封装上焊着一层316不锈钢盘旋膜片，在膜片和传感器元件之间密封了适量的硅油，ISO压力外壳利用硅油压力从316不锈钢膜片上串递到压阻元件上，其结构如图3-4。44（-）（-）55r3r3++II66（+）-2（+）-2图3-487型（超稳定）压力传感元件结构3.4.2性能参数表3-3列出了87型(超稳定)压力传感元件在电源电流为1.5mA，室温是25℃条件下的性能参数。表3-3压力传感器性能参数参数最小最小最大单位备注满量程75100125mV1零压失调-101mV压力非线性-0.250.25±%量程2压力迟滞50μV输入输出电阻200027504000Ω温度误差-满量程-0.75+0.75±%量程3温度误差-失调-0.75+0.75±%量程3热迟滞-满量程0.05±%量程3热迟滞-失调0.05±%量程3供电电流mA表3-3中列出了87型(超稳定)压力传感元件在电源电流为1.5mA，室温是25℃条件下的性能参数。其中所有的3000psi和5000psi的测试点为2500psi，最佳直线温度范围为-20℃～+85℃。输出电阻可以减少因输出负载引起的测量误差，在外壳和传感器敏感元件之间。3.5串行通讯的实现电压信号经微处理器处理后，传送到其他的PC机，以便达到实时监控的目的。以微处理器为主体构成的分布式数据采集和控制系统，因为其电路结构简单，工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的微处理器产品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通过RS-485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台微处理器系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服微处理器的不足，引入了主机，采用主从式结构模式，即PC机为主机，分布在现场的各个微处理器系统为从机。主机串行采用标准的RS-232口，根据标准的规定，RS-232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20米以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，RS-232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是RS-485收发器。RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故传输信号在千米以外得到恢复。在该设计中，使用TI公司的RS-485接口芯片75LBCl84，它使用单一电源，电压在3.5-5V范围内都能正常工作，能完成TTL与RS-485之间的转换，本系统的通信接口电路如图3-5。该芯片与普通的RS-485收发器的性能相比，有一个显著的特点，那就是片内有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为400W(典型值)的过压瞬变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证在接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS-485标准输入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在总线上连接64个收发器。RXDR14RXDR14U3U3TXDTXDTXDTXDRS485ARS485BRS485ARS485BRBREDEDAR14R14REDEREDEREDEREDERXDRXDRXDRXDR1510K图3-575LBC184接口电路原理图实际应用中，由于大多数普通PC机只有常用的RS-232串行通信口，而不具备RS-485通信接口。因此，为了实现RS-485协议的串行通信，必须在PC机侧配置RS-485/RS-232转换器，或者购买适合PC机的RS-485卡。由于后者价格较高，且一般带有厂方编写的驱动程序，软件程序员还需要了解相应的应用函数，增加了调试的难度。为了避开采用RS-485通信协议的上述问题，我们决定自制RS-485/RS-232转换器来实现传感器与上位机之间的通信[11]。3.6本章小结本章分析了系统主要硬件的组成部分，并对系统的主要原器件的电路和特点进行了介绍，重点讨论了MAX1457电源电路和并口通信电路，并介绍了压阻式硅压力传感元件的特点，并给出了传感器的电路原理图和RS-485/RS-232转换原理图。第4章软件设计软件的功能是通过向导式补偿步骤获取传感器的失调系数、失调温度系数、灵敏度系数、灵敏度温度系数，把这些系数保存在E²PROM中。因此软件设计包括，并口通信模块、数据采集模块和向导式补偿步骤模块。4.193C66的操作计算机与MAXl457的通讯主要通过93C66进行。93C66相当于一个中继站，它存储了补偿参数。MAXl457通过载入E²PROM中数据可以完成对传感器的补偿。因此软件对93C66的操作是系统设计的基础部分。下面对其作简单介绍[12]。4.293C66的管脚描述E²PROM采用的是ATMEL公司的93C66。93C66的存储容量为256x16Bit或256x8Bit，采用了三线串行总线结构。