发表于：2002/7/30 19:58:00
#0楼
本文发表在2001年的《仪表技术》杂志上
摘要： 介绍一种低成本的、采用硅压力传感器和单片机的智能化压力测量仪器，对压力传感器信号的程控放大和算法进行了详细的论述。
关键词：压力传感器 程控放大 压力校准 软件编制
在国内外生产的各种便携式精密数字压力测量仪器中，硅压力传感器由于其体积小、精度高、性能稳定等特点得到了广泛的应用。但这些压力仪器普遍存在价格昂贵问题，使这种压力仪器在国内的推广造成了一定的困难。笔者对硅压力传感器的应用电路进行了研究，开发了一种适合我国国情的、硬件成本较低的智能化压力测量仪器，适宜在国内推广。
一、硬件设计
仪表方框图如图1所示。由恒流供电的压力传感器将所测量的压力信号转换为毫伏信号，经过程控放大器放大后，通过A/D转换器ICL7135转换为数字量，经过单片机W78E52处理，将被测压力在五位七段数码管上显示出来。其中串行EEPROM AT24C02用来存储压力传感器及程控放大器的特性数据。温度传感器用于压力传感器环境温度的测量，以便用软件对传感器的温度漂移随时进行修正。按键用于仪器的校准以及在测量过程中的调零操作。
图1仪表方框图
1.传感器的选择
为满足仪表硬件成本低、精度高的要求，压力传感器采用美国ICSensors公司生产的ICS1220型硅压力传感器，内部桥路由外部的恒流源供电，其输出毫伏信号与压力成正比，线性度为0.05—0.1%。在传感器内部有一个用于平衡放大器增益、温度系数为20ppm/℃电阻，使得传感器互换误差控制在1%以内。传感器内部电路虽然已设置了温度补偿措施，但当环境温度在25±25℃范围内变化时，温度漂移仍较大，按满量程计算，量程漂移为0.3%，零漂0.1%，需要在设计电路时进一步采取措施进行补偿。
为补偿压力传感器由于温度变化带来的测量误差，在压力传感器附近设置了一支测量温度的三极管9013，其输出电压Vbe在0.6V左右，测温灵敏度大约-2.2mV/℃，经ICL7135A/D直接转换后约10个字/℃，无需放大就可满足温度补偿对信号的要求，具有电路简单、成本低的特点。
2.程控放大电路工作原理
本仪器的关键电路为压力传感器信号的程控放大，以及对传感器环境温度的测量，电路原理如图2所示。
图2压力温度测量电路原理图
向压力传感器供电的恒流源由基准稳压管Z1、电阻R1、R2、运放A1组成，设A1负相输入端的电压为V1，通过传感器的电流I为：
I=V1/(R1+R2)
若传感器所测压力为P，其输出的电压为VS，则有：
VS=k1*P*I=k1*P*V1/(R1+R2)
式中k1是传感器的转换系数，由传感器的特性决定。
传感器的输出电压VS进入由CMOS开关、运放A2—A4等组成的程控放大器进行放大。放大器在单片机的控制下进行以下四步工作：
步骤一、测量放大器的增益
向传感器供电的恒流源电流I，流经R1后所产生的压降VR1用于程控放大器的增益测定。将CMOS开关SW1、SW4和SW5放在位置a，SW2和SW3放在位置b，如果放大器的增益为k2，零漂为Z(k2)，由叠加原理可得R1上的压降VR1经程控放大器放大后，在A/D的模拟输入端得到的电压V(k2)为：
由于ICL7135的基准电压通过SW5选择了R2上的电压降VR2，V(k2)经A/D转换后的数字量D(k2)为：
步骤二、测量放大器的增益零漂Z(k2)
将CMOS开关SW1、SW3、SW4和SW5放在位置a，SW2放在位置b，此时放大器的输入端被短路，共模电压是V1，在A/D的模拟输入端得到的电压即是放大器在测量V(k2)时的零漂Z(k2)，经A/D转换后的值是：
