陸馳宇

（南京康尼電子科技有限公司 江蘇南京 210046）

一、引言

壓力計(jì)廣泛地應(yīng)用于礦井勘探、工業(yè)氣體壓力監(jiān)測(cè)以及生產(chǎn)活動(dòng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)機(jī)械式壓力計(jì)因操作復(fù)雜、讀數(shù)不能保持等缺點(diǎn)，已逐漸被電子式壓力計(jì)取代[1]。本文在研究電子式壓力計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力傳感器，將短距離藍(lán)牙通訊模塊集成到內(nèi)部，在手機(jī)APP端可顯示本次測(cè)量壓力的最大值和有效值，同時(shí)還可以在手機(jī)APP端實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ)和歷史查詢的功能[2]。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力檢測(cè)系統(tǒng)是由壓力計(jì)終端和手機(jī)APP兩部分組成，壓力計(jì)終端用于壓力測(cè)量，而手機(jī)APP則用于接收壓力計(jì)終端上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)和歷史查詢的功能[3]。壓力計(jì)終端是以STM32為控制核心，利用高精度應(yīng)變式壓力傳感器采集壓力值，通過精密放大電路對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，再利用STM32的內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而求出壓力值，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力檢測(cè)系統(tǒng)框圖

三、硬件電路設(shè)計(jì)

壓力計(jì)終端是由高精度壓力傳感器、傳感器供電電路、傳感器信號(hào)處理電路、主控電路以及藍(lán)牙傳輸電路組成[4]。其中高精度壓力傳感器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，其精度直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度；供電電路一方面給傳感器提供超低噪聲、低紋波的激勵(lì)電壓，另一方面為信號(hào)處理電路提供偏置電壓；藍(lán)牙傳輸電路用于將測(cè)力計(jì)終端的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP中，硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖

（一）傳感器供電電路

對(duì)于壓力的測(cè)量，系統(tǒng)選用高精度壓力傳感器，壓力傳感器精度可達(dá)0.1‰，分辨率高達(dá)1mV/N。系統(tǒng)選用超低造成、低紋波的電源轉(zhuǎn)換芯片MP2451DT，該芯片具有寬輸入電壓3.3V～36V之間，實(shí)測(cè)紋波電壓小于8mV，完全能夠滿足傳感器的測(cè)量精度。

（二）傳感器信號(hào)處理電路

系統(tǒng)采用TI設(shè)計(jì)的專用儀用放大器INA128U，其具有超低溫漂，0.5uV/℃；超低的補(bǔ)償電壓50uVmax；以及超低的偏置電流5nAmax；這些優(yōu)點(diǎn)使得該款運(yùn)放非常適合于本文的傳感器信號(hào)放大，最大可將輸入信號(hào)放大約1000倍。

（三）藍(lán)牙傳輸電路

藍(lán)牙傳輸電路是將系統(tǒng)測(cè)得的壓力值實(shí)時(shí)發(fā)送給手機(jī)APP，藍(lán)牙模塊通過UART口與STM32之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，選用的藍(lán)牙模塊具有休眠、透?jìng)?、連接成功指示等功能，當(dāng)藍(lán)牙模塊處于某一狀態(tài)時(shí)，與其連接的I/O口會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的高低電平變化，通過高低電平的變化來判斷藍(lán)牙的狀態(tài)。

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括壓力計(jì)終端軟件和手機(jī)APP軟件，其中壓力記計(jì)終端軟件是研究的重點(diǎn)。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上軟硬件設(shè)計(jì)，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力檢測(cè)系統(tǒng)后，開始對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試。首先對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，利用最小二乘法擬合出壓力－電壓的數(shù)據(jù)曲線，再將數(shù)據(jù)曲線算法寫入到STM32內(nèi)部，最終通過檢測(cè)到的電壓值反推出壓力計(jì)受到的壓力值。

（一）校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行聯(lián)調(diào)之前，需要對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行壓力校準(zhǔn)。已知壓力傳感器輸出電壓與受到壓力成正相關(guān)關(guān)系，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼來進(jìn)行標(biāo)定，記錄每次疊加砝碼系統(tǒng)輸出的電壓值，利用最小二乘法擬合出壓力－電壓曲線。

根據(jù)最小二乘法擬合出的數(shù)據(jù)曲線如下式所示：

最小二乘法擬合線性誤差為0.38%。

式中y：是砝碼質(zhì)量，單位Kg；x：為系統(tǒng)輸出電壓，單位mV；

（二）準(zhǔn)確性測(cè)試驗(yàn)證

由上式（1）可知，通過最小二乘法擬合出的線性誤差為0.38%，該誤差遠(yuǎn)小于預(yù)期。在標(biāo)定完成之后，開始進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可利用壓力測(cè)試儀來測(cè)試本文壓制的壓力計(jì)的準(zhǔn)確性，將此壓力加載到壓力計(jì)上。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)整體測(cè)量誤差小于0.5%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（三）與APP聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

在驗(yàn)證完壓力計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性之后，開始進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。當(dāng)將壓力加載到壓力計(jì)上，手機(jī)APP界面可顯示出測(cè)量壓力的最大值和有效值，APP端還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每次測(cè)得壓力值的存儲(chǔ)和歷史查詢的功能。測(cè)試結(jié)果顯示如圖4所示。

圖4 手機(jī)APP與測(cè)力計(jì)聯(lián)調(diào)測(cè)試

六、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的壓力檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于采用無線方式建立測(cè)力終端與手機(jī)APP之間的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的聯(lián)網(wǎng)型壓力計(jì)具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單，便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢。