基于单片机的高精度压力数据采集系统的设计

0 引言
    在石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域中，都必须进行相关的压力检测与分析。压力传感器测量误差大小直接影响到测控系统的性能。扩散硅压阻式压力传感器是应用最广泛的压力传感器之一，它相当于一个有四只电阻的桥路。半导体电阻有温度系数，会产生温度误差；传感器的压敏特性又有非线性误差。因此，压力传感器在实际应用中会有温度和压力误差存在。利用压力传感器进行高精度测量时，就要对压力传感器的误差进行补偿。按照实现的条件可以将误差的补偿方法分为用硬件电路补偿和在智能芯片或微机中以软件方法实现补偿。
    本压力数据采集系统在硬件上，采用AT89S52单片机控制X型精密硅压式压力传感器MPX2100和高精度积分式A／D转换器ICL7135等器件，对压力信息进行采集转换；软件上，在分析基于最佳拟合直线原理的压力传感器非线性补偿模型的基础上，对采集的压力数据进行非线性修正，实现压力数据的高精度输出。

1 硬件设计
1．1 系统结构原理
    基于单片机的压力数据采集系统组成框图如1所示。系统的压力传感器选用Motorola公司的高精度X型硅压力传感器MPX2100，转换精度高、灵敏度高，具有极好的线性度，其输出的模拟信号通过信号调理电路放大调理。调理后的模拟电量在AT89S52单片机的控制下，通过ICL7135进行A／D转换，可以保证系统具有高数据采集精度和很强的抗干扰能力，转换后的数字量传送给单片机进行运算及软件补偿等处理。最后将数据显示出来，同时可经串行接口传送到上位机，实现良好的人机交换，键盘提供人机交互的手段。

1．2 压力采集及信号变换
    Motorola公司的X型硅压力传感器与扩散硅压阻式压力传感器的惠斯登电桥不同，其专利技术采用单个压敏元件呈X型的电阻元件，因而称为X型压力传感器。该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，使其精度很高，并具有极好的线性度和灵敏度。压力信号经高精度压力传感器MPX2100变为电信号，由于电信号比较微弱，为防止传输过程的衰减影响系统精度，系统采用电流传输。采集信号经过图2电路调理后，变换成4～20mA的标准电流信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，输出到A／D模块ICL7135进行高精度模数转换。

    在图2所示电路中，IC1、IC2、IC3选用高精度运算放大器OP07。第一级由运放IC1、IC2构成差动放大器，电位器RP1用来调节第一级输出电压的大小；电压到电流的变换由IC3构成增益为1的差动放大器完成，IC3连接三级管9013作为实际电流源来提供20mA电流输出；为保证在使用很长传输线时仍达到良好的性能，所有相同阻值电阻之间应匹配良好，且在电源与输出端之间加上电容器C1、C2以防止振荡。在无压力时，只要调节RP2使在接受器上的电流为4mA；在满度压力时，调节RP1使在接受器上的电流恰好为20mA。从而保证硬件采集和传输过程的精度。

2 非线性误差的补偿
    软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用单片机丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器的附加误差进行修正。常用的软件补偿算法有曲线拟合法和表格法。对于曲线拟合方法，常用的有最小二乘法和切比雪夫法。最小二乘拟合法又可分为最佳拟合直线法和多项式拟合曲线法。拟合的方法不同，拟合误差就不同。一般来说，对于理论上输入输出为线性关系的传感器，当拟合的次数较低时， 采用最小二乘法的精度较高。考虑到一般测试仪器的实际测试精度要求以及计算机的数据运算能力、存储能力，我们采用低阶的最小二乘法曲线拟合，对误差加以修正。2．1最佳拟合直线补偿原理x1 假设拟合直线的方程为y=kx+b，设被测物理量为，x2，…xn，相应的测量结果为y1，y2，…，yn，则第i个测量数据与拟合直线上相应值之间的残差为：△i=yi-(kxi+b)，最小二乘法拟合的原则是使为最小，即使从而求得：

    
    根据校准曲线上n个测量值，将式(1)和(2)编制计算程序，很快可得最小二乘方拟合直线的截距和斜率。
2．2 软件实现
    在软件实现过程中，为更好的补偿系统非线性误差，我们在满量程的压力测量范围内等分若干工作区段，每段曲线用一段对应的折线来代替，对每段折线可求出斜率k和截距b，得到线段的回归方程：y=kix+bi式中，i为某段折线的序号，x为压力传感器采集的数据经A／D转换后的结果，y为修正输出数值。
    通过测量调试，得到系统测量参数，预先将每段的特性数值存储于单片机的程序存储器中，在不同的工作区段，单片机自动地将对应的每段的参数值调出进行运算修正处理。
    修正计算子程序流程图如下：

3 结果仿真
    本文用Matlab对实验室的扩散型压力传感器的测量数据做了仿真，如图4所示。实验数据见下表。为了提高补偿精度，最小二乘法拟合时将压力数据范围0～0.06Mpa平均分为3段，分段用最小二乘法的最佳拟合直线拟合。仿真结果说明这种补偿方法可以更好的修正采集系统的误差，有利与提高整个系统的精度。

4 结束语

    本设计是一种通用的高精度压力数据采集系统，硬件采用Motorola公司专利技术的x型硅压力传感器采集数据，经过4～20mA电流电路调理，保证了硬件采集和传输过程的精度；软件采用低阶的最小二乘之最佳拟合直线方法拟合，对误差加以修正，从而实现压力数据的准确采集。为提高软件补偿精度，采用量程范围内分段补偿措施，仿真结果表明此方法精度更高。本设计主要解决了半导体压力传感器由于温度漂移、零点漂移等引起的非线性误差补偿问题，提高了整个系统的测量精确度。可广泛地应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业领域的压力数据的采集、检测和分析。