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技術支持

智能壓力傳感器無線數據采集系統
發布時間:2014-11-26   點擊次數:496次

隨著無線通信技術、計算機技術的高速發展并應用到傳感器技術中,使壓力傳感器的無線數據采集成為可能,其特有的性能比傳統壓力傳感器更具優勢。它可應用于布線和電源供給困難的區域、人員不能到達的區域(如高溫、嚴寒、高濕的區域,受到污染的區域或環境被破壞的區域)和一些臨時場合等,實現了傳感系統的遠程測試,這也是信息時代測試的必然趨勢。
  1 系統設計
  本文設計的壓力傳感器無線采集系統由前端傳感器數據采集發射部分及末端的數據接收部分組成。圖1所示為傳感器數據采集發射部分(上)和接收部分(下)的方框圖。
  傳感器數據采集發射部分由壓力傳感器、溫度傳感器、信號處理部分、微處理器(一般是單片機)和無線發射電路組成。壓力和溫度傳感器獲取周圍環境的壓力、溫度值。信號處理部分包括前項通道、程控放大器和A/D轉換器,其功能是在程序控制下對傳感器模擬信號提取放大,并進行模/數轉換。微處理器負責控制系統各部分器件的工作并對數字信號進行處理。無線發射電路在微處理器的控制下,由編碼器將采集到的信息數據進行相應的編碼和處理,并用發射模塊發射出去。
  數據接收部分由無線接收電路、微處理器和顯示部分組成,在微處理器控制下接收無線電傳來的數據。當一組格式數據接收完畢后,由接收電路里的解碼器對格式數據進行解碼,獲取環境當前的壓力信息,然后將壓力信息顯示在LED接收面板上。

2 硬件實現
  2.1 傳感器
  傳感器采用的是帶有感溫二極管的硅壓阻壓力傳感器,被封裝在專門制作的金屬外殼中,通過多芯電纜與外圍電路連接。壓阻傳感器的4個電阻組成橋路,用1 mA恒流源激勵。感溫二極管用來檢測環境溫度,以供給單片機部分溫度參數。
  2.2 程控放大器
  程控放大器由模擬開關、輸入放大器及接口電路組成。其作用是在程序控制下,分時選通壓力信號與溫度信號送入放大器輸入端,與此同時還可以同步選擇出此二路信號相應的增益,經放大器放大后分別輸出A/D轉換器所要求的壓力、溫度電壓信號,以便進行A/D轉換。
  我們選用的CD4052為雙四通道模擬開關,用以選擇壓力、溫度信號。放大器AD623是一個集成單電源儀表放大器,它能在單電源(3~12 V)下提供滿電源幅度輸出。
  2.3 A/D轉換器ICL7135
  ICL7135是高精度四位半CMOS雙積分型A/D轉換器,具有如下特點:(1)轉換速度為3~10次/s,分辨率相當于14位二進制數,轉換誤差為±1 LSB,轉換精度高。(2)量程范圍0~1.999 9 V。(3)對輸人的模擬信號過(欠)量程能夠識別;具有自動轉換和自動調零功能,可保證零點在常溫下的長期穩定性。(4)與單片機可直接連接,不需地址選擇信號。當ICL7135工作于雙極性情況時,時鐘zui高頻率為125 kHz,可采用555定時器作為ICL7135的CLK時鐘輸入。當ICL7135的積分器在積分過程中(對信號積分和反向積分),其BUSY端輸出高電平,積分器反向積分過零后輸出低電平。ICL7135的POL端為極性輸出端。當輸入信號為正時POL輸出高電平;當輸入信號為負時POL輸出為低電平。B1、B2、B4、B8是BCD碼輸出端。A/D轉換器的基準電壓的精度和穩定性是影響轉換精度的主要因素。為保證ICL7135的轉換精度,我們采用高準確度、低溫漂的帶隙基準電壓源MC1403向其提供1 V的基準電壓。A/D轉換器與單片機的基本連線見圖2。

                              

2.4 無線發射部分
  發射電路部分由PT2262編碼器和F05發射模塊組成。其中PT2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編碼電路,能將數據和地址編譯成代碼的波形。它zui大有12位(A0~A11)三態地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),共有531441種地址代碼。zui大有6位(D0~D5)數據端管腳,設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出。信號格式如圖3所示,編碼時序如圖4所示。
  

 