步骤三、测量压力信号
将CMOS开关SW1和SW3放在位置b，SW2、SW4和SW5放在位置a，如果此时放大器的增益为k2，零漂为Z(VP)，由叠加原理可得传感器的输出电压Vs经程控放大器放大后，在A/D的模拟输入端得到电压VP为：
VP经A/D转换后的数字量为：
上式中Z(VP)为放大器在接入传感器信号时的零漂，由于在测量k2和VP时运放A2、A3所受共模电压不一致，一般Z(VP)≠Z(K2)，因此需要分别测量。
步骤四、测量放大器的测压零漂Z(VP)
将CMOS开关SW1放在位置b，SW2、SW3、SW4和SW5放在位置a，即可测得放大器在测量压力时的零漂Z(VP)，经A/D转换后得到：
将上述四个步骤中测到的数字量在单片机中进行下式运算，得到压力与放大器有关的数字量的比值P(M)：
由上式可得出以下重要的结论：
（1）数字量P(M)只与传感器的转换系数k1、输入压力P、电阻R1有关，与运放A1—A4的零漂和放大电路的增益、基准电压V1无关。电路中元件除传感器外只有R1需要有较高的稳定性，对其它元件无特殊要求，从而降低了硬件的成本。实践证明：在确定了电阻R1和压力P后，如果放大器的增益或基准电压V1变化达到10%时，P(M)的变化量不大于量程的0.02%。
（2）在选定压力传感器及电阻元件R1后，只要做出测量压力P与P(M)的对应关系表即可运用线性插值原理，可以在测定P(M)后通过运算求得压力P，同时传感器的线性也得到了进一步改善。P与P(M)的对应关系表在本仪器中通过校准程序存储在EEPROM AT24C02中。
（3）为保证流经传感器及R1、R2的电流一致性，A1宜选用输入偏置电流小的运放，在确保仪器精度，降低功耗的前提下，A1—A4选用一片四运放LF444。
二、软件编制
软件采用模块化程序结构设计，分压力校准程序、温度校准程序与测量程序三部分。
1.压力校准程序
压力校准的目的是建立压力传感器的输入压力Pi与运算值P(M)的对应关系表。校准操作的具体步骤是：先用按键将所要校准的压力值Pi输入本仪器，然后由压力校验设备（精度在0.03%以上）向本仪器发送一个基准压力Pi，然后按校准键，仪器就会将校准压力对应的Pi与P(M)存储在EEPROM中。在校准程序的开始，仪器还对放大器零漂、量程电压以及传感器零漂进行测试，正常则将测试值存储在EEPROM中，用于以后测量程序中的仪器自诊断，超出范围予以报警提示。
2.温度校准程序
温度校准的目的是建立压力传感器的零漂Pz和量程指示值Ps与温度测量值Vbe的对应关系表。校准操作的具体步骤是：将仪器放入一恒温箱中，使仪器测量口排大气，当温度恒定在某一值时按下校准键，仪器会将零漂值Pz存储至EEPROM中，接着向仪器送入量程压力，并再按校准键，仪器会将测量得到的量程压力Ps和温度信号Vbe存储在EEPROM中。在0～40℃温度范围内分别做出10点温度下的校准，温度校准结束。
3.测量程序
测量程序由开机压力调零、放大器和压力传感器的自诊断、温度测量、压力测量程序组成。为确保放大器工作在正常状态，仪器定时监视放大器的增益和零漂情况，并与标定时的参数进行比较，超过一定范围予以报警。开机调零时如果传感器零漂太大或者用户带压手动调零也予以报警。通过程控放大器的四个步骤计算出所测压力下的参数P(M)，结合存储在EEPROM中的测量压力P与P(M)的对应关系表，再利用线性插值原理计算出压力，利用温度A/D值对压力进行进一步的温度补偿。
三、小结
本仪器在0～40℃温度范围内的压力测量精度为±0.1%，并具有很高的长期稳定性，达到了高精度、低成本的目的。本设计中关于恒流供电桥式传感器的程控放大技术可以用于其它同类型的智能化仪器中，比如电子称等。
