毕业论文智能压力传感器系统.docx

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毕业论文智能压力传感器系统

摘　要

　　如今伴随着计算机测控系统特别是多传感器计算机测控系统的发展，智能传感器系统作为一个与之相应的新兴研究方向，正受到人们越来越多的关注。

然而，虽然近年来它的研究与开发已取得一定成果，但还远远不能满足实际需求，尤其在压力测量领域更是急待发展。

随着压力测控系统的发展，现有的传统压力传感器已无法满足要求，而集信息采集、信息处理和数字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能压力传感器系统已成为生产实践发展的迫切需求。

本文对智能压力传感器系统理论及其在压力测量方面的应用进行了深入研究，提出一种新型智能压力传感器系统，并对其智能化功能、硬件配置和智能化软件进行了全面的设计。

　　智能化压力传感器系统采用集成度高，功能强大的新型微处理器控制，其内部集成了大量的模拟和数字外围模块，具有很强的数据处理能力。

电路内配置了为实现多功能智能化所必需的硬件，并全部采用低价格、小体积器件，还将所有电路设计在一片电路板上，再与传感元件组装在一起，从丽使整个系统在保证智能化功能的前提下，具有体积小、成本低、一体化和抗干扰能力强的特点。

本文研究的智能压力传感器系统具有体积小、成本低、可靠性好、响应速度快、智能化程度高等特点，效果良好，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。

关键词：

智能传感器；压力；微处理器

Abstract

Withthedevelopmentofcomputercontrolsystem，especiallyofthesystemwithmulti—sensor,theintelligentsensororsmartsensor，asanewresearchfield，isattractingmoreandmorepeople’Sattention．Althoughsomeachievementinthe　fieldhasbeenobtainedrecently,theresultsarefarfromapplicationrequirements，evenworseinthemeasurementofpressurearea．Withthedevelopmentofapressurecontrolsystem，theexistingtraditionalpressuresensorhasnotmettheneed，howeverthesmartsensorthathasthefunctionsofdatacollection，informationprocessing，digitalcommunicationandself-governinghasbeenimminentdemandofthedevelopmentofproductivepractice．Afterthetheoryofsmartsensorsforpressuremeasurementhasbeendeeplystudied，anewkindofasmartsensorformeasuringpressureisdevelopedinthispapertoimprovethissituation，anditsoveralldesignofintelligentfunctionsandhardwareandsoftwarearealsodescribedindetail．

Amicroprocessorwithpowerfulfunctionsandhigherintegrationisusedasthemaincontrolunit．Largenumbersofanaloganddigitalperipheralcircuitshavebeenalsointegratedinside，SOthemicroprocessorhasthepowerfulabilityofdataprocessing．Allcomponentsofthesensor,someofwhicharenecessaryforthemultipleandintelligentfunctions，areselectedoneswithlowcostandsmallpackage．AllcircuitsaredesignedinflpieceofPCBandthePCBisinstalledwiththepressuredetectortogether．Thesmartsensorthenobtainstheadvantagesofsmalldimension，lowcostandhigheranti—disturbanceability．

Thesmartsensorformeasuringpressuredesignedinthispaperhastheadvantagesofsmallsize，lowcost，higherperformanceandresponsespeed，andhigherlevelofintelligence．Theresultshowsthatitsperformanceisperfect.Soweexpectthatthesmartsensorcanhavebroadfutureapplicationsinmanymeasuringandcontrollingsystemsforpressure．

Keywords：

smartsensorl;pressure;microprocessor

第1章　概述

1.1　压力传感器的概述

1.1.1　压力传感器的定义

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的转换规律转换成可用的输出信号的器件或装置。

传感器的一般组成如图1-1所示。

图1-1　传感器的组成

　　压力传感器是以压力为被测量，进而转换为电信号的装置，它具有广泛的用途。

1.1.2　压力传感器的结构

根据压力传感器的定义及其原理分析，我们可以看到适合于做压力传感器的材料是多种多样的。

显然，这种多样性决定了其结构上的差异。

不同的材料把压力转换为电信号的物理规律并不是相同的，我们可以在研究压力传感器结构原理同时，就要考虑到这种差异，下面介绍几种常见的弹性体压力传感器的结构：

（1）弹性圆柱敏感元件（实心和空心）；

（2）悬臂粱；

　　（3）圆形膜片和膜盒。

1.1.3　压力传感器的分类

　　对压力传感器进行分类，首先应该遵循一定的分类标准。

我们通常按工作原理来分类，可以分为：

压阻式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器、压电式压力传感器、智能式压力传感器等。

当然，我们也可以采用所使用的材料对压力传感器进行分类：

余属压力传感器、半导体压力传感器、金属．氧化物压力传感器、光学压力传感器等，还有其他一些分法，这里就不一一介绍了。

压阻式压力传感器是应用最广泛的压力传感器之一。

压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，它具有灵敏度高、动态响应好、准确度高、易于微型化和集成化等特点，是获得广泛应用，而且是发展迅速的一种新的物性型传感器。

