MPX2100型壓力傳感器的數據采集系統

在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業及科研領域中，都必須進行相關的壓力檢測與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢，但在測量壓力值并把它由非電量轉變成電量這一過程中，要求精度非常高，本文介紹了一種通用的高精度壓力數據采集系統。系統的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，在高性能單片機AT89S52的控制下，放大調理后的模擬電量通過高精度、高性能芯片ICL7135進行A/D轉換，可以保證系統具有很高的數據采集精度和很強的抗干擾能力，使用壽命長。系統采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口，實現了良好的人機交換。PLD技術的應用，節省了硬件電路的開銷。

一、系統的硬件組成及工作原理

高精度壓力數據采集系統框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號被放大調理后經模/數轉換模塊轉換為數字量，傳送給單片機，經過標定、運算及零點補償等處理，在液晶顯示模塊上顯示出來，同時可經串行接口傳送到上位機，實現良好的人機交換，鍵盤提供人機交互的手段。

1、壓力數據采集及信號調理電路

壓力傳感器是一種將壓力轉換成電流/電壓的器件，可用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多，其中硅半導體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優點得到廣泛的應用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種，它是在硅片上用擴散或離子注入法形成四個阻值相等的電阻條，并將它們接成一個惠斯登電橋。當沒有外加壓力時，電橋處于平衡狀態，電橋輸出為零。當有外加壓力時，電橋失去平衡而產生輸出電壓，該電壓大小與壓力有關，通過檢測電壓，即可得到相應的壓力值。但這種傳感器由于四個橋臂電阻不完全匹配而引起測量誤差，零點偏移較大，不易調整。

Motorola公司生產的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點。如圖2所示，與惠斯登電橋不同，Motorola專利技術采用單個X型電阻元件，而不是電橋結構，其壓敏電阻元件呈X型，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計算機控制的激光修正技術，溫度補償技術，使Motorola硅MPX系列壓力傳感器的精度很高，其模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓，具有極好的線性度，且靈敏度高，長期重復性好。此系列中的MPX2100DP壓力傳感器是一種高精度硅壓式壓力傳感器，本系統采用MPX2100DP作為壓力傳感器，可以很好地滿足系統的要求，它具有如下特點：

①由于采用激光微調技術，使電橋零漂輸出很小，一般小于±1mV;

②傳感器靈敏度較高，為40mV±1.5mV;

③傳感器由熱敏電阻組成溫度補償網絡，在-40℃"+125℃范圍內有較好的溫度補償效果，從而提高了傳感器的精度;

④具有極好的線性度(±0.25%F.S);

⑤有較寬的工作溫度范圍(-40℃"+125℃);

⑥允許過載大(400%)。

(2)信號調理電路

電路圖如圖3所示(圖中只以一路傳感器輸出信號為例，未畫出多路開關CD4051)。

信號經高精度壓力傳感器MPX2100DP變為電信號，通過CMOS型8選1多路開關CD4051選擇之后，再送入放大電路，進行調理后輸出到A/D模塊ICL7135進行高精度模數轉換。MPX2100DP的供電電壓取為8V，它的滿量程輸出x由下式確定：

x=40mV×8V/10V=32mV(1)

對于電壓輸出邏輯電平定為5V，顯然32mV的電壓要進行適當的放大。

放大器采用MC33274四運算放大器，它組成一個儀表放大電路，具有高差模增益和高共模抑制比，輸入阻抗高，可調節偏置電路。差模放大主要由U1A完成，U1B為電壓跟隨器，用來防止運放的反饋電流流入傳感器的負端。零壓力時，傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設2端和4端的共模電壓各為4V(傳感器電源電壓的一半)，則U1A的端電壓也是4V，該電壓經U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R4和RP1引入。R7值的選擇從13端看過去的阻抗約為1kW，放大器的增益為：

選擇125的增益使傳感器滿量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032=4V(為電源電壓的一半)。