单片集成压力传感器的信号处理设计

任线妮　赵宏江

摘 要 本文主要对单片集成压力传感器信号的收集和处理进行研究，提出了一个更加高效的运算放大电路。电路采用两级放大，具有对称的输入结构和全摆幅输出结构。利用此电路可以构成仪表放大器，从而进一步设计出集成压力传感器。

关键词 单片集成 压力传感器 信号处理

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0前言

随着科学技术的迅速发展，传感器技术也逐渐应用到国民经济的各个领域，从汽车电子到医疗设备，传感器技术随处可见。因此，提高传感器和检测电路的整体性能是非常有必要的。集成单片硅传感器，有效地将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，既减少了成本，又提高了可靠性。

1电路硬件设计

压力传感器混合信号调理电路包括模拟部分和数宇部分。模拟电路包含：恒流源电路、放大电路和滤波电路。其中，恒流源电路为压力传感器供电；放大电路对传感器的输出信号进行放大并归一化；滤波电路抑制放大输出信号中的干扰。数宇电路包括开关量控制电路和RS232通信电路，RS232通信电路主要用于下位机与上位机的通信。混合信号调理电路整体框图如图1所示。

1.1恒流源电路设计

用恒流源供电时，由于采用的传感器具有灵敏度温度自补偿功能，无需外加电路补偿，简化了电路，节省了成本，恒流源供电电路如图2所示。

图中C点电压Vc是稳定的电压，由运放的“虚短、虚断”原理可知：B点电压VB=VC，则给传感器供电的电流激励I=VB/R需要注意的是，运算放大器的负载包含传感器电阻桥和电阻R，其中电阻桥1、3端所对应的阻值很大，同时电阻桥的电阻值随温度而改变，因此这两端的压降也会很大，再加上R的压降后会更大，因此运算放大器输出电压的最大幅值必须足够大。

1.2运算放大电路设计

仪表放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成运算放大器构成的仪表放大器价格较低，适应性较宽；单片式结构在生产时已经调整到很高的精度，但是价格比较昂贵。为了降低成本，采用三运放仪表运算放大电路。

1.3滤波电路设计

干扰抑制包括RC滤波电路以及软件编写的数宇滤波。RC滤波电路是为了抑制广谱噪声和模数转换前的抗混叠噪声；而软件编写的数宇滤波是为了使单片机的采集信号更准确。

RC滤波电路采用二阶RC有源低通滤波电路，RC有源滤波器的谐振频率可由RC网络任意设定，网络的损耗由运算放大器补偿。

1.4 RS232通信电路设计

RS232通信是PC机与单片机用2根线方式进行全双工异步通讯。由于AVR单片机输入输出电平为TTL电平，PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致，因此必须进行电平转换。MAX232芯片是一种新类型的电平转换器，仅需+5 V电源供电。这种电平转换器可将2路TTL电平转换成RS232电平，也可将2路RS232电平转换成TTL电平。

2软件设计

软件分2部分：单片机程序和上位机串口通讯程序。单片机程序要完成上电初始化、数宇滤波、ADC采集、开关量控制和与上位机的通讯。上位机将设定的开关量通过RS232电路传给单片机，并保存在EEPROM中，传感器输出的压力值经过混合信号调理电路放大以及归一化后，单片机对其进行模数转换，将转换得到的结果与EEPROM中的值比较，根据结果所在的开关阂值范围，打开相应的开关量。

上位机串口通讯程序实现开关量的设定功能。通讯过程中数据都是以宇符型进行传输，这样就能避免控制宇符和数据的重复，使通讯更安全。上位机的程序是用Visual C ++提供的MFC编写，MFC中的MSComm控件通过串行端口传输和接收数据Csl，为应用程序提供串行通讯功能。

3总结

本文提出对称结构的放大器结构具有较高的共模抑制比，能够减小传感器输出的零点漂移，并可通过调零电阻对零点漂移进行一定的补偿。而且输出线性度良好，能够很好地处理传感器的弱信号。本文工作对高性能单片压阻式压力传感器的设计具有重要的指导意义。

参考文献

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