精品测试技术课程设计.docx
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精品测试技术课程设计
《测试技术基础课程设计》
题目高度计的设计
时间
班级
姓名
学号
指导教师
2016年6月17日
前言
随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术,已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去.传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。
在测试系统中,被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息,并将其转换成另一形态的信息。
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。
其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。
因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。
但无论何种条件、场合使用的传感器,均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。
本次课程设计的是压力传感器中的高度计。
微型硅压阻式传感器、单片机、A/D转换、精密参考电压、显示驱动模块、串口通信模块、电源模块等几部分组成了它的硬件结构。
高度计的软件结构由初始化子程序，采样数据处理，A/D转换子程序，压力补偿子程序，数据处理子程序，高度计算子程序，通信子程序，显示子程序等部分组成。
2/10
高度计根据压阻式压力传感器原理,因为所测压力大小P与传感器输出电压U有函数关系，可以由电压U计算出压力P。
由于传感器的零位和灵敏度会随温度漂移，所以还需要修正，根据一定温度修正后压力P与电压U的关系式，可以由所测电压U计算出实际压力P。
1、课程设计目的和要求-—-————-————-—-—-—-—-—-—-——---——-—--————-—----———--—4
2、课程设计任务-—---—-—-————--——---—-—----——-——-—---—-—--———-——--————-——-5
3、系统的设计-—-—-—-——-——--—----————-———----—-——-——-————-—---—-—--——-———-6
3.1、气压高度计设计的理论基础————-———----------—-—————----—---—--—---——--—6
3。
2、高度计的硬件设计-—-—---——--—-—------—-—-—---—-—--——-—————---—-———-—-—6
3.2.1、单片机-—-———-———-------—-—------——-——-———-—----—————-——--—-—-—-7
3。
2。
2、压阻式传感器——-———-——-—---—————-------———--—————-—-——-—-——-———---7
3。
2。
3、ADC芯片—-——-——--—--—----————-———-———---—-——---———--————-———--—-—7
3。
2.4、显示通信电路—————-——----—-------—-——---———-——------———-——--—----7
3。
2。
5、电源与抗干扰设计——-—-—-—--—----—-—-—--——-—--—--—-———---—--—-———-7
3。
3、高度计的软件设计--—-————--—-—-——-—---—---—-——-—————-——-------—-—-——-8
4、误差分析———--—-——-——--—--——--————-——-—---———-——--——-—---——----——————--—10
5、体会----——-—-—--——--——--—-—----——--—---—-—-—-———---—------———--—----—-11
参考资料-—--———-—-———————------——------——-—-—-—————---—--——-----—--—————-12
1课程设计目的和要求
1．传感器原理课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。
是一个重要的教学环节,通过本设计，培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用传感器设计和有关先修课程的理论，结合实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固加深有关传感器设计方面的知识.
2．通过制定设计方案，合理选择传感器结构和相关元件类型，正确计算、选择各零件和元件参数，确定尺寸和选择材料,以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握传感器设计过程和方法.
3。
进行设计基本技能的训练。
如:
计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。
4。
通过设计环节的实际训练，加深学生对该课程基础知识和基本理论的理解和掌握,培养学生综合运用所学知识的能力，使之在理论分析、设计、计算、制图、运用标准和规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学态度。
2、课程设计任务
题目:
高度计的设计
初始条件:
设计时根据测量范围、测量精度、温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。
设计时自行确定被测变量及测试范围。
要求：
1．理解气压高度计设计的理论基础；
2。
完成高度计的硬件部分设计；
3。
完成高度计的软件部分设计;
4。
进行误差分析。
3系统的设计
高度是载体到某一水平面的垂直距离，是导航的一个重要依据.气压传感器是气压式高度计的一个重要依据。
传统气压传感器信号调理电路校准和补偿电路复杂,稳定性差，不能直接用于计算机数字化处理，也不便于在便携式设备中集成.本气压式高度测量系统使用微型压阻式传感器,通过对压力的测量,经过A/D变换后由单片机进行数字滤波,函数算出载体当前的绝对高度,具有较高精度和抗干扰能力。
大气压力在数值上等于所在海拔高度往上直到大气上界整个空气柱的重量，因此在理想情况下,大气压力与海拔高度具有一一对应的关系。
在海平面附近,海拔高度每升高100m，气压下降大约是0.7kPa。
由于空气具有可压缩性，大气压力与海拔高度具有非线性关系.
