数字式液位测量仪设计001

1绪论1.1模拟传感器与智能数字传感器新技术革命的到来,世界开始进入信息时代,信息社会的表征是社会活动和生产活动的信息化,其基本活动形式是信息的获取,传递,处理和控制。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然科学领域息的主要途径和手段。传感器技术是信息社会的关键技术,传感器技术的水平在一定程度上标志着一个国家的科学技术水平1。传感器的研究始于二十世纪三十年代,它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期设计的传感器是模拟式传感器,现在通常称为传统传感器。这种传感器采用模拟电子电路组成,只能进行信号调理,基本不具备信息处理能力和自我管制能力。这就决定了传感器存在着输入输出特性具有一定的非线性、信噪比低而易受噪声干扰、复合灵敏度难以克服而使分辨率不高等问题,导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。为改善传感器的传输性能,人们应用频率调制技术研制了频率式传感器,如感应同步器等。这种传感器的输出不再是模拟量,而是频率量,它的信号调理与转换电路把由传感元件获得的电参量转换为某种周期信号即频率量输出,该信号的幅值恒定而频率则随被测量按确定的函数关系变化。频率量传输具有较强的抗干扰性,提高了信噪比,用于计算机测控系统中时可以取消模数转换,通过测频率、测周期方法转换为数字量,容易由计算机实现。但频率量转换为数字量需要较长的时间,频率量的传输同样要求单独的信号线,系统没有得到简化。此外,与模拟式传感器类似,它也基本不具备信息处理能力和自我管理能力,致使性能没有大的改观,仍属于传统传感器。自动控制系统应用计算机作为控制核心后,为提高系统的整体性能,人们在发展传感器和数字化信息采集系统方面开展了大量的研究工作,主要体现在以下两方面：一是大力改进传统传感器的性能,采用高精度、高稳定度的元器件以及各种校正电路,使传感器特性得到了一定的改善；二是采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口,它将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传送给计算机。这样,虽然在一定程度上满足了计算机测控系统对信息采集系统高精度和数字化的要求,但由于未把传感器与数字化仪表作为一个整体设计,致使以下一些问题仍未解决：为提高传感器性能而对元器件的要求提高,电路复杂化,使传感器成本增加,可靠性下降；数字化仪表的采用增加了信息采集系统的体积,并使系统的结构更为复杂；仪表对传感器无法进行管理,难以实现传感器的在线自动标定、自动校准和在线故障检测等智能化特性。随着高性能计算机测控系统的发展,当系统对传感器提出数字化、智能化要求后,传统传感器已不再与系统相适应。控制系统要求传感器输出数字信号,并具备较强的信息处理和自我管理能力,以实现信息的采集与信息的预处理,减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性,而计算机则着重于信息的高层次加工和处理,便于在现有硬件条件下大幅提高系统的性能,简化系统的结构。智能传感器系统就是为了更好地适应计算机测控系统的发展而提出的一个新的研究方向2。智能传感器一词已经出现了十几年。目前对其中智能的确切定义仍在讨论之中。以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合,认为传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器。然而,这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点,单纯强调芯片集成化的现实意义不大,而且也不经济。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统中,其目的是为了适应计算机测控系统的发展满足系统对传感器提出的更高要求,因此认为智能传感器是指传感器与微处理器赋予智能的结合,兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统3。在结构上,智能传感器系统将传感器、信号调理电路、微控制器及数字信号接口组合为一整体,其框图如图1.1所示。图中的传感元件将被测非电量转换为电信号,信号调理电路对传感器输出的电信号进行调理并转换为数字信号后送入微控制器,由微控制器处理后的测量结果经数字信号接口输出。在智能传感器系统中不仅有硬件作为实现测量的基础,更有强大的软件支持来保证测量结果的正确性和高精度,以数字信号形式作为输出易于和计算机测控系统接口,并具有很好的传输特性和很强的抗干扰能力。图1.1 智能传感器系统框图智能传感器与传统传感器相比,具有如下特点：1精度高智能传感器可以用多个功能来保证它的高精度,如：通过自动校零调整零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集数据进行滤波以消除随机误差的影响。2高可靠性与高稳定性智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移,如：对温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移进行补偿；能自动改换量程；能进行系统的自我检验。