三线串行总线采用同步时钟(SK)、数据输入(DI)、数据输出(DO)三根线进行数据传输，接口简单。CS：93C66的片选输入，高电平有效。CS端低电平，93C66为休眠状态。但若在一个编程周期启动后，CS由高变低，93C66将在该编程周期完成后立即进入休眠状态。在连续指令与连续指令之间，CS必须有不小于250ns的低电平保持时间，使之复位(RESET)，芯片在CS为低电平期间，保持复位状态。SK：串行时钟输入。操作码、地址、数据随SK上升沿有效。SK可在传输的任意时刻被中止。DI：数据输入，DI管脚上START位、操作码、地址、数据随时钟同步输入。DO：数据输出，在READ状态中，数据随时钟在DO脚输出。除了读数据或编程操作期间检查READY/BUSY状态外，DO脚均为高阻状态。ORG：当ORG脚与VCC相连，则选择(256×16)的存储模式。当ORG脚与VSS相连则选择(256×8)的存储模式。TEST：TEST脚只用于测试模式。使用中与VCC或VSS相连。4.393C66的工作模式93C66有7种不同的工作模式。READ操作：READ操作在DO脚串行输出内存中指定地址的数据。DO在输出数据之前处于‘虚0’状态。输出数据随着SK上升沿有效，并持续一段时间。当CS为高时可进行串行读操作。内存中数据将自动转到下一位串行输出。需要注意的是当在DI脚送入命令字后，下一个时钟周期，在DO脚先输出一个低电平，在此时钟周期后，DO脚串行输出的才是E²PROM中的数据。它也可作为操作正常的标志位，表示前面的读命令已经被收到。EWEN操作：93C66上电处于EWDS(ERASE/WRITEDISABLE)状态。在所有编程之前必须进行一个EWEN操作。一旦进行EWEN操作，芯片将一直处于可编程状态，直到下一个EWDS操作或VCC变为低。EWDS操作：为避免数据误操作，EWDS可禁止所有ERASE/WRITE操作，并应该在所有编程操作之后执行。WRITE操作：WRITE命令后跟随写入特定地址的16位或8位数据。在最后一位数据进入DI后，在下一个SK上升沿到来之前，CS必须为‘0’。CS的下降沿启动了自擦除时序和编程循环。在一个最小100nS的低电平后和写循环完成之前，如果CS变为高。READY/BUSY状态将由DO表示。DO为‘0’表示BUSY，编程正在进行。DO为‘1’表示内存己被写入，器件为READY正等待下一个操作。WRAL操作：WRAL操作按照命令字将存储器所有单元都写入设定的数据。WRAL之前必需进行ERASE操作。这两个操作都必需在EWEN命令状态后进行。ERASE操作：ERASE操作将所指定内存中特定地址数据位全强制为‘1’。CS的下降沿将启动自循环编程。ERAL操作：ERAL操作将所有存储器的数据位都写成‘1’。下面给出各个命令的命令字和时序图，如表4-1和图4-1。表4-193C66命令字命令起始位操作码地址数据x8x16x8x16READ110A8-A0A7-A0EWEN10011XXXXXXX11XXXXXXERASE111A8-A0A7-A0WRITE101A8-A0A7-A0D7-D0D15-D0RRAL10010XXXXXXX10XXXXXXXWRAL10001XXXXXXX11XXXXXXXD7-D0D15-D0EWDS10000XXXXXX00XXXXXX(1)读操作（READ）周期CS tcsSKD1 1 1 0 A0 DNDD0 HighImpedance 0 ·· D0(2)写使能（EWEN）操作tcstCS SKD1 1 00 11 ··(3)写禁止（WRITE）周期tcstCSSKD1 1 0 ... A0 · D0HighImpedanceD0 BusyReady(4)片写入（WRAL）周期tcstCSSKDNDD1 1 0001 D0HighImpedanceD0 BusyReady(5)擦除（ERASE）周期CheckStatustCheckStatustCS Standy SKANAN-1AN-2ANAAD1 A0HighImpedanceD0 BusyReady(6)tcstCheckStatusCheckStatus StandySKD0 1 0 10HighImpedanceHighImpedanceD1 Busy Ready图4-1时序图

4.3.1E²PROM(93C66)空间的分配传感器的失调系数、失调温度系数、灵敏度系数、灵敏度温度系数和线性度系数均保存在E²PROM中。CR1系数和CR2系数各占一个单元；失调系数和灵敏度系数各占一个单元；地址Ox04～Ox07的内容有特殊用途，一般用来测试E²PROM是否正常工作，灵敏度温度系数和失调温度系数占用了120个单元，线性度系数占用了8个单元[13]。4.4MAX1457开发系统设计MAXl457对传感器的偿需要软件支持，按照特定的补偿步骤进行。在MAXl457的开发系统软件基于MAXl457的工作原理以及补偿的实施过程。MAXl457开发系统软件可以分成。E²PROM读写管理模块，数据采集模块，传感器补偿步骤模块。4.4.1E²PROM的读写管理模块PC机对E²PROM的操作是通过并模拟E²PROM的7个命令的时序实现的。在WindowsNT/2000/XP操作系统下，出于安全性的考虑，不允许普通用户直接对并口操作，而且没有现成的控件可以利用，必须自己编写必要的程序或者利用第三方的动态链接库对并口操作。本论文采用了后者。