基于單片機的高精度壓力數據采集系統的設計

魏月

渤海大學工學院

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基于單片機的高精度壓力數據采集系統的設計

魏月

渤海大學工學院

把單片機作為系統的控制中心，傳感器采用的是Motorola公司的X型的精密硅電壓式的壓力傳感器，轉換器采用的是高精度的積分式的ICL7135從而實現采集和轉換壓力信息。軟件上還用到了最小二乘法的最佳擬合直線的相關知識，最小二乘法對于修正采集到的壓力數據產生的誤差有很大的作用，從而提高系統對壓力數據的精確度。本論文中給出了非線性誤差補償的原理以及對相關的實驗數據進行了驗證，從測試的結果可以得出最小二乘法的非線性進行誤差補償有著明顯的效果。

單片機 最小二乘法 壓力數據 非線性

1　引言

現今，已經有很多的學者對壓力數據的采集進行了大量的研究。而與此同時，在微電子技術方面取得的成就為數據采集開辟了更加寬廣的天地，同時也促進了采集系統的發展。對壓力數據進行采集這在石油，冶金以及化工方面有著廣泛的應用。在采集壓力信號的過程中，在進行非電和電之間轉化的過程中的精度要求很高，因此對壓力數據采集的過程中需要保持高精度。

隨著航天技術方面的不斷發展，在截聯的慣性的測量中對精度的要求越來越高，除了精度的要求外，還要求通信的接口多樣化，系統的工作要實現智能化以及數據的處理能力要強等等，為了迎合這些高要求，很明顯傳統的設計方法已經不是適應了，必須尋找新的設計方法，新的設計方法需要在技術和工藝方面進行努力。在制造工藝和提高陀螺儀的時候，要把握住截聯慣性的測量組合的關鍵部分，也就是數據的采集以及電路的處理，這兩者所處的位置很重大，單片機以自身的優勢在慣性的設計中的作用越來越大。許多的行業領域中都有用到基于單片機的數據采集，尤其是最近幾年，選擇51系列的單片機進行高精度的壓力數據采集已經成為了一種爭相追趕的趨勢。

2　壓力數據采集系統的概述

壓力數據采集系統的設計部分主要包括了兩個組成部分：硬件設計和軟件設計。系統總體的結構圖如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

從上圖可以看出，首先是把信號放到力傳感器中，經過ADC進行轉換，將生成的信號通過放大濾波和A/ D進行轉化最后就實現了信號的數字話，接著把相關的數據交給程序進行計算，從而得出所需要的物理量，最后將結果顯示在程序的界面。

（1）數據采集的概述

把壓力，溫度，位移等等這些變量參數進行數字量化，然后再借用計算機的存儲能力以及計算能力對產生的數據進行顯示或者打印的這個過程稱為數據采集，與該過程對應的就是數據采集系統。數據采集的目的是為了從傳感器中獲得的模擬信號通過轉變從而生成計算機這個機器可以進行識別的數字信號，簡單的說這是一個由模擬信號轉為數字信號的過程。數據采集的結果是否是過關，這個決定因素是數據的采集中的精度以及采集的速度控制的。要想提高數據采集的效率，可以從這兩個方面進行改進，可以通過保持精度不變提高采集的速度，也可以通過保持采集的速度的不變，從而提高采集的精度。

3　壓力采集和信號的變換

Motorola公司研究的X型的硅壓力傳感器和擴散的硅壓阻式的壓力傳感器所用到的慧斯登電橋是不一樣的，這項專利的技術用了單個的壓敏元件并且呈現的是X型的電阻元件，這個電阻用到的原理是利用離子在硅膜上刻上工藝光，修正的技術用到的是計算機的控制技術，以及溫度的補償技術，通過這種方式對于精度的改進方面起到了很大的促進作用，具有很大的價值，而且在線性度以及靈敏度方面都有著很大的改進。

壓力信號通過高精度的壓力傳感器后轉為電信號，但是產生的電信號不是很強，所以為了解決由于信號衰弱而造成對系統精度的影響，本系統就采用了電流進行傳輸。

4　非線性誤差補償

4.1非線性的誤差補償

所謂的軟件補償的概念就是把處理器和壓力傳感器進行相互的結合，然后再根據單片機本身的功能與補償的算法對傳感器中產生的誤差修正處理。其中軟件補償的算法比較常用的有曲線擬合以及表格法。而曲線的擬合算法中又可以細分為多項式和最佳的虛線擬合，由于擬合的方法不同就會導致擬合形成的誤差也就不同。通常情況下，當傳感器的輸入和輸出是線性關系的時候，如果擬合的次數越低，那么當運用最小二乘法的時候精度就越高，本文中考慮了實際中用到的測試儀器所要求的精度以及計算機機器自身的儲存能力和計算的功能，所以該系統就用到了低階的最小二乘法進行曲線的擬合。

4.2最佳擬合曲線的補償原理

從以上求出的結果中代入解出k 的值和b 的值，所以最后便可以求出設置的未知數，代入后擬合曲線就可以求得。

5　軟件實現

軟件的實現部分，采用的是分段的方法，對壓力的測試范圍進行分割后分別進行測試，這樣的可以在一定的程度上修復非線性帶來的誤差，其中的每個分段內都是用折線來進行表示的，求出這段折線的斜率k 以及截距b ，然后代入到直線表達式y=kxi+bi中，其中公式中的i 表示折線的編號，當i =1時表示第1段折線，表示的是通過壓力傳感器進行采集數據后通過A/D進行轉換后產生的結果，y 表示的是誤差修正后返回的值。經過調試的測量后，可以獲得系統的測量參數，提前把每段的數值保存到單片機的程序存儲器中，當處于不同的區段的時候，來自每段的數值就會由單片機負責修正處理。修正處理的流程圖如圖2所示。

圖2　修正處理的流程圖

6　結果仿真

本論文仿真用到的工具是Matlab，在基于Matlab的基礎上對該擴撒型的壓力傳感器的數據測量進行了精確的測量。其中的最小二乘法擬合的壓力數據的變化區間是在0到0.06Mpa之間波動的，在該范圍內將其分為等值的三等分，然后對這每一個等份進行最小二乘法的直線擬合。仿真的結果證明了本文采用的補償方法對數據的精確度測量以及系統誤差的修復是有很大的益處。仿真的結果如表1所示。

7　結語

本文所研究的高精度的壓力數據采集的系統是針對任何情況下都適用的，所以通用性很強，其中的硬件這部分用到的是X型的硅壓力傳感器進行數據的采集，該硬件是Motorola公司開發的，通過電流區間設置在4mA到20mA之間，進行電路的調理，這樣對硬件的采集部分以及傳輸部分的精度有了很大的保證。同時軟件部分采用的是低階的最小二乘的直線擬合，對其中產生的誤差可以進行修正，最后實現了壓力數據的采集方面的精確性。通過在量程的范圍里進行分段，對每個部分進行補償的措施，從而實現軟件精度的補償，這樣仿真的結果呈現也會更加的精準。本系統設計的高精度壓力數據采集系統解決了半導體存在的問題，半導體會帶來自非線性誤差的補償問題，非線性主要包括了零點漂移和溫度漂移等等，該系統的最大優勢就是提高了精度的準確性。并且由于該系統的通用性，所以可以運用到化工，石油，輕工以及冶金各個方面。

表1　仿真的結果

［1］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［2］李剛. ADLC8XX系列單片機原理與應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社， 2002.

［3］李花，等.Mcs-51單片機實用接口技術［Mj.北京：北京航空航天大學出版社，1993，8.

［4］清華大學電子學教研組.模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版社，1998：321-397.