3高信噪比与高的分辨率智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能,通过数字滤波去除输入数据中的噪声；通过数据融合技术消除多参数状态下复合灵敏度的影响,从而保证对特定参数测量的分辨能力。4强的自适应性智能传感器具有判断、分析与处理功能,它使系统工作在最优化低功耗状态和优化传送速率。5设计制造容易,使用维修简单由于智能型传感器的大部分功能都是通过软件程序来实现的,而它的硬件电路相对来讲是比较简单,制造容易。同样若智能型传感器出现故障,除它本身具有自寻故障,发出警报功能外,对它进行维修主要是优化软件程序。6集中控制由于智能型传感器采用微处理器进行整个系统的控制,所以这种方式是非常集中的,因为微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力,通过它的软件程序来使微处理器充分利用。这样可以使智能型传感器系统多种功能协调起作用,从而保证了它的优点充分发挥。7灵活性强以软件为主体的智能型传感器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性,而且在智能型传感器的性能方面,由于其控制软件或运算软件易于修改,也是易于改变的。8高的性能价格比智能型传感器所具有的上述多种功能,并不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善,对传感器的各个环境进行精心设计与调试进行手工艺品式的精雕细琢来获得,而是通过与微处理器或计算机相结合采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。由此可见智能化设计是传感器传统设计中的一次革命,是传感器的发展趋势4。1.2液位传感器发展状况液位测量是是一门测量气-液、液-液或液-固分界面位置的测量技术。它包括对测量对象、测量方法和测量仪表的研究。对被测介质的研究,主要是要了解它的电导率、密度、介电常数、声速、声阻抗、粘度、逆光性能、表面力系数、流动情况以及液体表面的一些特性。还要研究被测对象的工况,如压力、温度、湿度及其变化情况、辐照情况、腐蚀情况,液体容器的几何形状和液体的相对位置及变化规律等。液位检测包括液位、液位差、相界面的连续测量、定点信号报警、控制,多点测量以及液位巡回检测等方面的技术。液位检测技术是基于液位敏感元件在液位发生变化时,把相应的能够表示液位变化且易于检测的物理量变化值检测出来。这个物理量可能是电量参数,或机械位移,也可能是诸如声速、能量衰减变化、静压力的变化,等等。再把这些电量的或非电量的物理量变化值采用相应的、最简便可靠的信号处理手段转换成能够用来显示的信号。当被测液体的液位发生变化时,与之有关的物理参数将要发生一定程度的变化。但是,由于液体的性质及其容器的特性不同,各物理参数的变化程度将有所不同。例如,有的参数变化明显；有的变化不太明显,甚至看不出有什么变化。因此,需要选用最合适的、能够获得最大信号的物理参数作为液位测量仪表的检测信号、并根据被测液体和测量对象不同采用不同的测量方法。瞥如：液位变化时,插入液体中的物体因浸没情况不同会产生浮力变化；插入液体中的单电极对外壳、双电极会产生电容量的变化或电阻量的变化；在高频馈电的情况下会产生电感量的变化。因此,在设计、安装、使用液位计时要考虑到：置放在某一高度的超声波探头会发生反射回波声速的变化；浸没于液体中的压力敏感元件会产生静压的变化；贴于容器壁的超声波发、收探头间会发生接收波能量大小的变化；置于侧壁的放射源和接收器间会产生接收能量强弱的变化,等等。同时还要考虑到：被测对象的压力、温度、湿度以及辐照、腐蚀情况；当时的科学技术水平包括电量和非电量的测量技术、材料情况、工艺水平、仪表的成本以及用户的经济能力等。究竞选择那种测量方法及其测量仪表合适,要根据具体的情况,权衡各种因素的利弊关系,综合利用它们的有利条件来决定5。目前使用的液位传感器分为两种：开关式和连续式6。开关式传感器主要是用于获得特殊位置的液位值。连续式传感器运用于测量一定围的液位值。连续液位测量是对液位连续地进行测量,它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域,具有非常重要的意义。常用的连续式液位传感器有：1玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。这4种方法都是人工测量方法,具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。2吹气法、差压法、HTG法；这3种方法都是利用液体的压力差来测量液位的。3浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；以上5种方法都是利用浮力原理来工作的。4电容法、电阻法、电感法；这3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。5磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法；以上3种方法都是通过检测信号传播的时间来确定液位的。6磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法等。1.3研究意义及主要研究容计算机测控系统,特别是基于现场总线的多传感器计算机测控系统可极提高测控系统的自动化水平和智能水平,降低系统造价,它要求其信息采集装置是数字化、智能化的,具有高性能、低成本和较强的信息处理能力。智能传感器系统就是为了适应这类系统的发展而提出和发展起来的一个新的研究方向。