早期的压阻传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器。

70年代以后，研制出周边固支的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器。

它易于批量生产，能够方便地实现微型化、继承化和智能化。

因而，它成为受到人们普遍重视并重点开发的具有代表性的新型传感器。

1.1.4　传统压力传感器的局限性

传统的传感器技术为了提高其性能，在制作材料方渐必须满足多品种、高性能的要求，这就使得其成本居高不下，而且对制作过程要求非常严格。

传统压力传感器的性能价格比不可能再有大的提高，并且在以下几方面存在严重不足：

（1）因结构尺寸大，而时间（频率）响应特性差；

（2）输入-输出特性存在非线性，且随时间而漂移；

　　（3）参数易受环境条件变化的影响而漂移；

　　（4）信噪比低，易受嗓声干扰；

　　（5）存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。

以上不足是传统压力传感器性能不稳定、可靠性差、精确度低的主要原因，也是传统压力传感器必被取代的原因。

1.2　智能化压力传感器的概述

1.2.1　智能化压力传感器的定义

所谓智能压力传感器就是一种带有微处理器（单片机）的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维判断功能的压力传感器。

显然，智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力，这主要是通过微处理器的程序来完成的，也就是说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物。

因此，智能压力传感器是既有获得信息的能力又有信息处理功能的传感器系统。

智能压力传感器具备学习、推理、感知、通讯及管理的功能，其典型结构如图1-2所示。

图1-2　智能传感器的典型结构框图

1.2.2　智能化压力传感器的类型

智能压力传感器是微处理器和压力传感器的结合。

因此，根据它们的实现途径可分为：

非集成化的智能压力传感器、集成化的智能压力传感器和混合型的智能压力传感器。

　　非集成化的智能压力传感器是把传统的压力传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合成一整体而构成的一个智能压力传感器系统。

这种非集成化的智能压力传感器实际上就是在传统的压力传感器系统上增加了微处理器的连接。

因此，这是一种实现智能压力传感器系统最快的途径和方式。

　　集成化智能压力传感器是采用微机械加工技术以及大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。

随着微电子技术的飞速发展，以及随着微米/纳米技术的采用，由此而制作出的智能压力传感器具有微型化、结构一体化、精确度高、多功能、阵列式、全数字化、使用方便、操作简单等特点。

混合式智能压力传感器是根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳罩。

混合集成实现智能化是一种非常适合当前技术发展的智能化途径。

1.2.3　智能化压力传感器的功能

　　在智能压力传感器系统中，微处理器能够按照给定的程序对传感器实现软件控制，把传感器从单一功能变为多功能。

智能压力传感器一般具有以下基本功能：

　　数据处理功能：

智能压力传感器不仅能对各个被测参数进行测量，而且能够根据己知被测参数求出未知参数，并能够自动调零、自动平衡、自动补偿等。

　　自动诊断功能：

这是智能压力传感器的重要功能，智能压力传感器通过其故障诊断软件和自检软件，自动对传感器和系统工作状态进行定期和不定期的检测、测试，及时发现故障，协助诊断发生故障的原因、位置，并给予操作提示。

　　软件组态功能：

智能压力传感器由于采用了微处理器，所以它不仅要有必要的硬件组成，例如检测、放大、A/D、D/A、通讯接口等，而且还有软件资源用于控制和处理数据。

在智能压力传感器中，设鬣有多模块化的硬件和软件，用户可以通过微处理器颁布命令，改变传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，已达到不同的应用目的，完成不同的功能，增加了传感器的灵活性和可靠性。

　　接口功能：

智能压力传感器采用标准化接口，统一的接口标准容易通过RS-232、RS-485、HART等总线和上位机进行通信。

这样，可以由远距离中央控制计算机来控制整个系统的工作，对测量系统进行遥控，也可以将测