一种基于MPX2100型压力传感器的压力数据采集系统

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：

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)。

2、单片机及其外围电路部分

单片机外围电路如图4所示。

(1)AT89S52介绍

单片机选用的是ATMEL公司新推出的AT89S52，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术;

②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器;

③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式;

④片内含有一个看门狗定时器(WDT)，WDT包含一个14位计数器和看门狗定