智能压力传感器的研究与开发定稿.docx

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智能压力传感器的研究与开发定稿

智能压力传感器的研究与开发

摘要

为了提高压力传感器的精度，解决功能单一的问题设计了一种新型的智能压力传感器。

该压力传感器以MSP430单片机为控制核心，通过A/D转换接口实现对压力传感器的温度和压力信号的采集，利用BP网络算法实现了对采集信号的数据拟合，利用LED显示，利用RS485串口通讯实现数据交换及压力值输出，完成功能要求。

详细叙述了压力传感器的温度补偿方法，重点讨论了人工神经网络中的BP网络算法。

BP网络算法主要包括BP网络的结构，基于MATLAB神经网络工具箱的BP网络仿真。

根据BP网络的数据连接关系实现了BP网络的C语言表示，根据BP网络的权值、阈值由数组连接实现了向MSP430单片机的程序移植，完成信号的控制。

提出了基于遗传模拟退火BP网络算法的压力传感器温度补偿系统。

设计了压力传感器的硬件电路。

利用MPM280压力传感器测量压力，通过放大器实现温度和压力信号的放大，利用MSP430自带A/D转换的12位MSP430单片机实现信号处理，通过RS485实现输出，设计了显示功能，设计了丰富的电源电路，并且通过相应的电压转换芯片实现对各个模块的不同电压供电。

实现了压力传感器的软件设计，在MSP430编译软件IAR上利用C语言实现了初始化子程序，温度和压力A/D采样程序，BP网络信号处理子程序，显示子程序和RS485通讯子程序。

设计了基于MATLABGUI的串行通讯压力传感器标定软件，在GUI上实现了对单片机的信号采集，BP网络训练以及对单片机的串行通信实现的在线标定的功能。

研究设计的智能压力传感器具有体积小、精度高，并实现了基于MATLAB的BP网络在线标定。

通过仿真对软、硬件进行了充分的调试，效果良好，在工业现场已经应用实现，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。

关键词：

压力传感器，MSP430单片机，温度补偿，BP网络算法

RESEARCHANDDEVELOPMENTOFSMARTPRESSURESENSOR

ABSTRACT

Anewtypeofsmartpressuresensorisdesignedfortheproblemofpressuresensor'soutputlowprecisionandsinglefunction.ThepressuresensortakestheMSP430MCUascontrolcore,andtemperatureandpressuresignalgatheringisrealizedthroughA/DconverterinterfaceandthedatafittingofthecollectedsignalsisrealizedbyBPnetworkalgorithm,andthefunctionalrequirementsarecompletedwiththeuseofLEDdisplay,withtheuseofRS485serialcommunicationfordataexchangeandthepressurevalueoutput.

Thispaperdescribesapressuresensortemperaturecompensationmethod,focusedontheartificialneuralnetworkBPnetworkalgorithm.BPnetworkalgorithmincludesBPnetworkstructure,basedonMATLABneuralnetworktoolboxoftheBPnetworkemulation.TheBPnetworkisexpressedbyClanguageaccordingtoBPnetworkdataconnectionrelations,aswellastheBPnetworktotheMSP430microcontrollerprogramtransplantationaccordingtoBPnetworkweights,thethresholdachievedbythearrayofconnections.AndthegeneticsimulatedannealingalgorithmforBPnetworkpressuresensor’stemperaturecompensationsystemisproposed.

Thecircuitofthispressuresensorisdesigned,usingMPM280pressuresensorstomeasurepressure,usingamplifiertodealswithtemperatureandpressure,usingA/Dconversionof12-bitMSP430microcontrollerforsignalprocessing,achievedoutputthroughtheRS485,displayisdesigned,thedesignofpowersupplycircuitisenough,andthroughthecorrespondingvoltageconversionchipforeachmoduleofthedifferentvoltagesupply.

Toachieveapressuresensor-basedsoftwaredesign,software,IAR'sMSP430compilertouseClanguagetoachievetheinitializationsubroutine,temperatureandpressureofA/Dsamplingprocedures,BPnetworksignalprocessingroutines,displayroutines,andRS485communicationssubroutines,designedbasedonMATLABGUIforserialcommunicationpressuresensorcalibrationsoftware,intheGUItoachievesignalacquisitionofMCU,BPnetworktrainingandthemicrocontrollerserialcommunicationtoachieveon-linecalibrationfunction.

