智能化压力传感器的设计开题报告.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告题 目： 智能化压力传感器的设计 学 院：环境与化学工程学院 系 化工系 专 业：测控技术与仪器 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师：刘诚 填表日期： 年 月 日一、 选题的依据及意义随着计算机技术和传感器技术的发展，两者的结合也愈来愈紧密，智能化传感器作为两者结合的新兴的研究方向，越来和越受到更多人的关注。近年来，虽然取得了一定的研究和开发成果，但是实际的需求还远远得不到满足。压力测控系统正急需发展，已经开发和使用的压力传感器在无法满足需求，智能化的压力传感器系统，即将信息采集、信息处理和数字通信功能集于一身，能自主管理的开发和使用具有巨大意义。此次选题是打算对智能压力传感器系统理论及其压力测量方面的应用进行深入研究，提出对智能压力传感器的设计开发和设计。利用集成程度高，功能强大的新型微处理器控制压力传感器，微处理器内部集成大量模拟和数字外围模块，会具有很强大的数据处理能力。此次论文将在对智能压力传感器系统的智能化功能深入研究的基础上，设计了较为完善的智能化软件，实现了自动增益控制、温度补偿、自动校准、总线数字通讯等多种智能化特性，使传感器具有较高的智能化程度。提出了利用传感元件自身特性实现温度补偿的算法以及对系统非线性补偿的算法。并对传感器系统进行了较全面的抗干扰和系统故障自诊断设计，保证了系统的稳定性和可靠性。提出一种带有程序判断的智能数字滤波算法，它既具有较好的平滑能力，又具有较快的响应速度。本系统在软件上运用C语言编程，系统采用与PC机通信，完成数据转换、数据处理以及实时数据显示等功能，便于实现系统集中监控。本研究设计的智能压力传感器系统具有体积小、成本低、可靠性好、响应速度快、智能化程度高等特点，通过仿真对软、硬件进行了充分的调试，效果良好，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。二、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。因此。许多国家对传感器技术的发展十分重视。例如在日本传感器技术被列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器)之一“，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一”“。我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就“。目前，在“科学技术就是第一生产力”的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世晃先进水平。但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。据了解，1994年世界传感器市场总的交易额高达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，其中高档的传感器增幅可达18以上，而那些采用微机械加工技术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30以上。从市场销售情况来看，压力传感器占第一位。利用硅材料制作的半导体传感器除具有固体传感器的一般优点以外，还可以把一些集成电路与传感器制作在一起从而构成集成化传感器。集成电路部分若制作了微处理机，则形成智能化传感器。到目前为止，高精确度、高可靠性、小型化、低成本的智能传感器已成为世界传感器市场的主流。进入90年代，发达国家对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，我国的八六三科技攻关计划中也将传感器的研究放在重要位景上。尽管我国经济还比较落后，但国家每年还要拿出大量的资金来对传感器进行研究。目前我国从事传感器生产的厂家有1300家，所生产的产品种类有300余种，产量1亿多只。由于众多厂家规模小、设备落后、国家投入的资金不足而且比较分散，因而与世界上大的传感器厂无法抗衡，科研水平也落后国外510年，而生产技术水平落后国外1020年，与世界上传感器更新换代的速度相比，落后几个周期。从而导致品种不全，产量过低，仅满足国内需求的2030。据市场调查，90年代我国电子系统共需各类传感器140万件，化工80万件，钢铁130万件，能源管理与炉窑控制需要4000万件，汽车行业需要4400万件，机床行业需1500万件，文化办公机械需200万件，各类仪器仪表所配用的传感器约需3亿件。虽说我国传感器技术与发达国家传感器技术相比还比较落后，但并不是说我国的传感器特性都不如国外的好。