摘要： 介绍一种低成本的、采用硅压力传感器和单片机的智能化压力测量仪器，对压力传感器信号的程控放大和算法进行了详细的论述。
关键词：压力传感器 程控放大 压力校准 软件编制
在国内外生产的各种便携式精密数字压力测量仪器中，硅压力传感器由于其体积小、精度高、性能稳定等特点得到了广泛的应用。但这些压力仪器普遍存在价格昂贵问题，使这种压力仪器在国内的推广造成了一定的困难。笔者对硅压力传感器的应用电路进行了研究，开发了一种适合我国国情的、硬件成本较低的智能化压力测量仪器，适宜在国内推广。
一、硬件设计
仪表方框图如图1所示。由恒流供电的压力传感器将所测量的压力信号转换为毫伏信号，经过程控放大器放大后，通过A/D转换器ICL7135转换为数字量，经过单片机W78E52处理，将被测压力在五位七段数码管上显示出来。其中串行EEPROM AT24C02用来存储压力传感器及程控放大器的特性数据。温度传感器用于压力传感器环境温度的测量，以便用软件对传感器的温度漂移随时进行修正。按键用于仪器的校准以及在测量过程中的调零操作。
图1仪表方框图
1.传感器的选择
为满足仪表硬件成本低、精度高的要求，压力传感器采用美国ICSensors公司生产的ICS1220型硅压力传感器，内部桥路由外部的恒流源供电，其输出毫伏信号与压力成正比，线性度为0.05—0.1%。在传感器内部有一个用于平衡放大器增益、温度系数为20ppm/℃电阻，使得传感器互换误差控制在1%以内。传感器内部电路虽然已设置了温度补偿措施，但当环境温度在25±25℃范围内变化时，温度漂移仍较大，按满量程计算，量程漂移为0.3%，零漂0.1%，需要在设计电路时进一步采取措施进行补偿。
为补偿压力传感器由于温度变化带来的测量误差，在压力传感器附近设置了一支测量温度的三极管9013，其输出电压Vbe在0.6V左右，测温灵敏度大约-2.2mV/℃，经ICL7135A/D直接转换后约10个字/℃，无需放大就可满足温度补偿对信号的要求，具有电路简单、成本低的特点。
2.程控放大电路工作原理
本仪器的关键电路为压力传感器信号的程控放大，以及对传感器环境温度的测量，电路原理如图2所示。
图2压力温度测量电路原理图
向压力传感器供电的恒流源由基准稳压管Z1、电阻R1、R2、运放A1组成，设A1负相输入端的电压为V1，通过传感器的电流I为：
I=V1/(R1+R2)
若传感器所测压力为P，其输出的电压为VS，则有：
VS=k1*P*I=k1*P*V1/(R1+R2)
式中k1是传感器的转换系数，由传感器的特性决定。
传感器的输出电压VS进入由CMOS开关、运放A2—A4等组成的程控放大器进行放大。放大器在单片机的控制下进行以下四步工作：
步骤一、测量放大器的增益
向传感器供电的恒流源电流I，流经R1后所产生的压降VR1用于程控放大器的增益测定。将CMOS开关SW1、SW4和SW5放在位置a，SW2和SW3放在位置b，如果放大器的增益为k2，零漂为Z(k2)，由叠加原理可得R1上的压降VR1经程控放大器放大后，在A/D的模拟输入端得到的电压V(k2)为：
由于ICL7135的基准电压通过SW5选择了R2上的电压降VR2，V(k2)经A/D转换后的数字量D(k2)为：
步骤二、测量放大器的增益零漂Z(k2)
将CMOS开关SW1、SW3、SW4和SW5放在位置a，SW2放在位置b，此时放大器的输入端被短路，共模电压是V1，在A/D的模拟输入端得到的电压即是放大器在测量V(k2)时的零漂Z(k2)，经A/D转换后的值是：
步骤三、测量压力信号