Theresearchdesignofsmartpressuresensorsystemhasthecharacteristicsofsmallsize、lowcost、reliability、fastresponseandhighdegreeofintelligence,andtheonlinecalibrationofBPnetworkinMATLABisrealized.Afulldebuggingforthehardwareandsoftwareisachievedthroughsimulation,andhasagoodeffect.Theapplicationintheindustrialfieldhasbeenachieved,andinmanypressuremeasurementandcontrolsystemhasbroadapplicationprospects.

KEYWORDS：

Pressuresensor,MSP430microcontroller,temperaturecompensation,BPnetworkalgorithm

1绪论

1.1传感器相关介绍

信息革命的两大重要支柱是信息的采集与处理，信息采集的关键是传感器，传感器技术[1,2]已经成为现代信息技术的重要支柱之一，在当代科学技术领域有着重要的地位。

传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，其生产能力与应用水平直接影响到技术的发展与应用。

传感器种类繁多，其是和人类的感觉器官相对应的元件。

国家标准的定义是：

能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件与装置，通常是由敏感元件和转换期间组成。

　智能传感器，据Honeywell工业测量与控制部产品经理TomGriffiths的定义：

“一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监控系统和/或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。

”智能传感器的特征是带有微处理器，本身具有采集、处理以及交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。

与一般传感器相比，智能传感器具有三个优点：

通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。

　总体而言，智能传感器[3,4]的有以下功能：

（1）具有双向通讯、标准化数字输出或者具有符号输出功能；

（2）能够自动采集数据并能够对数据进行预处理；

（3）具有自动补偿功能；

（4）具有判断、决策处理的功能

（5）具有数据存储、记忆与信息处理功能；

（6）能够自动进行检验、自选量程、自寻故障；

（7）具有自校零矫正、自标定、自校正功能；

（8）具有一定的高精度；

1.2智能压力传感器介绍

1.2.1压力传感器

压力传感器是测量压力﹑压强的仪器，一般意义上讲压力传感器主要由测量元件传感器，测量电路和过程连接件组成，他能过将气体，液体等压力信号转化成标准的电信号，以供控制领域使用，或者进行二次测量。

本文选择的传感器是压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是应用最广泛的压力传感器之一。

压阻式压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，易于微型化和集成化等特点，因此获得广泛应用，而且是发展迅速的一种新的物性型传感器，它具有灵敏度高、动态响应好、精度高等特点。

1.2.2智能压力传感器的定义

由于非智能压力传感器的硬件电路温度补偿精度不高，随着计算机技术的发展使通过微处理加一定算法的软件补偿方式成为可能。

所谓智能压力传感器就是一种带有微处理器的，由于如DSP，ARM芯片在压力传感器上应用是大材小用，一般来说微处理器是单片机，并且随着控制系统的要求，智能压力传感器[5]兼有信息存储、信号处理、自身故障自检及报警、信息检测的压力传感器。

智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力，其主要是通过微处理器的程序来完成的，主要的核心是数据拟合算法，所义说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物，可以说将人的思维嵌入到微处理器中，按照人的思维去操作控制。

其典型结构如图1-1所示。

图1-1智能压力传感器结构图

Fig1-1Thestructureofsmartpressuresensor

智能型压力传感器的一般实物图如图1-2所示,其前端有螺纹部分为感受

压力部分，通常是以螺旋方式嵌入到液体或气体中，前端是信号线主要是给压力传感器供电以及实现感受压力输出的。

1.2.3智能压力传感器的功能

微处理器能够在智能压力传感器系统中按照给定的程序对传感器实现软件控制，利用软件控制算法实现数据拟合，进而实现精度的提高，把传感器从单一功能变为多功能。

智能压力传感器一般都具有基本功能：

人机对话功能：

可以将计算机、智能压力传感器、仪表等器件组合在一起，配合操作人员指导工作，减少操作失误和读数失误，及时进行修改，可配备各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活的人机对话功能进行人机对话。

