智能压力传感器无线数据采集系统

引 言

 

      随着无线通信技术、计算机技术的高速发展并应用到传感器技术中，使压力传感器的无线数据采集成为可能，其特有的性能比传统压力传感器更具优势。它可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如高温、严寒、高湿的区域，受到污染的区域或环境被破坏的区域）和一些临时场合等，实现了传感系统的远程测试，这也是信息时代测试的必然趋势。

1 系统设计

　　本文设计的压力传感器无线采集系统由前端传感器数据采集发射部分及末端的数据接收部分组成。图1所示为传感器数据采集发射部分（上）和接收部分（下）的方框图。

 

 

　　传感器数据采集发射部分由压力传感器、温度传感器、信号处理部分、微处理器（一般是单片机）和无线发射电路组成。压力和温度传感器获取周围环境的压力、温度值。信号处理部分包括前项通道、程控放大器和A/D转换器，其功能是在程序控制下对传感器模拟信号提取放大，并进行模/数转换。微处理器负责控制系统各部分器件的工作并对数字信号进行处理。无线发射电路在微处理器的控制下，由编码器将采集到的信息数据进行相应的编码和处理，并用发射模块发射出去。
　　数据接收部分由无线接收电路、微处理器和显示部分组成，在微处理器控制下接收无线电传来的数据。当一组格式数据接收完毕后，由接收电路里的解码器对格式数据进行解码，获取环境当前的压力信息，然后将压力信息显示在LED接收面板上。

2 硬件实现

2.1 传感器
      传感器采用的是带有感温二极管的硅压阻压力传感器，被封装在专门制作的金属外壳中，通过多芯电缆与外围电路连接。压阻传感器的4个电阻组成桥路，用1 mA恒流源激励。感温二极管用来检测环境温度，以供给单片机部分温度参数。

2.2 程控放大器
　　程控放大器由模拟开关、输入放大器及接口电路组成。其作用是在程序控制下，分时选通压力信号与温度信号送入放大器输入端，与此同时还可以同步选择出此二路信号相应的增益，经放大器放大后分别输出A/D转换器所要求的压力、温度电压信号，以便进行A/D转换。
　　我们选用的CD4052为双四通道模拟开关，用以选择压力、温度信号。放大器AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（3～12 V）下提供满电源幅度输出。
2.3 A/D转换器ICL7135
　　ICL7135是高精度四位半CMOS双积分型A/D转换器，具有如下特点：（1）转换速度为3～10次/s，分辨率相当于14位二进制数，转换误差为±1 LSB，转换精度高。（2）量程范围0～1.999 9 V。（3）对输人的模拟信号过（欠）量程能够识别;具有自动转换和自动调零功能，可保证零点在常温下的长期稳定性。（4）与单片机可直接连接，不需地址选择信号。当ICL7135工作于双极性情况时，时钟最高频率为125 kHz，可采用555定时器作为ICL7135的CLK时钟输入。当ICL7135的积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分），其BUSY端输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。ICL7135的POL端为极性输出端。当输入信号为正时POL输出高电平;当输入信号为负时POL输出为低电平。B1、B2、B4、B8是BCD码输出端。A/D转换器的基准电压的精度和稳定性是影响转换精度的主要因素。为保证ICL7135的转换精度，我们采用高准确度、低温漂的带隙基准电压源MC1403向其提供1 V的基准电压。A/D转换器与单片机的基本连线见图2。

 

 

2.4 无线发射部分
　　发射电路部分由PT2262编码器和F05发射模块组成。其中PT2262是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编码电路，能将数据和地址编译成代码的波形。它最大有12位（A0～A11）三态地址端管脚（悬空，接高电平，接低电平），共有531441种地址代码。最大有6位（D0～D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。信号格式如图3所示，编码时序如图4所示。

 

 

