華世能

（長江大學電子信息學院 434000）

淺談智能壓力傳感器系統(tǒng)設計

華世能

（長江大學電子信息學院 434000）

隨著電子信息技術的發(fā)展，智能壓力傳感器被廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)和各類電子測量設備。本文重點討論了智能壓力傳感器的系統(tǒng)理論，以及在壓力檢測應用上的科學原理，并結合計算機科學理論闡釋了智能壓力傳感器的系統(tǒng)設計流程。

智能；壓力；傳感器；設計

前言

眾所周知，“壓力”的測量值不僅是實際工廠生產(chǎn)中的重要參數(shù)，也是我們?nèi)粘Ｉ钪泻饬慷喾矫媸挛锏膮⒖紭藴?。研究智能壓力傳感器的系統(tǒng)設計，不僅是智能科技技術精益求精的發(fā)展必然，更是對提高未來工廠自動化生產(chǎn)的安全高效性具有重要意義。

1 智能壓力傳感器理論綜述

智能壓力傳感器是基于傳統(tǒng)壓力傳感器之上，具備高精度、高靈敏性和高自動化特點的應用型產(chǎn)品，所以在了解智能壓力傳感器之前，必須先了解傳統(tǒng)壓力傳感器的相關內(nèi)容。傳統(tǒng)的壓力傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量（壓力信號），并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的一種器件或裝置，一般包括敏感元件、轉換元件和基本轉換電路三部分，其工作原理和流程可簡述為，由被測物體的重力產(chǎn)生被測壓力，通過敏感元件將壓力傳遞給轉換元件，轉換元件負責將壓力信號通過編譯傳遞給基本轉換電路，以電信號的形式輸入到計算機系統(tǒng)，通過程序指令展現(xiàn)在人工可讀的儀表上。傳統(tǒng)壓力傳感器的類型可根據(jù)其工作原理和材料的不同而有所分類，比如按工作原理可分為電容式、壓阻式、壓電式、電感式等，按材料可分為半導體式、光學式、金屬式、金屬-氧化物等。

傳統(tǒng)壓力傳感器雖然能夠對壓力進行一定精度的測量，但不同的工作原理對應有非常嚴格的制作材料和制作程序，所以在性能和材料成本的結合上往往不能讓用戶滿意，要想性能優(yōu)越，成本就隨之上升。另外，傳統(tǒng)壓力傳感器非線性的系統(tǒng)容易產(chǎn)生時間漂移的現(xiàn)象，不同的氣壓、噪音和溫度環(huán)境，對參數(shù)的變換也有重要的影響，這些傳統(tǒng)壓力傳感器固有缺陷的存在，讓新型智能壓力傳感器的研發(fā)成為大勢所趨。

相較于傳統(tǒng)壓力傳感器，新型智能壓力傳感器的優(yōu)越之處在于系統(tǒng)原理的升級和技術手段的更新，通俗來講，智能壓力傳感器主要依靠集成電路和微機械技術，以芯片的形式，將各元件與功能強大的電路加以集成，當被測物品產(chǎn)生壓力的時候，經(jīng)過預處理環(huán)節(jié)，通過模擬信號數(shù)字化輸入到微型機，微型機通過信息處理及校正軟件，對檢測出的數(shù)字化信號進行數(shù)理統(tǒng)計和分析，這樣就能以程序化運行的方式對系統(tǒng)是否具備線性，以及周邊環(huán)境中的溫度、噪音、交感時間、漂移現(xiàn)象和響應時間作出補償，最后通過轉換電路顯示出高精度的測量數(shù)值。集成電路和微機械技術的應用，大大地降低了智能壓力傳感器的體積、功耗和成本，性能上也具備高速度和高精度的特點，值得一提的是，智能壓力傳感器還具備信息記憶和儲存功能，給微型機自我診斷和自我修正提供了大量的參考數(shù)據(jù)，未來的智能壓力傳感器還將在數(shù)據(jù)通訊功能上加以發(fā)展，實現(xiàn)更好的人機交互，進一步提高信息處理的質量。

2 智能壓力傳感器系統(tǒng)的硬件設計

智能壓力傳感器系統(tǒng)的硬件設計應該從硬件的選擇上開始，主要是壓力傳感器工作原理、A/D轉換模塊、微處理器和電路的選擇。壓力傳感器最常見的兩種選擇分別是電阻應變式和差動式電容傳感器，前者具有結構簡單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高、動態(tài)響應快、適合靜態(tài)及動態(tài)測量、測量精度高等諸多優(yōu)點，主要部件是電阻應變片和彈性元件，從應變片電阻值的變化來判斷被測物品的位移加速度、壓力值、力矩等重要參數(shù)；而后者利用壓阻效應，集成化程度較高，同時也具備高精度、高靈敏性的特點，兩種選擇都是硬件系統(tǒng)中接收壓力信號的一部分，根據(jù)產(chǎn)品的功能定位而合理選擇。

A/D轉換模塊是以集成芯片為主，將模擬信號轉化為數(shù)值的“中轉站”，上述已經(jīng)對芯片的特點有所論述，值得補充的是，芯片的分辨率和通道決定A/D轉換模塊對模擬量的處理能力，一般常見選擇是8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。然后就是微處理器，智能壓力傳感系統(tǒng)都是基于單片機控制的，單片機的型號選擇與上述壓力傳感器一樣，取決于產(chǎn)品的功能定位，比如某單片機的型號是AT89C51，是一種帶4K字節(jié)閃爍、可編程可擦除、只讀存儲的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，單片機有效地提高了智能壓力傳感器的信息處理速度。電路的選擇上，除了上述必要的系統(tǒng)控制電路，很多智能壓力傳感系統(tǒng)配備有顯示電路、超限報警電路、復位電路等。

3 智能壓力傳感器系統(tǒng)的軟件設計

如果說硬件設計是智能壓力傳感器系統(tǒng)的“血肉”，那么軟件設計就是智能壓力傳感器系統(tǒng)的“神經(jīng)”，二者缺一不可。軟件設計主要利用的是計算機C語言編程技術，C語言是結構式語言，結構式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護以及調試。C語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結構化。

智能壓力傳感系統(tǒng)的軟件設計包括A/D轉換器的軟件設計、芯片接口軟件設計、單片機與鍵盤的接口軟件設計、數(shù)值屏顯軟件設計等，流程是先制作出程序流程圖，然后將程序指令編譯成代碼，最后通過系統(tǒng)調試檢驗合格的。限于文章篇幅所限，具體的程序流程圖和C語言程序代碼就不一一例舉了。

4 結語

目前智能壓力傳感器在信息集成化和控制自動化化這兩個方面有了較大的研發(fā)成果，但要想實現(xiàn)完全自主的人工智能，仍然還存在一定的差距。作為廣大正在高校學習電子信息技術的學生而言，學習好專業(yè)理論知識，多練習計算機技術，是具備科技智能產(chǎn)品研發(fā)能力的基礎。

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2016-2-1