随着测控系统向基于现场总线的多传感器计算机测控系统发展,现有的传统位移传感器已无法满足要求,而集信息采集、信息预处理和数字通信功能于一身,能自主管理,具有智能化特性的智能位移传感器系统成为生产实践发展的迫切需求。然而,由于智能传感器系统的研究起步较晚,其理论和实践远未成熟,离实际应用需求差距很大,尤其是高性能、小体积、低成本智能传感器系统更是有待于进一步开发。因此,研究开发高性能的智能液位传感器对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。2设计方案2.1设计方案的选定差压法：该方法的工作原理如图2.1所示。1、2-阀门；3-差压变送器。对于开口容器或常压容器,阀门1及气相引压管道可以省掉。压力差与液位的关系为2.1图2.1差压法原理式2.1中：-变送器正、负压室压力差；、-引压管压力；H-液位。差压变送器将压力差变换为420 mA的直流信号。如果压力处于测量围下限时对应的输出信号大于或小于4 mA,则都需要采用调整迁移弹簧等零点迁移技术,使之等于4 mA。双差压法：该方法的工作原理如图2.2所示。其中差压传感器1用于测量未知液位高度产生的差压,即密闭容器底部和液面上方的压力差 2.2图2.2 双差压法测量液位的原理差压传感器2用于测量已知液位高度产生的差压,即容器底部和液面下方取压点的压力差 2.3由上两式可得 2.4-容器被测液面高度；-液面下方两固定取压点间的垂直距离。由上式可见,双差压法可消除液位密度变化对液位测量的影响。但是双差压法需要实现两个差压的除法运算。方案的比较与选定：普通差压法测量液位的原理：只有在液体密度恒定不变的条件下,差压才与液位高度呈线性正比关系,才可通过测量差压间接地获取液位值。但液体密度是液体组份和温度的多元函数。当液体组份和温度变化导致密度改变时,即使液位高度没有变化,也将使差压信号改变,此时若还按原先的液体密度从差压信号计算出液位,显然将导致测量误差,严重时会造成操作人员的错误判断。为此,本文提出采用两个差压传感器,即采用双差压法7。2.2扩散硅压阻式压力传感器简介从差压法测量原理可以看出,只要能测出压力差,就能计算出液位高度。压力测量的方法很多,目前常用的压力传感器有电容式、扩散硅式、硅谐振式、溅射薄膜式、厚膜瓷等。根据本设计的需要,选用的压力传感器是扩散硅压力传感器,它属于压阻式压力传感器。这种压力传感器精度高,工作可靠,容易实现数字化,比应变式压力传感器体积小而输出信号大。2.2.1扩散硅压力传感器工作原理压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的器件。硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时,其部原子结构的电子能级状态会发生变化,从而导致其电阻率剧烈变化G因子突变89。用此材料制成的电阻也就出现极大变化,这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,沿单晶硅片上的特点晶向,制成应变电阻,构成惠斯登电桥,利用硅材料的弹性力学特性,在同一块硅材料上进行各向异性微加工,就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。有压力作用时,膜片产生相应的弹性形变,应变电阻由于单晶硅压阻效应使其阻值发生相应的改变,电桥失去平衡,输出电压与膜片上感受的压力成比例,从而实现了对压力的测量。电桥一般采用恒压源或恒流源方式供电。压力传感器等效电路如图2.3所示,电阻、为电桥的四个桥臂电阻。图2.3 扩散硅压力传感器等效电路桥电桥输出电压为2.5半导体压敏电阻具有各向异性的特性,设计使电桥电阻、具有正增量,电阻、具有负增量,再设计成各个桥臂电阻相等,并且变化量也相等,则对上式微分并求增量,整理后得出2.6其中 ,。从式得知电桥输出电压与输入电压成正比关系,是恒定电压。扩散硅压力传感器是利用半导体平面工艺在硅杯对应的表面上做成阻值相等的四个P型电阻并联接成惠斯登电桥,利用硅材料的压阻效应,通过惠斯登电桥进行压电转换及测量。电桥平衡条件是相对桥臂电阻之积相等,即,此时电桥输出。而实际上四个扩散应变电阻很难做到,这样必然存在着一个零点误差。另一方面,当温度变化时,由式2.6可以看出,由于R不等于零,所以也不为零。硅压力传感器满量程输出G与压力为满量程时应变电阻的最大变化量成正比,即与扩散硅P型电阻的压阻系数成正比,而压阻系数随温度的上升而减小,则灵敏度必然随温度的上升而下降,引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数用下式表示2.7式2.7中为温度下满量程输出,为温度下满量程输出,表示温度变化1时满量程输出的相对变化量。灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化而决定的。2.2.2扩散硅压力传感器技术特点扩散硅压力传感器技术特点 10：1灵敏度高扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高5080倍,它的满量程信号输出在80100mV左右。对接口电路适配性好,应用成本相应较低。由于它输入激励电压低,输出信号大,且无机械运动件损耗,因而分辨率极高。2精度高扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体,无机械运动件连接转换环节,所以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好,形变小,因而传感器的线性也非常好。因此综合精度很高。