　　F05具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，当发射电压为3 V时，发射电流约2 mA，发射功率较小，12 V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约5～8 mA，大于12 V直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。F05系列采用AM方式调制以降低功耗，数据信号停止，发射电流降为零。数据电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果，F05对过宽的调制信号易引起调制效率下降，收发距离变近。当高电平脉冲宽度在0.08～1 ms时发射效果较好，大于1 ms后效率开始下降;当低电平区大于10 ms，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码。如采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰，若是通用编解码器，可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10 ms。平时F05输入端应处于低电平状态，输入的数据信号应是正逻辑电平，幅度最高不应超过F05的工作电压。F05应垂直安装在印刷电路板边部，应离开周围器件5 mm以上，以免受分布参数影响而停振。发射部分电路见图5。

 

 

2.5 无线接收部分
　　接收电路部分主要由PT2272解码器和J05接收模块组成。其中PT2272最多可有12位（A0～A11）三态地址端管脚，任意组合可提供531441地址码，最多可有6位（D0～D5）数据端输出管脚，17脚为解码有效指示输出，PT2272分为锁存型输出或非锁存型输出。
　　J05接收模块采用超外差，二次变频结构，所有的射频接收、混频、滤波、数据解调，放大整形全部在芯片内完成，接收功能高度集成化。具有二种工作方式选择，以适合解调不同的数据速率。当第3脚悬空（内部已上拉为高电平）时，射频接收带宽较宽，可适应发射频率精度误差较大的声表谐振器稳频的发射机及一般的LC发射机。当第3脚接地时，射频接收带宽较窄，解调滤波器带宽较大，但要求配套的发射机必须具有较高的频率精度及稳定度，发射频率必须由晶体或精度较高的声表谐振器稳频。接收部分电路见图6。

 

 

3 系统软件设计

3.1 前端系统的软件实现
　　智能压力传感器前端系统软件包括初始化程序、压力和温度的数据采集程序、数字滤波程序、测量算法程序、发送程序等部分组成。
　　系统初始化程序包括堆栈指针的设置、中断源控制字设置和有关工作单元的初始化等。对于压力信号的选通采用INT1申请中断，在中断处理程序中执行数据采集等任务，如图8所示。在单片机与ICL7135的R/H相连的P3.4口输出一个正脉冲，则开始启动A/D进行转换。在A/D转换期间STRB端口为高电平，在A/D转换结束后，STRB端口输出5个负脉冲。可以利用STRB端口的下降沿请求中断，连续响应5次INT1中断即为一次转换结果。单片机P0.0～P0.3口通过B1～B84位端口依次读入万、千、百、十、个位的BCD码。当所有位数BCD码读完，数据存入RAM单元后，即完成一次压力信号的读取。对于温度信号的选通测量也采用类似的方法，这里不再赘述。目前关于数字滤波的方法很多，有算术平均滤波、加权平均滤波、中值滤波和复合滤波等方法。本系统采用的是复合滤波方法，此法首先将n次采样值按大小排队，然后去掉最大值和最小值，再对剩下的n-2个采样值求算术平均值。复合滤波法既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样值进行平滑加工，它兼有中值滤波和算术平均滤波的优点。关于温度引起的压力传感器热零点漂移现象，我们采用的是非线性函数多项式拟合的规范化方法。在程序中通过拟合出的规范化多项式，对压力值进行温度漂移的补偿计算。最后得到的压力值数据经P1口发送到PT2262数据端，由PT2262编码送F05发射数据。

 

 

3.2 接收端的软件实现
　　接收端的软件实现比较简单，主要是解码器PT2272将J05接收来的数据发送到单片机的P1口，经单片机处理后由P2口发送给LED显示。具体流程图见图9。

 

 

4 实测结果分析

　　测试时将数据采集发射电路与信号接收装置相距20 m左右，将压力传感器置于恒温槽中，在不同的温度下进行了分组压力测试，实验结果如表1所示。

 

 

     从实验结果可以看出，由于在智能传感器系统中融入了温度信息，并且应用多项式拟合的算法对压力值进行了零点漂移补偿计算，所以基本消除了温度对压力传感器输出信号的影响。但是当温度升高时，误差相对增大，最大误差为
     此外，该压力传感器系统由于采用了无线技术来传送采集到的数据信息，因此应用起来更加灵活可靠。尤其在一些环境恶劣的场所，较之传统的有线压力监测系统更具优势，有利于实现远程监测。该压力传感器无线数据采集系统具有广泛的应用前景。