数据处理功能：

智能压力传感器能对各个被测参数进行测量，并能够根据已知被测参数利用计算方法实现输出数据拟合结果，并能够根据自身的特征分析判断并自动调零、自动平衡、自动补偿等。

接口功能：

可以通过一些列的标准通讯协议将传感器的输出值传送到远方，标准的协议主要有RS485通讯协议，CAN总线，MODUS总线等，另外智能化传感器可以将数据通过DA转换实现模拟量电压电流形式的输出，以满足客户要求。

软件组态功能：

可以在上位机上编写GUI来更好的配合下位机的要求，如获取下位机工作环境的信息，并实现与下位机的信息交互等。

信息存储和记忆功能：

为了防止数据丢失影响生产，智能压力传感器具有信息存储、记忆功能，能把测量参数、状态参数等通过RAM和EEPROM进行存储。

可以设置掉电保护以防止数据的丢失。

1.2.4智能压力传感器的特点

根据智能型压力传感器功能[5]，可以简单规划为一下几点：

（1）高性能价格比的特点。

（2）高信噪比和高分辨率的特点。

（3）灵活性强的特点。

（4）强自适应性的特点。

（5）精确度高的特点。

（6）设计制造容易，使用维修简单的特点。

（7）高可靠性和高稳定性的特点。

（8）集中控制的功能。

（9）灵活性强的特点。

1.3智能型压力传感器研究现状与发展趋势

1.3.1我国压力传感器研究现状

我国传感器产业[6～8]起步晚，但是发展速度很块，特别是改革开放之后。

早在八十年代之前，我国的传感器的研究单位主要是集中在科研单位和大学高校，如中国科技大学，北京航空航天大学，浙江大学等研究机构。

如1996年，河北工业大学研制了WPS-1型智能压力传感器，1996年，河北工业大学研制了WPS-1型智能压力传感器，信息产业部第49研究所也对智能压力传感器进行了研制，并取得了一定的成果。

进入到90年代以及21世纪前十年，我国的传感器厂家发展到成百上千家，都有一定的智能型压力传感器的出现。

如西安中星测控有限公司推出的PT600系列智能型压力传感器，成都先达电子有限公司生产的PS1016系列智能压力传感器，上海托克智能仪表有限公司生产的DH4智能数显电流电压表，苏州敏芯推出MEMS压力传感器芯片，它们的特征是有相对较高的精度，宽温度范围下使用，宽量程等。

目前的压力传感器的品种繁多，应用领域范围大大拓宽，已有微压、表压、高压、绝对压力、差压等力敏元件及其配套仪表在销售，已经基本满足生产生活要求。

1.3.2国外智能压力传感器研究现状

由于历史条件，国外的压力传感器技术起步早，发展早，技术相对先进，但是这种优势应经相对国内已经没有以前那么明显，但是力敏感元件上的压力传感器的研制核心技术国外仍然有优势。

国外压力传感器的发展主要有两条途径，其一是以美国为代表的优先发展军工在由军工过度到民用的阶段，这种途径能在较长时间内在压力传感器行业保持技术优势，但是由于要保持科学技术的领先地位要投入大量的人力物力，经济回收效率很慢。

其二是以日本为代表的先生产普及在进一步技术提高的途径，首先引进再生产研制，这样能够形成规模，迅速占领市场，具有很好的效益优势。

honeywell于2009年推出了0到10英寸水柱表压、±10英寸水柱差压、±5英寸水柱差压的各种压力传感器。

该传感器为超低功耗传感器，采用集成电路进行内置放大与信号调理，可以更快地读取更精确的压力读数。

伊玛电子推出了PA系列压力传感器，其具有高精度，可扩展的压力范围，可编程的智能型压力传感器，并设置有电源保护的功能。

据了解,在1994年世界传感器市场总的交易额达到260亿美元,并且在2000年以的前,世界传感器市场规模年增幅为7%以上,其中高档传感器增幅可达20%以上,而那些采用微机械加工技术（MEMS）和微系统技术等高新技术制造的各类型新型智能传感器,其年增长率可达25%以上，到2006年交易额突破500亿美元。