3可靠性高扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级,膜片最大位移量在微米数量级,且无机械磨损,无疲劳,无老化。平均无故障时间长,性能稳定,可靠性高。4频响高由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高,一般在50kHz。制造过程采用了集成工艺,膜片的有效面积可以很小,配以刚性结构前置安装特殊设计,使传感器频率响应很高,使用带宽可达零频至100 kHz。5抗电击穿性能好由于采用了特殊材料和装配工艺,扩散硅传感器不但可以做到130正常使用,在强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500V/AC电压的冲击。6耐腐蚀性好由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好,即使传感器受压面不隔离,也能在普通使用中适应各种介质。硅材料又与硅油有良好的兼容性,使它在采用防腐材料隔离时结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和本质安全防爆的特点,可替代诸多同类型的同功能产品,具有最优良的性能价格比。2.3数字式液位测量仪的总体结构设计在第一章中讨论了智能型传感器的一般原理及其特点和功能,也简述了它相对于传统型传感器的优点。它是传统型传感器的取代产品,具有广泛的商业价值及应用前景,对智能型传感器的研究具有很现实的意义。但是,尽管知道智能型液位传感器是在传统型液位传感器加上微处理器基础产生的,但仍然要剖析其部总体设计指导思想以有利于进行各个组成部分的设计和制造及其接口电路设计。这一节主要阐述一下智能型数字液位传感器的总体设计思想。数字式液位测量仪的系统框图如图2.4所示：图2.4数字式液位测量仪的系统框图根据设计要求,数字式液位测量仪采用低价格、小体积、具有高性能价格比的8位单片微控制器单片机控制,用以实现传感信息的预处理、数字通讯和智能化管理；采用进口扩散硅压力传感元件进行压力检测,模数转换采用16位以上精度的A/D转换器以保证数字液位变送器具有较高的精度；电路板设计尺寸很小使之能与传感元件组成一体化结构,从而使整个数字式液位测量仪的结构小巧。数字式液位测量仪特点：1压力传感元件与控制运算电路采用一体化设计,模拟信号走线很短并由其本身的金属外壳屏蔽,提高了抗干扰能力。而一体化设计方案又使体积缩小。2采用不锈钢隔离膜片的传感元件,将传感元件与被测介质隔离开来,可测量腐蚀性介质,可靠性高,使用寿命长。3采用软件实现温度补偿,克服了温度变化对测量的影响,从而保证了变送器测量精度。4系统、全面的抗干扰和系统自诊断设计,保证了系统的稳定性和可靠性。5优良的上位机管理功能使它具备了灵活的适应能力,扩大适用围,方便使用和维护。6全部元器件选用超小型元件,大大缩小了电路板的尺寸,使传感器的整体体积进一步缩小。7由于采用智能化设计,对系统元件的要求不高,大多数可使用低价格的普通元件,要求的高精度及高稳定性由智能信息处理及智能管理来保证,所以它成本较低。8符合智能传感器系统特点的设计,使它能适应基于现场总线的分布式计算机测控系统,并具有智能传感器系统的诸多优点。9采用LED显示。3扩散硅压阻式压力传感器的非线性补偿技术扩散硅压力传感器具有滞后和蠕变小、灵敏度高、量程适应性广、性能稳定的优点,应用潜力很大。随着对压阻效应非线性的深入研究及扩散硅半导体平面工艺技术的发展,扩敬硅压力传感器的综合误差不断减少,为其在高精度压力测量方面的应用创造了条件。但是,作为一种半导体材料,硅的载流子迁移率、电阻率、压阻系数和PN结特性等全部是温度函数,所以从原理上讲,扩散硅压力传感器的技术参数存在温漂是必然的。但从实际应用角度看,又希望传感器输出参数仪与压力有线性关系而与温度无关。所以寻找简单而又有效的温度补偿办法是改善扩散硅压力传感器性能的关键之一。硅压阻式差压传感器的温度误差主要有零点温漂和灵敏度温漂两项11。零点温漂是由扩散或离子注入形成曲各个阻条的电阻温度特性的不协调而引起的。表现为零点输出随温度的变化而变化。灵敏度温漂则是由各阻条压阻系数变化量的温度特性不协调而引起的,其外观反映是输出特性曲线的斜率是温度的函数。3.1压力传感器的温度补偿方法概述扩散硅压力传感器的温度补偿一般分补偿和外补偿。补偿通过传感器的设计、制造工艺,封装材料、形式来减小零点和满量程的温度系数,特别是通过控制扩散阻条的掺杂浓度,使传感器的满量程温度系数控制在0.75%FS/全温区,在一般应用中做到满量程免补偿。由于补偿有局限性,所以必须进行外补偿。外补偿的形式多样,归纳一下大致有三种方法：1通过在测量桥路上串连或并联固定电阻或其它电路网络的方法进行补偿,数字液位变送器采用的扩散硅压力传感器就采用了这类外补偿方法,其补偿后零点和满量程的温度系数最大为0.75%FS/70070。这种方法简单易行,但很明显,其补偿效果不能达到较高的要求,并且有一定的温度围121314。2采用压阻式传感器专用信号调理芯片SSC15。压阻式传感器专用信号调理芯片SSC的温度补偿方法与单片机的智能多点补偿类似,通过温度传感器检测环境温度,温度值经AD转换作为地址指针,储存在存贮器中此地址的零点和满量程的温度修正系数经DA转换成模拟量,修正传感器输出信号中零点和满量程的温度漂移。这类芯片的存贮器的类型有ROM、EPROMSCA2095、EEPROMMAX1457型；有片外,也有集成在片SCA2095的。温度传感器有的集成在片,有的外接,还有的利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度。