基于MAX1452的压力传感器校准系统毕业设计(2)

中北大学2012届本科毕业设计说明书

2.2 传感器

2.2.1 压力传感器选型

为满足对系统设计的要求。我们对压电式、电容式、以及压阻式三种基于不同测量原理的微型压力传感器进行比较选型。

（1） 压电式传感器：基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。具有结构简单、电路简单、工作可靠的特点，但是，因自身所具有的较高噪声电平，不太适合流体力学的检测应用。

（2） 电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。优点是空间分辨率相对较大，对压力灵敏度高，具备固有的低温度敏感性，并能做到功耗非常低。缺点在于需要具有集成电子设备用于小电容信号的放大，接口电路要安装在紧靠传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响，增加了电路布板的复杂性[12]。

（3） 压阻式传感器：利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。主要优点是结构简单、输出阻抗低、线性度高、灵敏度高、输出信号是方便使用的电压，存在的主要问题是压阻材料对应力变化和温度变化都极为敏感，即温度敏感性和漂移大，但可以通过温度补偿电路予以补偿。

因为压阻式压力传感器具有膜片尺寸小、灵敏度高、结构简单、系统集成性好等优点，所以系统设计选择了SMI公司生产的硅微结构压阻式压力传感器SM5420，其采用惠斯通电桥结构、硅压敏电阻技术和比例输出，应用灵活，结构简单，具有微型化、低功耗、高精度、易配微处理器等优点；采用硅—硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内，用于大多数非腐蚀性气体和干燥空气的测量[13]。

SM5420压力传感器有如下特点：超小体积、超低成本；表面安装（SO-8）结构，适用于自动化元件贴装；工作温度：-40℃～125℃；静态精度小于±0.2%FSO；可提供100、200、350 和700kPa的绝压量程。

SM5420在恒压供电下，采用压阻式传感器工作原理，当压力变化时，引起桥臂阻值发生变化，从而引起电压信号产生变化，这些信号经信号检出电路综合后，形成在幅值及相位上随压力值而变化的电压信号，代表了压力值的大小和方向，产

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生一个与输入压力成正比的电压信号，用户可通过信号调节电路对其进行放大或增加其附加值以达到自身产品的需求[14]。

压力传感器SM5420的内部结构和各引脚如图[15]2.2。

图2.2 SM5420内部结构和引脚 2.2.2 补偿模块

压阻式传感器利用半导体材料的压阻效应来进行压力测量，因为具有体积小、重量轻、分辨率高等独特优点，在各行业得到了广泛应用。但由于半导体材料的固有特性，压阻式传感器普遍存在着如下几方面的问题：

（1）一致性问题：由于工艺的关系，即使同一批生产的传感器其特性也会有比较大的离散性，为了保证足够的精度必须对每个传感器进行校准[16]。

（2）温漂问题：半导体材料对于温度变化很敏感，因此温漂问题在压阻式传感器中尤其显得突出，实际应用中必须采取一定措施对传感器的温度漂移进行补偿。 （3）非线性问题：这是普遍存在于各种传感器中的问题，为了便于信号的传送及处理必须对传感器输出信号进行线性化处理[17]。

（4）传感器的原始输出信号都比较小，为了获得足够的分辨率或灵敏度，必须进行放大并使输出信号标准化。

以上这些问题需要利用适当的信号调理电路加以解决，传统的变送器普遍采用完全模拟的方式对传感器输出信号进行校准和补偿，信号在模拟域进行处理，校准

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与补偿采用激光微调薄膜电阻、电位器等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管等温度敏感元件[18]。低成本数字可编程器件的出现使得采用数字方式调整模拟函数成为可能，这种技术不对信号进行量化，信号通道还是模拟的，采用数字方式对传感器激励和放大器的增益和失调进行调整，实现高精度的校准和补偿。

本课题选用Maxim公司生产的低成本精密信号调理器MAX1452对压力传感器做数字补偿。MAX1452为16引脚SSOP封装，是一款高度集成的模拟传感器信号处理器，优化于工业和过程控制中采用阻性元件的传感器。

MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，可以逼进传感器所固有的可重复指标。全模拟信号通道不会在输出信号引入量化噪声，利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正，偏移量和跨度可以校准在±0.02%满度之内。用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性。

MAX1452的功能框图见图2.3。

图2.3 MAX1452功能框图

通过MAX1452的功能框图可知其包含可编程传感器激励、16级可编程增益放大器(PGA)、768字节(6144位)内部EEPROM、四个16位DAC、一个独立的运算放大

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器以及内部温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移温度系数(Offset TC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供灵活性的同时降低了测试成本[19]。

本课题中应用MAX1452的基本原理如下：

MAX1452主通道为完全模拟量通道，传感器信号的放大、校准、补偿等都在主通道中实现。其通过五个寄存器(ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTC DAC、CONFIG)把数字量转换成模拟量加载到模拟通道上，来具体实现校准、补偿等功能。其中FSODAC、FSOTC DAC寄存器的数字量（0～FFFF）转换成相应的模拟电流值（0～2mA），直接加到惠斯通桥式敏感头电源引脚上，来给敏感头供电，通过此功能可以对传感器的灵敏度（即FSO）进行调整和温度补偿等；ODAC、OT C DAC寄存器的数字量（0～FFFF）转换成模拟电压值，直接加到其模拟通道上，通过此功能可以对传感器的偏置（Offset）进行校准和温度补偿等；另外，模拟通道也可以通过对CONFIG寄存器填入参数来对传感器输出信号进行极性转换、偏置调节以及放大等。

传感器正常工作模式下，每1毫秒从EEPROM刷新一次ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTC DAC、CONFIG寄存器，其中ODAC、FSODAC寄存器可通过温度寻址EEPROM来刷新数据，OTC DAC、FSOTC DAC、CONFIG寄存器从EEPROM固定地址来刷新数据；调试工作模式下，通过计算机串口往（MAX1452）五个寄存器中写入数据，来进行实时调试[20]。

2.2.3 压力测试电路原理图

利用2.2.1和2.2.2中所提到的压力传感器SM5420和信号调理器MAX1452组成的压力测试单元原理图2.4。SM5420为惠斯通电桥式压力传感器，压力的变化引起桥臂阻值发生变化，从而引起电压信号产生变化。如图所示，SM5420的+IN端与MAX1452的电桥驱动BDR引脚连接，-IN接地，INP和INM分别与电桥的正输出端OUT+和负输出端OUT-连接，通过配置寄存器可交换二者的极性。VDDF是EEPROM正电源电压，为了抑止噪声，需在VDDF与VDD之间连接一个1kΩ的电阻，VDDF和VDD与VSS之间需要连接一个0.1μF电容。UNLOCK引脚上使用下拉电阻，使得MAX1452不需要重新布板便能切换到数字模式，完成对压力传感器的在线校准调试。R4、R5、C5、C7和MAX1452内部的运放构成二阶低通滤波器对信号进行滤波。

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图2.4 压力测试单元原理图

2.3控制模块 2.3.1 微控制器

在当今微控制器市场，各种微控制器都有其独有特点，至于具体选择哪种微控制器型号，则完全遵循工程应用的实际需要和经济性原则。

本课题采用成熟的带12位ADC及32KB容量FLASH的8051内核作为行测试信息管理模块的数据采集及处理微控制器，对传感器信号进行A/D转换、数据处理，然后通过485总线将数据输出。基于本课题对器件体积小、价格低、信息处理速度快的要求，微控制器选用了综合性能较好的Silicon Lab公司的C8051F410。

C8051F410是Silicon Lab公司新近推出的小封装、高性能、低功耗混合信号片上系统型MCU，适合于测控系统、仪器仪表、便携式医疗设备、智能传感器、POS系统、游戏机、电子玩具等众多应用领域。具有体积小、价格低、运算速度快、功能全及微功耗等特点，片内集成外设的很多先进特性可以节省应用代码空间和CPU执行时间，很适合于要求控制器体积小、能进行快速运算的高速实时控制场合[21]。它的内部结构框图如图2.5所示。

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