综合近期发表的文献，国产半导体压力传感器的特性参数有所提高，以矩形双岛膜结构的6000Pa量程微压传感器特性为例，非线性为510-4FS(满量程)滞后，重复性均小于5104FS，分辨率优于20Pa，过压保护范围大于20倍量程。对量程为100kPa的压力传感器，非线性、滞后、重复性均优于510印s。硅一兰宝石、高温硅压力传感器的工作温度分别达到一50300和0400。压敏器件的可靠性MTTF已达到较好水平。元器件的品种增多，测压范围已拓展，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问世。三、 本课题研究内容本文在对传统的压力传感器结构及性能、智能压力传感器系统的理论及应用进行研究的基础上，设计了一种具有体积小、成本低、寿命长、量程范围大、反应速度快、智能化程度较高等特点的智能压力传感器。主要内容如下：1、在对传统压力传感器作了综述的基础上，对智能压力传感器系统的类型、功能以及特点进行了全面的阐述；简明阐述了智能压力传感器的研究现状及发展趋势。2、介绍了系统构成及本系统的特点和程序软件开发平台。3、进行了较完善的系统硬件设计。采用高性能、低价格、小体积的微处理器进行控制并实现智能化信息处理与自我管理：小体积器件使电路板尺寸很小，并与传感元件一体化设计，从而使整个系统具有体积小、成本低的特点，抗干扰能力也较强。在硬件设计中，配置了485总线通讯接口为传感器的多功能智能化奠定了基础。4、在对智能传感器系统的智能化功能深入研究的基础上，设计了较为完善的智能化软件。提出了利用传感元件自身温度特性由软件实现温度补偿和非线性补偿的算法，以克服交叉灵敏度并节省另用温度传感器的成本投入。5、对传感器系统进行了较全面的抗干扰和系统白诊断设计，保证了系统的稳定性和可靠性。提出一种智能滤波算法，在获得较好的滤波效果的同时，提高了响应的快速性。四、 本课题研究方案 1、结构设计本文设计的传感器提供了一种精确测量压力的系统方法，他将三种技术融为一体：硅压阻传感元件、微型计算机和信号处理。它可提供温度补偿和非线性度补偿，并且每台传感器同时具有数字信号输出和模拟信号输出。根据设计要求，智能压力传感器应采用低价格、小体积、高性能价值比的8位微处理器(单片机)控制，用以实现传感器信息的处理、数字通信和智能化管理。传感元件位于传感器系统之首，被测压力量需由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本文采用固态压阻式压力传感器，其机构包括外壳，硅膜片和引线。其核心部分是一块圆形硅膜片，膜片周围用硅环固定，通常称为硅环。膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，另一个是低压腔，一般与大气相通，也有做成真空的。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的电阻：R1、R2、R3、R4。四个电阻用导线接成平衡电桥。当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出响应的电压，其电压大小就反映了模片的压力差值。利用电阻的特征，选择适当位置布置电阻，使其直接入电桥四臂中，从而构成全等臂差动电桥，如图2所示。这样既提高了灵敏度又部分消除温度影响误差。在智能压力传感器的设计中，微处理器是最核心的器件，本文采用了MSCl211Y5传感器，因为其具有强大的功能，而且它的性价比高，且其内部具有32K FLSH存储器，所以我们选择它。在设计时，我们尽可能采取直接连接的方式，这样可以达到方便制版和简化电路的目的。2、软件设计软件是整个系统的重要组成部分，系统的人机对话、数据的输入输出，数据处理等功能都通过软件来实现的。因此开发一个性能优良的应用软件是实现整个系统正常可靠运行的重要前提。本论文采用C语言编程，对系统的智能功能进行设计。软件的设计完全按照结构化的程序设计来完成，将整个程序细胞划分为若干个子程序(模块)，方便调试与检查，有了各个功能快的软件实现方法，软件的总体设计就变的简单了，软件设计中一个重要的思想是采用模块设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序空间。智能压力传感器软件有以下几个模块：(1)对微处理器MSCl211Y5各种寄存器、AD转换器和DA的校准转换器进化初始化。(2)对AD转换器的校准包括各通道增益、零点漂移矫正。(3)现场压力和温度数据的采集。(4)压力传感器的温度补偿和非线性补偿。(5)AD输出，DA数据输出。(6)与上位机的通讯。整个系统在优化硬件盆之的基础上才用小型化一体化设计，所有微处理器，稳压模块，通讯接口芯片等都采用低价格，小体积，高集成度的器件，从而使用电路板尺寸很小，并与压阻式压力传感元件一体化转配，是智能压力传器系统具有体积小、成本低的特点。