这种方法在模拟域对传感器补偿,克服了通过单片机智能补偿带来的量化声和低频响,响应时间可达1ms。但种方法增加了硬件开销,加大了电路板面积。3通过单片机的智能多点补偿智能变送器1617。随着计算机技术的发展,变送器置微处理器技术变得越来越成熟,使对扩散硅压力传感器的离散性和非线性及温度特性进行专门的补偿成为可能。这种新的补偿技术可以减小误差,每个压力芯片在它的整个压力围和温度围。由于温度对传感器输出的影响非常复杂,很难建立起温度对传感器影响的精确数学模型,因此传感器压力非线性和温度非线性一般通过实验给出,每隔一定温度进行压力标定测试,由此产生的数据被存储在微处理器的存储器中作为转换曲线,实际的读数与转换曲线比较加以补偿和修正。这种扩散硅压力传感器在整个压力和温度围,精度可达0.05%0.1%FS。本设计采用的NovaSensor公司的NPI系列的扩散硅压力传感器,应用了Senstable温度补偿工艺技术,将温度补偿的电阻环路制作在混合瓷基片上,在070的温度补偿围,可以提供的温度误差最大为0.75%。从这个指标看,这不能满足要求,因此还要采取其它的补偿措施。综合各种方法,研制的数字液位变送器采用了智能多点补偿法进行温度补偿。3.2扩散硅压力传感器温度补偿算法压力传感器的温度补偿的实现是在数字式液位测量仪中,晶振的频率较低,因此希望补偿算法计算比较简单,能尽快算完；另外,参数要少,便于标定时修改18。在对传感器数据进行分析和处理时,面临的问题是在对传感器进行标定和测试时得到的数据是一系列离散的测量值,如何寻找一个解析函数来描述这一系列测量值是十分关键的。对于这个问题常用的有插值法、曲线拟合法、曲面拟合法和神经网络等几种方法。3.2.1插值法插值法是预先将一系列的实验数据装入一个参数表,获得测量数据后,根据数据与参数的对比进行处理。按插值的方法可以分为线性插值、最近插值、最佳均方逼近插值等,在单片机中,一般采用线性插值法。线性插值就是将测量数据按量程分为若千段,然后把相邻两分段点用直线连起来,用直线来描述数据曲线。用计算机实现线性插值的基本步骤为：1测出传感器变化曲线,必要时可多次测量；2对曲线进行分段,选取多个插值基点；3确定各插值点,值,并存放在存储器中；4计算；5找出x所在的区间,并计算出该段的斜率；6计算结果。插值法优点处理速度快,算法简单；缺点是如果选择的插值基点多则需要占用较大的存储空间,如果插值基点少则精度可能不够。对于数字式液位变送器来说,可以提供较大的存储空间,但如果想重新标定变送器,则修改起来比较复杂。3.2.2曲线拟合法在实验中,测得的是一些分散的数据点,曲线拟合方法运用最小二乘法等算法,利用多项式或其它的已知函数生成一个新的多项式或己知函数来对这些已知的数据点进行逼近。它最佳地拟合数据,不一定要经过任何数据点,但在各数据点的误差要在许可围。实际中最常用的曲线拟合是多项式曲线拟合。对于本项目,适合采用多项式拟合,并且精度较高。多项式的计算在单片机中容易实现,计算时间较少。最后参数较少,易于修改。3.2.3曲面拟合法两个信息的融合算法可以有多种,曲面拟合算法是其中之一,也就是二维回归分析法。扩散硅压力传感器的输出电压是压力和温度的二元函数,也可以说,压力p是压力传感器的输出电压u和温度t的二元函数可以用二维回归方程来拟合这个函数关系即：曲面拟合在阶数较低的时候,参数较少,但拟合的精度较差,不能满足要求；在阶数较高的时候,拟合的精度有所提高,但仍有部分不能满足对误差的要求,参数的个数也增加较多,计算复杂度增加。3.2.4神经网络算法最近几年来,人工智能中的一个重要分支一神经网络在理论上取得了大量突破性的发展,由于它具有信息的分布存储、并行处理、容错、自适应及自学习能力,己被广泛应用于模式识别、智能控制及系统建模等领域。现在已有利用BPBack Propagation神经网络或径向基函数RBFRadial Basis Function神经网络等实现传感器建模,对传感器进行非线性补偿。这种方法准确度高、网络结构简单,算法简明、收敛性好,其突出的优点是可以同时考虑传感器各种干扰影响及其本身非线性作用,补偿精度也较高1920。神经网络算法虽然补偿效果较好,但用单片机计算起来较复杂,而且计算耗时较长。3.3多项式曲线拟合法3.3.1补偿原理对应不同的工作温度,传感器有不同的输入P-输出U特性。如果能够确定工作温度为T时相应的P-U特性,并按其反非线性读取被测量P,从原理上不存在温度引入的误差。问题的困难在于通过标定实验只能在有限数量的几个温度值条件下标定输入-输出特性。通过曲线拟合法,可以找出在工作温度围非标定条件下的任一温度T状态的输入U-输出P特性1821。3.3.2补偿步骤1利用标定实验数据将不同工作温度条件下获得的输入U-输出P特性用一维多项式方程表示为：温度：温度： 温度：3.l利用标定数据求解各种温度条件下多项式方程的系数,采用多项式曲线拟合可以得到各阶系数,则式3.l各方程就可确定。2建立系数k的曲线拟合方程式3.l中各个系数k随温度而变化的规律通常不是线性的,故也可用一维多项式方程表示为常数项系数：一次项系数：平方项系数：立方项系数：四次方项系数：五次方项系数：3.2利用实验标定数据,可以求解出3.2式中各个系数：,；,；,；,；,。从而方程组3.2就被确定。3确立工作温度T时的U-P特性的曲线拟合方程得到工作温度T的数值后将该值代入方程3.2中可计算出该工作温度状态下的各项系数：,。从而确立了工作温度T时的U-P特性的一维多项式方程式为 3.3根据式3.3,可由读入的传感器的输出值U解得被测量P。这样的设计实现比较容易,优点是参数较少,但在实际应用中,发现步骤1中P与U的关系较有规律,拟合曲线的精度较好。