1.3.3智能压力传感器发展趋势

随着科学技术的发展，为了和控制技术向结合，智能型压力传感器向小型化，集成化，智能化，标准化，系列化方向发展，并且向无线传感器方向发展，传感器之间的通讯也有可能实现。

总之，智能压力传感器是随着客户需求而发展的。

纵观几十年的压力传感器的发展情况，智能压力传感器的发展趋势[9～12]主要是有两个方面。

其一是寻找新原理，新工艺，新材料来提高压力传感器的本身感应压力信号的能力。

其二是提高压力传感器的技术性能。

为了提高压力传感器的技术性能参数，可以通过以下几个方面：

1）差动技术：

利用差动技术可以消除共模误差，减小非线性误差。

2）平均技术：

其原理是利用若传感器同时感受被测量，输出其平均值。

3）补偿与修正技术：

针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。

4）屏蔽、隔离与干扰抑制：

压力传感器的工作场合有可能很复杂，会受到电磁波的干扰，可以设置抗干扰技术减少对传感器的影响。

5）稳定性处理：

随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。

为了提高传感器性能的稳定性，可以对材料、元器件或传感器等整体进行电压稳定性处理。

开发新型传感器让你仍然是未来发展的一个方向，开发新型的压力传感器主要是基于利用新原理来填补传感器的空白，新原理的开发有很大一方面是来自于大自然的灵感。

开发新型压力传感器的另外一个方面是新材料的研发，纵观新材料的发展趋势，主要是有：

a）从单晶体到多晶体、非晶体；b）从单一型材料到复合材料；c）原子（分子）型材料的人工合成。

利用复杂材料来制造性能更加良好的压力传感器是今后的发展方向之一。

另外研究智能材料，采用新工艺仍然是研究的一个方向。

1.4课题研究的内容与意义

1.4.1课题研究的内容

在一定的温度和压力下，要改善传感器的非线性变化引起的输出误差特性

这里是将温度作为非目标参量采用人工神经网络算法中的BP网络算法对其实现软件补偿的，即看做标定压力是温度和所加压力的二维函数，这种二维函数用BP神经网络进行映射。

该BP网络分为输入层，表示温度和压力的输入，第一隐含层，为5个神经元，第二隐含层为4个神经元，输出层，为1个神经元。

根据BP网络的自组织自学习能力，完成对训练样本下的BP网络训练，实现压力传感器的非线性映射。

分析了智能型压力变送器的硬件电路设计，以及软件实现方式，针对BP网络的应用复杂的问题，设计了基于MATLAB的GUI标定界面，通过一定的通讯协议，在该界面上完成对下位机工作环境温度和压力信号的采集，通过自动组建BP网络在GUI界面上实现在线训练，利用通讯协议完成在线标定的功能，实现了批量生产的目的。

在MATLAB环境下实现了BP网络算法，分析了对于BP网路易陷入局部极小问题，分析了用于优化的遗传模拟退火BP网络算法，该算法对加速BP网络的训练起到优化作用，并对陷入局部极小实现了改进。

1.4.2研究背景及课题研究的意义

对压力传感器的研究仍然是一个很重要的领域，对压力传感其的研究主要是提高其精度方面，国外的技术先进，传感器的售价比起国内来说很贵，但是销售情况来看并不比国内的商家差，主要原因还是国内产品技术相对有一定的差距。

所以改善压力传感器的产品具有一定的商业意义，对我国经济的发展也有一定的贡献。

对压力传感器的数据拟合，以往在生产过程中都是采用线性差值方法或者最小二乘法等拟合方法，还没有利用BP网络算法进行数据拟合的，这里利用BP网络算法对压力传感器进行数据拟合，也是对研究的一次创新。