F05具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性,當發射電壓為3 V時,發射電流約2 mA,發射功率較小,12 V為zui佳工作電壓,具有較好的發射效果,發射電流約5~8 mA,大于12 V直流功耗增大,有效發射功率不再明顯提高。F05系列采用AM方式調制以降低功耗,數據信號停止,發射電流降為零。數據電平應接近F05的實際工作電壓以獲得較高的調制效果,F05對過寬的調制信號易引起調制效率下降,收發距離變近。當高電平脈沖寬度在0.08~1 ms時發射效果較好,大于1 ms后效率開始下降;當低電平區大于10 ms,接收到的數據*位極易被干擾(即零電平干擾)而引起不解碼。如采用CPU編譯碼可在數據識別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾,若是通用編解碼器,可調整振蕩電阻使每組碼中間的低電平區小于10 ms。平時F05輸入端應處于低電平狀態,輸入的數據信號應是正邏輯電平,幅度zui高不應超過F05的工作電壓。F05應垂直安裝在印刷電路板邊部,應離開周圍器件5 mm以上,以免受分布參數影響而停振。發射部分電路見圖5。

2.5 無線接收部分
  接收電路部分主要由PT2272解碼器和J05接收模塊組成。其中PT2272zui多可有12位(A0~A11)三態地址端管腳,任意組合可提供531441地址碼,zui多可有6位(D0~D5)數據端輸出管腳,17腳為解碼有效指示輸出,PT2272分為鎖存型輸出或非鎖存型輸出。
  J05接收模塊采用超外差,二次變頻結構,所有的射頻接收、混頻、濾波、數據解調,放大整形全部在芯片內完成,接收功能高度集成化。具有二種工作方式選擇,以適合解調不同的數據速率。當第3腳懸空(內部已上拉為高電平)時,射頻接收帶寬較寬,可適應發射頻率精度誤差較大的聲表諧振器穩頻的發射機及一般的LC發射機。當第3腳接地時,射頻接收帶寬較窄,解調濾波器帶寬較大,但要求配套的發射機必須具有較高的頻率精度及穩定度,發射頻率必須由晶體或精度較高的聲表諧振器穩頻。接收部分電路見圖6。

3 系統軟件設計
  3.1 前端系統的軟件實現
  智能壓力傳感器前端系統軟件包括初始化程序、壓力和溫度的數據采集程序、數字濾波程序、測量算法程序、發送程序等部分組成,源程序流程圖如圖7所示。
  系統初始化程序包括堆棧指針的設置、中斷源控制字設置和有關工作單元的初始化等。對于壓力信號的選通采用INT1申請中斷,在中斷處理程序中執行數據采集等任務,如圖8所示。在單片機與ICL7135的R/H相連的P3.4口輸出一個正脈沖,則開始啟動A/D進行轉換。在A/D轉換期間STRB端口為高電平,在A/D轉換結束后,STRB端口輸出5個負脈沖。可以利用STRB端口的下降沿請求中斷,連續響應5次INT1中斷即為一次轉換結果。單片機P0.0~P0.3口通過B1~B84位端口依次讀入萬、千、百、十、個位的BCD碼。當所有位數BCD碼讀完,數據存入RAM單元后,即完成一次壓力信號的讀取。對于溫度信號的選通測量也采用類似的方法,這里不再贅述。目前關于數字濾波的方法很多,有算術平均濾波、加權平均濾波、中值濾波和復合濾波等方法。本系統采用的是復合濾波方法,此法首先將n次采樣值按大小排隊,然后去掉zui大值和zui小值,再對剩下的n-2個采樣值求算術平均值。復合濾波法既可以去掉脈沖干擾,又可以對采樣值進行平滑加工,它兼有中值濾波和算術平均濾波的優點。關于溫度引起的壓力傳感器熱零點漂移現象,我們采用的是非線性函數多項式擬合的規范化方法。在程序中通過擬合出的規范化多項式,對壓力值進行溫度漂移的補償計算。zui后得到的壓力值數據經P1口發送到PT2262數據端,由PT2262編碼送F05發射數據。

                                            

         3.2 接收端的軟件實現
  接收端的軟件實現比較簡單,主要是解碼器PT2272將J05接收來的數據發送到單片機的P1口,經單片機處理后由P2口發送給LED顯示。具體流程圖見圖9。

                                        

4 實測結果分析
  測試時將數據采集發射電路與信號接收裝置相距20 m左右,將壓力傳感器置于恒溫槽中,在不同的溫度下進行了分組壓力測試,實驗結果如表1所示。


    從實驗結果可以看出,由于在智能傳感器系統中融入了溫度信息,并且應用多項式擬合的算法對壓力值進行了零點漂移補償計算,所以基本消除了溫度對壓力傳感器輸出信號的影響。但是當溫度升高時,誤差相對增大,zui大誤差為 

    此外,該壓力傳感器系統由于采用了無線技術來傳送采集到的數據信息,因此應用起來更加靈活可靠。尤其在一些環境惡劣的場所,較之傳統的有線壓力監測系統更具優勢,有利于實現遠程監測。該壓力傳感器無線數據采集系統具有廣泛的應用前景。

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