但步骤2中的系数k的曲线拟合中,有两个问题,一是数据量较少,二是数据的规律性差,这造成拟合精度差,不能满足要求。因此,在本次设计中,采用的是多项式曲线拟合加上线性插值的方法。用多项式曲线拟合出在不同温度时的输入U-输出P特性曲线,如果温度不等于时,利用和时的两条曲线,通过线性插值法获得温度为时的输出压力值。3.3.3实现方法当通过实验得到各温度下压力P与传感器输出U的数据点后,借助MatLab软件可以很方便的求出各系数22。1求多项式曲线拟合有最小二乘法、牛顿法、拉格朗日法、牛顿一格雷高里法等多种方法,在本项目中,各种方法得到的结果差别很小,本次设计就用最小二乘法来进行多项式拟合。在MatLab中,用函数polyfit 对一组数据进行定阶数的多项式拟合,其基本用法如下：p=polyfitx,y,n,用最小二乘法对输入的数据x和y用n阶多项式进行逼近,函数返回多项式的系数,为一个长度为n+1的向量,包含多项式的系数。例如,在温度为时,实验得到传感器输出,。取5阶就可以获得足够的精度。则通过p=polyfitx,y,5,就可得到,。2将各温度下的存入数字液位传感器中。3当数字液位传感器采集到当前温度和压力传感器输出U后,利用和时的两条多项式拟合曲线,计算出当压力传感器输出为U时的和,则通过线性插值获得压力为：这样就可以获得温度补偿后的压力值了。4数字式液位测量仪的硬件设计4.1数字式液位测量仪的硬件框图数字式液位测量仪的硬件设计框图如图4.1所示。总接线电路图见附录。图4.1 数字式液位测量仪的硬件设计框图4.2 MCS-51系列的8051单片机4.2.1 MCS-51系列的8051单片机的选用数字式液位传感器的体积要求比较严格,因此要求电路简单,元器件要少,所以选用MCS-51系列的8051单片机是理所当然的23。8051是MCS-51系列单片机的典型产品,我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,图4.2就是8051的部结构,现在我们分别加以说明：图4.28051的部结构1中央处理器中央处理器CPU是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作24。2数据存储器RAM8051部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。3程序存储器ROM8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。4定时/计数器ROM8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5并行输入输出I/O口8051共有4组8位I/O口P0、 P1、P2或P3,用于对外部数据的传输。6全双工串行口8051置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。7中断系统8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。8时钟电路8051置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛Harvard结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿Princeton结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构25。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,图4.3是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：1Pin20：接地脚。2Pin40：正电源脚,正常工作或对片EPROM烧写程序时,接+5V电源。3Pin19：时钟XTAL1脚,片振荡电路的输入端。4Pin18：时钟XTAL2脚,片振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式,一种是片时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体和振荡电容,振荡电容的值一般取10p30p。另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。5输入输出I/O引脚：Pin39Pin32为P0.0P0.7输入输出脚,Pin1Pin8为P1.0P1.7输入输出脚,Pin21Pin28为P2.0P2.7输入输出脚,Pin10Pin17为P3.0P3.7输入输出脚,这些输入输出脚的功能说明将在以下容阐述。6Pin9：复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H,其它专用寄存器被清0。RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。然而,初始复位不改变RAM包括工作寄存器R0R7的状态,8051的初始态如表4.1所示。图4.3 MSC-51系列单片机的引脚图表4.1 8051的初始态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BXH100HIE0xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxB8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,如图4.4所示。