高度和气压之间的关系较为复杂，如果照搬气压公式来制作电路，电路将变得十分复杂。
实现起来相当困难。
因此设计该高度计时，可将高度按区段划分，分别进行数据的计算。
3.1气压高度计设计的理论基础
气压与高程的关系模型:
H=T0/L*（P/P0）^（1/（N-1））（近似公式）。
以标准海平面为基准：
T0=288.15K；P0=101.325kPa;N=5。
25588；L=—0.00650C/m。
通过计算结果可见表1。
从表中数据可以看出，传感器的漂移引起的误差对高端和低端的影响是不同的。
为了提高精度，设计时要考虑这一点。
根据气压公式可以得出0至6000m量程内的压力范围在47。
18至101.325kPa.据此可以确定硅压阻式传感器量程。
为充分利用传感器的精度，选择硅压阻式传感器量程要尽量接近测量范围。
表1传感器每千帕变化引起的高程变化值
高程值区间/m
气压值区间/kPa
每百帕高程变化值/m
0-500
101.32—95。
46
85。
32
500—1000
95。
46—89。
88
89。
61
1000—2000
89.88-79。
49
96。
25
2000-3000
79。
49—70.11
106。
61
3000-4000
70.11—61.64
118.06
4000-5000
61。
64-54.02
131。
23
3。
2高度计的硬件设计
硬件结构由微型硅压阻式传感器、单片机、A/D转换、精密参考电压、显示驱动模块、串口通信模块、电源模块等几部分组成.元器件选取主要考虑设计精度和体积功耗，并留有一定的余量。
3。
2.1单片机
数据处理要求体积小功耗低，此处选择C8051F353型单片机，可以工作在—40至+850C的范围内工作。
其带有最大放大倍数128的可编程增益放大器（PGA），非常适用于多路模拟数据采集系统。
3。
2。
2压阻式传感器
气压传感器在在气压计中占据核心位置。
设计时可根据测量范围、测量精度、温度补偿、测量绝对气压值等几个性能指标来选取气压传感器。
选用传感器量程要尽量与测量的范围相符，以利于减小误差.传感器选用体积较小的MPX2100D型绝压传感器，量程为100至0kPa，满量程输出为40mV（10V供电）
3。
2.3ADC芯片
根据量程和分辨率选择A/D转换器位数和精度，ADC芯片的位数N大于或等于log2（1+Umax/Umin）计算。
式中Umax为ADC芯片的满度输入电压，Umin为ADC芯片最小能分辨出的电压。
为达到较为理想的气压高度分辨率，A/D转换器的位数要在15位以上.为简化电路，这里的A/D转换器采用C8051F353自带的16位ADC0。
参考电压使用单片机内部自带的2。
5V基准.通过将寄存器ADC0MD中的AD0EN位置“1”和将寄存器ADC0CF中的AD0VREF位清“0”来使能内部电压基准。
使用时应在VREF和AGND之间接入旁路电容。
3.2.4显示通信电路
由于使用四个单个LED进行显示的连线比较复杂,同时单片机的端口驱动能力也难以保证，此处选择专门的驱动芯片。
串口通信电路主要用来实现该系统与上位计算机的通信,利用C8051F353型单片机的UART串口总线通过SP3232芯片的电平转换与上位计算机进行通信。
工作于9600b/s,一个起始位，8个数据位,一个停止位，奇校验。
3.2。
5电源与抗干扰设计
使用低压差稳压器1。
M1117A分别为处理器和其余电路供电.采用基准电压源MAX6350来稳定对压力传感器的供电，以保证传感器输出的稳定性.PCB板设计时每个芯片有电源退耦电路.模拟数字分开布线。
为了避免传感器产生的信号在A/D转换前发生失真并减少传感器的功耗,在ADC的输入端连接了滤波器,降低噪声并作为缓冲器隔离了前后级，避免其他电路对ADC采样的影响.仪器采用干电池供电不存在电源或电网干扰问题，但现场使用不可避免地受到自然放电干扰和其他电气设备的放电干扰。
为了不增加过多的硬件屏蔽措施，软件采用了改进的平均值滤波算法。
3.3。
高度计的软件设计
设计如图所示，采用模块化结构，方便调试。
包括初始化子程序,采样数据处理，A/D转换子程序，压力补偿子程序，数据处理子程序,高度计算子程序，通信子程序,显示子程序等部分组成.