在单片机MSCl2llY5的超强的功能下，该压力传感器能有秩序地完成指定工作，实现测量的目的。五、 研究目标、主要特色及工作进度1、研究目标传统的传感器技术存在制作材料必须多品种，高性能，是成本过高，制作难度大等学点，性价比不高，且有些严重不足。如结构尺寸大导致的时间响应特性差、输入输出非线性、易受环境变化影响、信噪比低而易受干扰等缺点。智能压力传感器是一种带有微处理器（单片机）的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维判断功能的压力传感器l。显然，智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力，这主要是通过微处理器的程序来完成的，也就是说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物”。因此，智能压力传感器是既有获得信息的能力又有信息处理功能的传感器系统。智能压力传感器具备学习、推理、感知、通讯及管理的功能。智能压力传感器是微处理器和压力传感器的结合。因此，根据它们的实现途径可分为：非集成化的智能压力传感器、集成化的智能压力传感器和混合型的智能压力传感器。非集成化的智能压力传感器是把传统的压力传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合成一整体而构成的一个智能压力传感器系统。这种非集成化的智能压力传感器实际上就是在传统的压力传感器系统上增加了微处理器的连接。因此，这是一种实现智能压力传感器系统最快的途径和方式。集成化智能压力传感器是采用微机械加工技术以及大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。随着微电子技术的飞速发展，以及随着微米纳米技术的采用，由此而制作出的智能压力传感器具有微型化、结构一体化、精确度高、多功能、阵列式、全数字化、使用方便、操作简单等特点。2、主要特色(1)精确度高：智能压力传感器有多项功能来保证它的高精确度；智能压力传感器系统通常都具有自选量程、自校准、自动修正各类误差、自动补偿等功能，这些功能通过软件来解决，明显EE硬件解决要好。(2)高可靠性和高稳定性：智能压力传感器能自动因工作条件和环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，具有自动切换量程、自诊断、判断和决策处理等功能。(3)高信噪比和高分辨率：智能压力传感器具有数掘存储、记忆与信息处理功能，能够通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，它可以去除输入数据中的噪声，可以通过数据，这样保证了对特定参数测量的分辨能力。(4)强自适应性：智能压力传感器具有判断、分析与处理功能，它根据系统工作情况决策各部分的供电情况和与上位机的数据传输速率，从而使系统在最有低功耗状态和优化传送率，而且它具有多种自补偿功能。(5)设计制造容易，使用维修简单：由于智能压力传感器的大部分功能都是通过软件程序实现的，而它的硬件电路相对来讲是比较简单，且制造容易。同样，若智能压力传感器出现故障，除本身具有自寻故障，发出警报功能外，对它进行维修主要就是优化软件程序。(6)集中控制：由于智能压力传感器采用微处理器对整个系统进行控制，而且微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力，通过它的软件程序使微处理器得到充分的利用，这样就可以使智能压力传感器系统的多种功能协调起作用，从而保证了它优点得以充分发挥。由此，我们可以看到这是一种非常集中的方式。(7)灵活性强：以软件为主体的智能压力传感器不仅在使用方便，功能多样化等方面呈现出很大的灵活性，而且在其陛能方面，由于其控制软件或运算软件易于修改，也是它的性能易于改变。(8)高性能价格比：智能压力传感器所具有的上述多种功能，并不是像传统传感器技术那样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和调试，进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过微处理器与计算机相结合，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。3、工作进度六、参考文献1、刘迎春、叶湘滨 传感器原理、设计与应用 国防工业出版社2、王化祥、张淑英 传感器原理及应用 天津大学出版社3、李晓廷 发展中的MOEMS压力传感器、传感器世界4、张维新、朱秀文、毛赣如 半导体传感器 天津大学出版社5、袁希光 传感器技术手册 国防工业出版社6、建宁 传感器向小型化、高级化发展7、张鑫，郭清南，李学磊 压力传感器研究现状及发展趋势