该课题为在公司实习课题，对于压力传感器的标定还没有用过BP网络算法标定的情况实现了用BP网络算法进行数据拟合，并且实现了在线标定并应用到批量生产的目的。

1.5本论文的主要工作

本研究论文共包括六章，具体介绍如下：

第一章绪论。

研究智能压力传感器的特点、功能，并介绍了智能压力传感器的研究国内外研究现状及发展趋势，总结本文的主要工作及研究的意义。

第二章详细说分析了用于压力传感器数据拟合的线性差值法，多维曲线拟合法，多维曲面拟合，BP网络算法等，介绍了MATLAB人工神经网络工具箱，以及BP网络算法在压力传感器标定中的应用，介绍了利用遗传模拟退火算法对BP网络进行优化的方法。

第三章系统的总体设计。

主要对智能压力传感器硬件电路概述，以及智能压力传感器的硬件的总体设计。

设计了以MSP430单片机为核心的硬件电路。

第四章系统软件设计。

硬件设计主要围绕微处理器即单片机的选型、A/D转换、接口电路、显示电路、等作了一定的研究工作，提出了相应的设计方案，并介绍了以MATLAB的GUI为核心的标定界面。

第五章总结与展望。

总结本文所进行的工作，总结本文的创新点，展望智能压力传感器的发展与趋势。

2压力传感器温度补偿方法

2.1压阻式压力传感器的温度漂移

压阻式传感器[13～15]是根据半导体的电阻率随应变力变化的性质制成的半导体器件,当电阻受到力作用的时候，电阻的电阻率发生变化，这种情况称为压电效应，对于这种情况半导体材料更为明显，特别是硅型压力传感器。

硅压阻式压力传感器的核心部分是一硅膜片,集成在硅片上的四个等值电阻连成平衡的电桥,当被测压力作用在硅片上时,电阻的阻值由于电阻率变化就发生变化,电桥失去平衡,产生了电压电压差，就相应有电压输出。

外界压力通过外壳的接口，加到传感硅片上，引起传感硅片上惠斯通电桥的四个电阻阻值发生变化，引起传感硅片上惠斯通电桥的四个电阻阻值发生变化，阻值的变化就转化为电压信号输出。

扩散硅压力传感器具有滞后和蠕变小﹑灵敏度高﹑量程适应度广等优点，应用潜力很大。

但是由于压力传感器的前端压敏材料是由半导体材料制成的，半导体材料的主要特征之一就是受到温度的影响较大，如硅材料和温度t就有一个指数型的关系，从因果关系上来讲，扩散硅压力传感器的输出电阻值存在温度漂移，表现为一定的指数型关系。

温度漂移问题的表现即输出电压值不是完全的和锁甲压力值呈现线性关系，并且和温度呈现函数关系，即加相同的压力的条件下，温度发生变化电压输出值也会发生变化。

通过检测，这种变化不是完全的自由式变化，而是有一定规律的，如呈现递减型，递增型或者抛物线型变化。

2.2压阻式压力传感器的温度补偿方法

压阻式压力传感器的温度补偿方法有硬件电路补偿和软件补偿方法，在硬件电路补偿中，压力传感器制作是利用在硅片上制造出四个阻值相等的薄膜电阻，并组成惠斯登电桥，其原理是当惠斯登电桥不受外力作用时，电桥处于平衡状态，无输出电压值为零；当受到压力的作用时，四个压敏电阻会发生阻值变化，电桥就会失去平衡，电桥输出相应的电压，通过材料的选定，电桥输出的电压与压力是做到成比例的。

由于温度的影响，四个电阻的阻值变化表现为所受压力和温度的二元函数，将使传感器的温度漂移。

传感器的温度漂移可采用在电桥电路中串联，并联补偿电阻的方法来解决。

对于软件补偿方法主要是随着计算机技术的发展，将待补偿数据通过A/D转换通道输入到微处理器中，利用一定算法实现温度补偿的，其根本方法有插值法，曲线拟合法，曲面拟合法，人工神经网络算法等。

2.2.1硬件电路补偿方法

硬件电路的补偿方法主要是在惠斯登电桥上改善压力传感器的特性，其中的一个常用的例子就是在桥壁上并联或者串联电阻的方式来实现温度补偿。

例如，如果传感元件是一个正向温度系数的压敏电阻，我们可以串联上一个浮想温度系数的热敏电阻以抵消正温度系数的压敏电阻的阻值变化。

当温度改变时，当传感元件的阻值增大时，热