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。