此外,还是一复用脚,掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机部RAM的数据不丢失。图4.4 8051的复位方式7Pin29：当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。8Pin31：EA/Vpp程序存储器的外部选通线,8051和8751单片机,置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4kB时,读取部程序存储器指令数据,而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。显然,对部无程序存储器的8031,EA端必须接地。4.2.2 MCS-51系列的8051的特性8051单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种。MCS-51是美国INTE公司于1980年推出的,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机8051其主要功能如下26：18位CPU24kbytes 程序ROM3128bytes的数据存储器RAM432条I/O口线5111条指令,大部分为单字节指令621个专用寄存器72个可编程定时/计数器85个中断源,2个优先级9一个全双工串行通信口10外部数据存储器寻址空间为64kB11外部程序存储器寻址空间为64kB12逻辑操作位寻址功能13双列直插40PinDIP封装14单一+5V供电MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统,堪称为一代名机,为以后的其它单片机的发展奠定了基础。正因为其优越的性能和完善的结构,导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构,有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机,像PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品,就连我国的WINBOND公司也发展了兼容C51人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明,二者同指MCS-51系列单片机的单片机品种。近年来C51获得了飞速的发展,C51的发源公司INTEL由于忙于开发PC及高端微而无精力继续发展自己的单片机,而由其它厂商将其发展,最典型的是PHILIPS和ATML公司,PHILIPS公司主要是改善其性能,在原来的基础上发展了高速I/O口,A/D,PWM、WDT等增强功能,并在低电压、微功耗、扩展串行总线和控制网络总线CAN等功能加以完善。4.2.3 A/D转换MC14433是采用CMOS工艺制作的位双积分型A/D转换器,由于它外围元件少,功能较齐全,价格低廉。且位读数精度已足够在单片微机系统、智能电子仪器仪表及工业生产自动控制装置中使用,因此被广泛应用于各种低速A/D转换中2728。通常A/D转换需经过采样、保持、量化和编码4个步骤完成。MC14433则是将采样和保持合为一步,量化和编码合为一步来完成的。1采样和保持为了使采样输出信号能不失真地代表输入模拟信号,对于一个频率有限的模拟信号,可以由采样定理确定采样频率： 为采样频率,为输入模拟信号所包含的最高频率分量。由于采样时间极短,采样输出为一串断续的窄脉冲,而要把一个采样信号数字化需要一定的时间,因此在前后两次采样之间,应将采样的模拟信号暂时存储起来,以便将它们数字化。把每次的采样值存储到下一个脉冲到来之前称为保持。2量化和编码采样-保持电路的输出信号虽然已经不是一个平滑、连续变化的电压,但仍是一个模拟量,即它可能是某一区间的任意一个实数。另一方面,数字量仅能取某一区间的某些特定值,如果该数字量是三位的二进制数,则仅可取000111的8种可能的值。因此,用数字量来表示模拟量时就有一类似于四舍五入的问题。在A/D转换器中就有一个把采样-保持电路的输出样值电平归化到与之相近的离散电平上去的过程,这就叫量化。量化后的信号,虽然是一个离散量,但为了进行传输和处理还必须用一个二进制代码或其他代码来表示,这就是编码。MC14433属于逐次比较型A/D转换器,它是按串行方式工作的,即转换器输出的各位数码是逐位形成的。它由下列几部分组成的：四位DAC：它的作用是产生一组与输入数码对应的参考电压,送到比较器与输入信号进行比较,输入数码为。电压比较器:它是将输入信号与3位DAC输出的参考电压进行比较,若,则比较器输出为0；当时,为1。模5环形计数器：它的作用是在时钟脉冲CP作用下产生周期性命令信号。J-K触发器：在命令信号作用下,存储每次比较的结果,并向DAC提供数码。逐次比较型ADC的转换过程类似天平称物体重量的过程。天平的一端放被称物体,另一端加砝码,各砝码的重量按二进制关系设置,一个比一个重量小一半。称重时,将砝码从大到小逐一放到天平上加以试探,经天平比较加以取舍,一直到天平基本平衡为止。这样就以一系列二进制砝码的重量之和表示了被称物体的重量。逐次比较型ADC,由于转换速度快,分辨率较高,误差较低,因此在这个设计中利用MC14433。A/D转换器选用MC14433,图4.5,它利用动态扫描技术,具有BCD码输出,它是一种并行A/D转换器,其输出的各位数码是一次形成的,所以是转换速度最快的一种A/D转换器。 它的参考参数为：,。由液位高度转换成上的电压加在3脚和VAG1脚两端子上。