基于MPX2100型压力传感器的高精度数据采集系统

　　一、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。通常压力值的变化速度较缓慢，但在测量压力值并把它由非电量转变成电量这一过程中，要求精度非常高，本文介绍了一种通用的高精度压力数据采集系统。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，在高性能单片机 AT89S52的控制下，放大调理后的模拟电量通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换，可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力，使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换。PLD技术的应用，节省了硬件电路的开销。

　　二、系统的硬件组成及工作原理

　　高精度压力数据采集系统框图如图1所示。压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换模块转换为数字量，传送给单片机，经过标定、运算及零点补偿等处理，在液晶显示模块上显示出来，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、压力数据采集及信号调理电路

　　压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。

　　Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图2所示，与惠斯登电桥不同，Motorola专利技术采用单个X型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈X型，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Motorola硅 MPX系列压力传感器的精度很高，其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的 MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器，本系统采用MPX2100DP作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求，它具有如下特点：

　　①由于采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于±1mV；

　　②传感器灵敏度较高，为40mV±1.5mV；

　　③传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40℃~+125℃范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；

　　④具有极好的线性度（±0.25%F.S）；

　　⑤有较宽的工作温度范围（-40℃~+125℃）；

　　⑥允许过载大（400%）。

　　

　　（2）信号调理电路

　　电路图如图3所示（图中只以一路传感器输出信号为例，未画出多路开关CD4051）。

　　信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V，它的满量程输出x由下式确定：x=40mV×8V/10V=32mV（1）

　　对于电压输出逻辑电平定为5V，显然32mV的电压要进行适当的放大。

　　放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益为：

　　　（2）

　　选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032=4V（为电源电压的一半）。

　　

　　2、单片机及其外围电路部分

　　单片机外围电路如图4所示。

　　（1）AT89S52介绍

　　单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点：

　　①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器（NV-SRAM）技术；

　　②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程（ISP）FLASH存储器；

　　③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；

　　④片内含有一个看门狗定时器（WDT），WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器（WDTRST），只要对WDTRST按顺序先写入 01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

　　（2）外围电路部分

　　接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0（A8）、P2.1（A9）、P2.2（A10）译码后生成，主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155（Y0）、键盘接口片选信号CS_KEY（Y1）及液晶模块片选信号CS_LCD（Y2）等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S，该模块能显示20×2的5×7点阵字符，功能强，与8位MCU接口方便；键盘接口设计为通用PC机接口（PS/2），是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及 *** 作方便等优点，而且维护方便，限于篇幅本文未介绍。A13、A14、A15组成多路模拟开关 4051的编码地址线，Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号，它将被送往信号调理模块进行放大调理。在恶劣的工业工作环境中，串行通信接口芯片很有可能受到静电的冲击而损坏，特别是在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。本文选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，最大传输距离约1219m，最大传输速率为10Mb/s；可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。