E²PROM的两个主要操作，读操作和写操作的流程图分别为图4-2和图4-3。开始开始74HC244使能将MCS拉低将MCS拉高写入写命令写入16位数据将ECS拉低74HC244不使能将MCS拉高结束图4-2读操作流程图PC机要读E²PROM时，要使74HC244使能，拉低MCS信号，禁止MAXl457读取E²PROM的数据，以免干扰MAXl457对PC机的读写，将ECS信号拉高，读取16位串行数据后，需要拉低ECS信号，释放对E²PROM的控制要使74HC244不使能，并将MCS拉高，使MAXl457正常工作来载入相应的参数。开始开始74HC244使能将MCS拉低将MCS拉高写入写命令写入16位数据将ECS拉低74HC244不使能将MCS拉高结束写入8位地址写入写能使命令写入写能使命令图4-3写操作流程图写操作与读操作类似，不同的是在写之前要进行一个写使能操作。数据采集模块也是通过并口模拟串行通讯实现的，主要是对寄存器的设置。4.5MAX1457补偿步骤MAX1457中有两个16位的DAC(STCDAC和OTCDAC)，分别用于修正满量程TC和漂移TC。而且两个系数随温度变化，也就是向量表补偿。这是ASIC能达到高精度温度补偿的原因。但是，向量表的使用是可以用ASIC选择的，若将其关闭，则在整个温度范围内只用一个单独的满量程TC和一个单独的漂移TC系数来修正传感器的误差。我们将这种模式称为“线性补偿”。这不是真正的线性，但是十分近似。而且这种补偿是纯模拟的(连续的)，也就是没有数字量化噪声。ASIC修正满量程TC误差和修正漂移TC误差的方法是完全不同的。但是，这两种误差都是在纯模拟(连续的)方式中获得的。因为在满量程TC修正完成以前，不能完成漂移TC的修正，所以，首先进行满量程TC误差补偿。

4.5.1量程温度系数补偿MAXl457是以硅压阻传感器为主要对象专门设计的。它利用传感器的某些独特的特性来提高精度，降低成本。因此有必要先搞清这类传感器的特性。传感器内有一个惠斯通电桥，传感器输入阻抗的任何变化将被ASIC解释为温度的变化。一个压阻型传感器电桥电阻的典型温度系数可达3000ppm/℃。这里的温度是在传感器元件上实际测量的温度，这就减小了压力传感器和温度传感器之间的热量梯度误差，改善温度的瞬间误差。通过对传感器的理解，我们知道TCR(电桥阻抗温度系数)与TCS(灵敏度温度系数)方向相反，若大小相等，则随着温度的变化可相互抵消，这样就消除了满量程温度误差。然而，TCR往往大于TCS，在先前的测量方法中一般忽略此问题。ASIC正是调整激励电流，有一个反馈系统，顺时针旋转TCR的斜率，直到与TCS的大小相等。MAXl457的补偿思路也在于此[14]。下面详细分析。图4-4表示TCR和TCS随温度变化的关系。其中TCR随温度增加而增加，而TCS随温度增加而降低。因为ASIC是用恒定电流激励，而Rb(传感器输入阻抗)是随温度变化的，所以Vb应当随温度变化。由于Vb=Ib×Rb，当Rb随温度增加时，激励电压Vb也随温度增加。而且，我们注意到，传感器输出电压是和Vb成正比的。我们可以认为，如果传感器的灵敏度不随温度变化，传感器的输出(满量程和漂移)应当随温度增加。但是，当温度增加时，硅PRT的灵敏度是降低的。对大多数传感器来讲，这一变化比TCR的变化要小。由此，在恒流激励时，大多数硅传感器具有一个正的未补偿非线性满量程TC误差如图4-4。一个理想的TCR应当在数值上等于TCS，而符号相反。这样，当采用好的恒流源驱动时，我们就可以完全消除热的影响，满量程将不随温度变化。TCR 未补偿量程TC(ppm) 理想TCR 温度TCS图4-4TCR和TCS随温度变化得关系通常，传感器生产厂试图优化技术参数，比如他们可以生产一种传感器，使其TCR在数值上等于TCS，而符号相反。这样通过设计就消除了满量程TC误差。在恒流源模式下，可以将满量程TC误差降低到百分之几。但是，传感器生产厂不可能严格控制技术参数，以进一步改进传感器的误差[15]。4.6本章小结本章主要介绍了系统的软件组成，分析了非线性补偿和温度补偿的算法和实现方法，同时对数字滤波的实现方法进行了叙述。智能压力传感器软件设计主要包括主程序，及实现测温、测压、数字滤波、非线性校正和温度补偿等功能子程序。第5章性能测试5.1测试内容补偿与标定系统的测试包括功能测试和性能测试。功能测试如采集传感器电桥电压和MAXl457的输出电压、读写E²PROM等。论文工作中测试的内容主要集中在性能指标测试，包括如下内容：(1)传感器补偿前的测定试验；(2)传感器补偿试验；(3)传感器补偿后的测定试验。5.2测试结果对压阻式传感器进行了补偿前后的传感器测定试验和传感器补偿试验，获得了补偿前后的传感器的试验数据。对于压阻式传感器而言，温度误差占传感器总误差的比重最大，而且补偿前传感器的总的不确定度较好，所以MAXl457对压阻式传感器的补偿主要是温度漂移的补偿。表5-1给出了压阻式传感器补偿前和MAXl457补偿后输出的零点和满量程的具体数据。表5-1补偿前后传感器输出零点和满量程比较校准状态校准压力（KPa）输出电压（V）温度（℃）-200204060补偿前补偿后0Voutmin0.481V0.374V0.307V200Voutmax0.669V4.362V4.110V0Voutmin0.505V0.504V0.501V0.506V0.508V200Voutmax4.511V4.512V4.507V4.506V4.508V注：1）Vout