基于MPX2100型传感器的高精度数据采集系统

　　摘要：在压力的测量与分析中，通常压力值的变化速度不快，但要求测量精度很高。本文介绍了一种基于MPX2100型压力传感器的高精度压力数据采集系统，给出了X型硅压力传感器MPX2100以及A/D转换核心部件ICL7135各自的性能特点及其相关接口电路；提供了系统的组成框图、各主要部分电路图及A/D转换软件设计流程图。
　　
　　关键词：高精度；压力传感器；数据采集；A/D转换；液晶显示；单片机
　　
　　一、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。通常压力值的变化速度较缓慢，但在测量压力值并把它由非电量转变成电量这一过程中，要求精度非常高，本文介绍了一种通用的高精度压力数据采集系统。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，在高性能单片机AT89S52的控制下，放大调理后的模拟电量通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换，可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力，使用寿命长。系统采用液晶显示及PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换。PLD技术的应用，节省了硬件电路的开销。

　　
　　二、系统的硬件组成及工作原理
　　
　　高精度压力数据采集系统框图如图1所示。压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经模/数转换模块转换为数字量，传送给单片机，经过标定、运算及零点补偿等处理，在液晶显示模块上显示出来，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、压力数据采集及信号调理电路
　　
　　压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。
　　
　　Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图2所示，与惠斯登电桥不同，Motorola专利技术采用单个X型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈X型，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Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高，其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器，本系统采用MPX2100DP作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求，它具有如下特点：
　　
　　①由于采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于±1mV；
　　
　　②传感器灵敏度较高，为40mV±1.5mV；
　　
　　③传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40℃~+125℃范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；
　　
　　④具有极好的线性度（±0.25%F.S）；
　　
　　⑤有较宽的工作温度范围（-40℃~+125℃）；
　　
　　⑥允许过载大（400%）。

　　（2）信号调理电路
　　
　　电路图如图3所示（图中只以一路传感器输出信号为例，未画出多路开关CD4051）。
　　
　　信号经高精度压力传感器MPX2100DP变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100DP的供电电压取为8V，它的满量程输出x由下式确定：x=40mV×8V/10V=32mV（1）
　　
　　对于电压输出逻辑电平定为5V，显然32mV的电压要进行适当的放大。
　　
　　放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益为：
　　
　　（2）
　　
　　选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032=4V（为电源电压的一半）。