将CMOS开关SW1和SW3放在位置b，SW2、SW4和SW5放在位置a，如果此时放大器的增益为k2，零漂为Z(VP)，由叠加原理可得传感器的输出电压Vs经程控放大器放大后，在A/D的模拟输入端得到电压VP为：
VP经A/D转换后的数字量为：
上式中Z(VP)为放大器在接入传感器信号时的零漂，由于在测量k2和VP时运放A2、A3所受共模电压不一致，一般Z(VP)≠Z(K2)，因此需要分别测量。
步骤四、测量放大器的测压零漂Z(VP)
将CMOS开关SW1放在位置b，SW2、SW3、SW4和SW5放在位置a，即可测得放大器在测量压力时的零漂Z(VP)，经A/D转换后得到：
将上述四个步骤中测到的数字量在单片机中进行下式运算，得到压力与放大器有关的数字量的比值P(M)：
由上式可得出以下重要的结论：
（1）数字量P(M)只与传感器的转换系数k1、输入压力P、电阻R1有关，与运放A1—A4的零漂和放大电路的增益、基准电压V1无关。电路中元件除传感器外只有R1需要有较高的稳定性，对其它元件无特殊要求，从而降低了硬件的成本。实践证明：在确定了电阻R1和压力P后，如果放大器的增益或基准电压V1变化达到10%时，P(M)的变化量不大于量程的0.02%。
（2）在选定压力传感器及电阻元件R1后，只要做出测量压力P与P(M)的对应关系表即可运用线性插值原理，可以在测定P(M)后通过运算求得压力P，同时传感器的线性也得到了进一步改善。P与P(M)的对应关系表在本仪器中通过校准程序存储在EEPROM AT24C02中。
（3）为保证流经传感器及R1、R2的电流一致性，A1宜选用输入偏置电流小的运放，在确保仪器精度，降低功耗的前提下，A1—A4选用一片四运放LF444。
二、软件编制
软件采用模块化程序结构设计，分压力校准程序、温度校准程序与测量程序三部分。
1.压力校准程序
压力校准的目的是建立压力传感器的输入压力Pi与运算值P(M)的对应关系表。校准操作的具体步骤是：先用按键将所要校准的压力值Pi输入本仪器，然后由压力校验设备（精度在0.03%以上）向本仪器发送一个基准压力Pi，然后按校准键，仪器就会将校准压力对应的Pi与P(M)存储在EEPROM中。在校准程序的开始，仪器还对放大器零漂、量程电压以及传感器零漂进行测试，正常则将测试值存储在EEPROM中，用于以后测量程序中的仪器自诊断，超出范围予以报警提示。
2.温度校准程序
温度校准的目的是建立压力传感器的零漂Pz和量程指示值Ps与温度测量值Vbe的对应关系表。校准操作的具体步骤是：将仪器放入一恒温箱中，使仪器测量口排大气，当温度恒定在某一值时按下校准键，仪器会将零漂值Pz存储至EEPROM中，接着向仪器送入量程压力，并再按校准键，仪器会将测量得到的量程压力Ps和温度信号Vbe存储在EEPROM中。在0～40℃温度范围内分别做出10点温度下的校准，温度校准结束。
3.测量程序
测量程序由开机压力调零、放大器和压力传感器的自诊断、温度测量、压力测量程序组成。为确保放大器工作在正常状态，仪器定时监视放大器的增益和零漂情况，并与标定时的参数进行比较，超过一定范围予以报警。开机调零时如果传感器零漂太大或者用户带压手动调零也予以报警。通过程控放大器的四个步骤计算出所测压力下的参数P(M)，结合存储在EEPROM中的测量压力P与P(M)的对应关系表，再利用线性插值原理计算出压力，利用温度A/D值对压力进行进一步的温度补偿。
三、小结
本仪器在0～40℃温度范围内的压力测量精度为±0.1%，并具有很高的长期稳定性，达到了高精度、低成本的目的。本设计中关于恒流供电桥式传感器的程控放大技术可以用于其它同类型的智能化仪器中，比如电子称等。