当液位高度是0时,数码管显示不一定是零,为此在A/D的输入端上加了一个调零电路。输入到的电压一般为正,故调零电路提供的负电压,围为-4.5459 mV。图4.5 位A/D转换器在MC14433的基准电压端加了一个调满度电路,它由固定正电压稳压器78L02组成,如图4.6所示。 , 。这些是它的参考参数。主要技术性能：MC14433采用24脚双列直插式DIP封装,工作电压围为：双电源4.58V,或单电源916V。工作温度为-40+85,在电源电压为5V时,典型功耗为8mW。片具有时钟电路,只要在10、11脚间接一只电阻,就能产生时钟信号。也可以使用外部50200kHz时钟源,这时时钟信号由11脚输入,并将10脚悬空。由于MC14433为CMOS器件,所以输入阻抗甚高,大于100M。片还有自动极性转换及自动-调零电路,自动调零电容接在7、8脚间.4、5、6脚外接积分电阻和积分电容。3脚输入被测模拟电压信号,输人电压量程为1.999V和199.9mV两档,2脚输入的基准比较电压分别对应为2.000V和200.0mV。基准电压由2.5V精密基准电源MC1403输出,经电位器调整分压后提供。图4.6固定正电压稳压器78L02A/D转换精度为0.05%,对应于50150kHz对钟频率,转换速率为410T/s。转换结果为多路调制的BCD码,由2023脚输出,并由1619脚输出分时选通信号。14脚为转换结束标志输出端,每次转换结束时14脚便输出一个正脉冲。15脚为超量程输出端,当输人的模拟信号电压在量程围时,15脚输出高电平。当超出量程围时,15脚输出跳变为低电平。在单片微机中的应用方法：电子仪器仪表或微型计算机应用于过程控制时,常需要对实时参数进行采集。而这些参数往往是一些连续变化的模拟量,因此,必须转换成数字量,才能被计算机读取和处理。图4.7是以MCS-51系列中的8051单片微机为CPU,MC14433为A/D转换器的实际应用电路。前已述及,MC14433的A/D转换结果采用动态扫描输出,一方面由Q4Ql输出4位BCD码,同时由DS4DS1输出4位选通信号。因此,将它们接到8051的Pl口线上,当然.也可以接到8051的其他口线上或扩展的I/O口上。图4.7 MC14433与8051的连线图MC14433采用连续转换方式,每次A/D转换结束,14脚便输出一个正脉冲,作为转换结束标志,并经反相器反相后,作为8051外部中断源的中断请求信号。由于中断请脉冲信号,8051采用跳变触发方式,因此要求输人的负脉冲宽度至少要保持12个时钟周期,即当主频为6MHz时,脉冲宽度应为2以上,转换结果才能被CPU正确读取。14脚输出的转换结束脉冲在频率为50kHz时为10,故完全可以满足8051的读取要求。由于MC14433通过DS4DS1选通输出表示相应的千、百、十、个位的数据已出现在Q4Q1上,所以,在CPU响应中断请求后,可判断送到Pl口上的数据是否有位选通信号,若出现选通信号时,便将Q4Ql输出线上的数据存放在相应的数据区加以保存。这里设转换结果输出数据缓冲区的地址为21H24H,程序清单如下：L1: MOV A, P1 JNB ACC4, L1 ACC0, ERR ACC3, L2 MOV 21H, #01H AJMP L3L2: MOV 21H, #00HL3: MOV A, P1JNB ACC5, L3MOV RD, #22HXCHD A, R0 L4: MOV A, P1 JNB ACC6, L4 INC R0 XCHD A, R0 L5: MOV A, P1 JNB ACC7, L5 INC R0 XCHD A, R0 AJMP L6 ERRMOV 20H, #0FH L6: RETIMC14433也可以用来作位数字表、计量检测或其他显示仪表,制作方法比较简单,只要将Q4Ql输出的BCD码送至适当的BCD七段显示译码器,再用DS4DS1的输出作位选通信号,就可以方便地实现位LED或LCD数码显示。4.3 七段显示译码器在液位测量电路中,因为MC14433的输出为BCD码,并且测量结果需要十进制数码直观地显示出来,故采用七段显示码的设计。目前应用的是最常见的显示器件发光二极管LED显示器,它由7个发光二极管构成7个字段,另有一个LED显示小数点P,其连接方式为共阴极连接和共阳极连接。对于共阴极连接,阳极为高电平时的那个字段发亮,将发亮字段组合起来便可构成09的十个数字的显示。因为七段显示译码器的输入是BCD码,而输出ag去驱动七段显示器,所以设计成8421BCD码4线-7线译码器。由于发光二极管的工作电压一般在2 V左右,工作电流为1020 mA。故应在译码器和显示器之间串以限流电阻R,调节电阻R可改变发光二极管的工作电流,用以控制发光二极管的亮度。图4.8是LED动态显示电路。图4.8 LED动态显示电路4.4压力传感器与恒流源的选取4.4.1压力传感器的选用数字式液位测量仪选用的压力传感器为美国Nova Sensor公司NPI系列的扩散硅压力传感器29。Nova Sensor公司NPI系列扩散硅压力传感器,将固态集成工艺与隔离膜片技术相结合,扩散硅芯片被封装在充油腔体,并通过不锈钢膜片和外壳将其与测量介质隔离开来,标准产品提供了多种压力接口,可满足焊接密封和侧密封设计要求,NPI系列应用于了Senstable压阻传感器技术及温度补偿工艺,将温度补偿电阻环路制作在混合瓷基片上,在070的温度补偿围,提供了最小的温度误差0.75%最大值。NPI系列可广泛应用于气、液压力的检测,基至在恶劣环境下,如：污水、蒸汽、弱腐蚀性介质,仍具有优良的性能。工作原理如图4.9。特点：1固态、高可靠性、高灵敏度；216不锈钢隔离膜片,腐蚀性介质可兼容；3压力围:017.2kPa到035MPa；4提供恒流和恒压供电