软件流程图
该设计采用线性插值方法来计算指示空速.用一个简单易实现的函数代替原来的复杂函数即yi=ki（x—xi）式中yi,xi,ki分别代表第i个插值点气压高度值，大气静压值,和插值线段的斜率。
C8051F353单片机内部设有温度传感器.温度传感器系统有两个温度特性不同的二极管和两个恒流源组成。
两个通道通过ADC的模拟多路选择器连接到ADC的输入端。
温度传感器系统工作在差分方式。
本文利用C8051F353单片机对温度进行采样,对传感器的输出进行修正以进一步提高输出精度。
根据压阻式压力传感器原理，所测压力大小P与传感器输出电压U是线性关系。
即两个参数关系为P=aU+b.由于传感器的零位和灵敏度会随温度漂移，因此系数a与b也会随温度变化而变化，即系数a与b是温度的函数。
首先通过多次采样定标,由标准压力源提供分组标准压力，记录一定温度下传感器的输出压力值,即多组（Pi，Ui）i=0,1,2，……，n然后利用最小二乘方进行曲线拟合。
为使总误差
最小，可用Q对a，b求偏导数，令这两个偏导数为零，则求解方程得出一定温度对应的系数（ai，bi）。
其中t=-100C，00C，100C,……，500C.压力大小P与输出电压U的关系为P（t）=aiU+bit=—100C,00C，100C，……，500C然后再通过牛顿插值法，根据温度传感器提供的温度参数t，对压力P和电压U的关系式进行插值修正.由插值多项式：
式中P［t0,t1]为函数P（t）关于t0，t1的一阶均差，P[t0……t6］为6阶均差。
而均差可以由插值条件确定。
P（t0）=at0U+bt0
P［t0,t1]=[P（t1）—P（t0）]/[t1—t0］
P[t0,……，t5，t6]=[P（t0，……，t5，t6）-P（t0，……，t5）]/[t6–t5］
根据一定温度修正后压力P与电压U的关系式，可以由所测电压U计算出实际压力P。
4误差分析
由于传感器的最大误差在测量值的最高端，如果此段的误差满足设计要求，其他分段即可满足要求。
对于海拔高度,系统测量的误差主要来自传感器、放大电路和转换器三项误差.用均方根法可表示为
要降低系统误差就要分别降低这三项误差.
其中放大电路的误差主要由放大电路所用电阻的精度，集成运算放大器的性能及电路的结构决定.设计和调校好的放大电路可使该项误差很小，基本可以忽略.ADC误差主要是其积分非线性误差、微分非线性误差、漂移误差、满量程误差和漂移温度系数误差。
现代放大电路的误差和ADC误差远小于传感器的误差。
所以系统的误差主要决定于传感器的误差。
5体会
经过本次课程设计,自己对传感器的选用有了更进一步的了解，加深了自己对《测试技术基础》这门课理论知识的理解。
在课程设计的过程中锻炼了自己思考和解决问题的能力。
在完成传感器课程设计后，我们发现我们还有许多不足,还需要不断学习。
本次课程设计由于时间的仓促，还有许多地方有不足之处.请老师予以指出并给予指导.
参考资料
[1]《传感器原理及其应用》，李瑜芳主编．电子科技大学出版社,2008年
[2］《新编传感器技术手册》，李科杰主编．国防工业出版社,2002年
[3］《传感器实用装置制作集锦》，陈尔绍主编．人民邮电出版社，2000年
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