0-200kPa气动控制信号检测系统的设计

在气动执行器控制中，常采用4～20mA标准电流信号作为控制信号，由定位器或电气转换器将其转换为气压信号，作为气动执行器直接控制信号。定位器或电气转换器输出的气压控制信号精度直接决定气动执行器的精度，故一般定位器或电气转换均要对其输出的气压信号进行闭环控制以提高其转换精度，这其中气压信号的检测是关键一步。通常用的压力传感器是采用惠斯登电桥的压力传感器，但是这种传感器在4个桥臂的阻值不匹配时，就会出现比较大的误差。本文设计了一种基于MSP430单片机和MPX2200传感器的气压检测方法，已用于笔者研制的压电式电气转换器，效果良好。

    1 检测系统硬件设计

    1.1 检测系统总体结构

    气压信号检测系统结构如图1所示。压力传感器选用MPX2200，其输出微弱信号经调理放大后输入MSP430单片机内部集成的AD转换器，由MSP430单片机通过软件进行数据处理，即可得到压力信号，该信号可进行输出显示，也可经过通信传送至上位机。

图1 压力信号检测系统总体结构图

    1.2 主要元器件简介

    1.2.1 MSP430单片机

    MSP430F149单片机是TI公司推出的FLASH型16位超低功耗单片机，具有超低功耗、片上外围模块丰富、采用精简指令集等特点。

    1.2.2　压力传感器MPX2200

    选用摩托罗拉公司的MPX系列压力传感器MPX2200，该传感器采用电脑控制的激光校准和半导体工艺，具有性能优良、价格低廉的特点。它利用单片硅压敏电阻来检测气压信号。MPX2200传感器片内自带温度补偿及校正电路，不必外加复杂的温度补偿电路。

    1.3 压力传感器信号调节电路

    1.3.1 恒流源电源设计

    半导体压力传感器供电方式有恒压源和恒流源两种，但考虑到温度的影响，本系统选用恒流源供电，因为虽然MPX2200自带有温度补偿电路，但对于半导体压力传感器，温度特性极其重要.设半导体应变片的电阻系数为α，应变片灵敏系数K的温度系数为β，则在恒流情况下，电桥的输出电压V₀为，而

因此    （1）

    式中，R₀是基准温度的传感器电阻值，ΔR是因压力引起的电阻变化量，K₀是基准温度下的灵敏度系数，ε是应变。

    根据公式（1），只要选择应变片的α＋β＝0，就可使V₀的温度系数最小.所以，半导体应变片压力传感器以恒流源工作为第一选择。

    由于半导体应变片的电阻较大，因此，选择合适的恒流源很重要，若I取小了，则电桥输出太小；若I取大了，则要求电源电压要高，一般取1.5mA即可。在图2所示的压力信号调节电路中，利用运放TLC2252和电阻R₃构成恒流源，电桥上流过的电流I＝1.5/R＝1.5mA。假设电桥的电阻值为6kΩ，则V₁＝1.5×6＋1.5×1＝10.5V，运放TLC2252的输出必须在11V以上，电路中的电源电压要取15V。

图2 压力传感器信号调节电路

    1.3.2 放大电路设计

    压力传感器信号放大电路如图2所示，MPX2200检测压力范围为0～200kPA，满量程输出电压为40mV，即灵敏度为0.2mV/kPA，信号极弱，为采集、解析该微弱信号，必须在输出端增加信号调节电路。为提高测量精度，调节电路除具有信号放大作用以外，还要具有零点调整、增益控制、噪声抑制等功能。

    半导体应变片电桥本身的电阻较大，必须采用高输入阻抗放大器。本设计一级放大采用仪用放大器INA141，放大倍数为10倍；二级放大采用放大倍数可调的仪用放大器INA118，放大倍数具体放大倍数由可变电阻R₅确定。

    1.4 AD转换电路设计

    本系统AD转换选用MSP430F149内部自带的12位AD转换器，压力传感器输出的电压信号经两极放大后输出范围适当的电压，将其输入到MSP430F149的AD转换器第二路通道P6.2/A2引脚。

    2 软件设计

    2.1 标度变换

    智能检测系统由传感器将各种物理量转换为电信号，经调理放大、AD转换后，得到相应数字信号.故数据处理软件需将这些数字量转换成具有不同量纲的物理量，称为“标度变换”。

    对线性系统，标度变换公式为

    （2）

    式中，P_x是实际测量值（气压值），P_m、P₀是测量值的上下限；AD_x是实际测量值对应的数字量，AD_m、AD₀是测量值上下限对应的数字量。

    2.2 非线性处理

    在智能仪表设计中，常遇到非线性关系，本系统采用分段插值的方法［6］来处理数字量与气压值之间的非线性关系.差值方法采用分段线性LAglange差值，根据标度变换公式（2），设AD值差值节点为AD₀，AD₁，…AD₁₆，气压节点为P₀，P₁，…P₁₆，在每个差值区间［AD_k，AD_k＋1］（k＝0，1，…，15）上做线性差值多项式为

    其中AD∈［ADk，ADk＋1］.

    2.3 程序流程图

    气压检测程序流程图见图3，采用430C语言，由IAR Embedded Workbench软件编译、JTAG仿真调试。在主程序中设置了看门狗功能，选用内部自带看门狗，以防止产生错误代码或程序跑飞。在数据处理中主要进行了软件滤波和非线性处理。软件滤波选择了中值平均滤波法，连续采集11个数据，去掉最大值和最小值，其余数据取均值，作为有效测量数据，这种方法可以有效地消除偶然产生的脉冲干扰。

    3 试验结果

    本系统已经应用在压电式电气转换器控制系统中，表1是系统在实际运行中的测试结果.因压电式电气转换器控制系统气压信号范围为20～100kPA，所以表中仅列了此范围内节点测量值，若需测量0～200kPA范围信号，计算时只需更改公式（2）中的P_m、P₀即可。从测试的结果可以看出，系统具有较高的精度，但当压力值较小时，测量误差较大。

表1 测试数据表

图3 气压信号采集程序流程图

    4 结束语

    针对气动执行器气压控制信号0～200kPA气压设计了检测系统，利用压阻式压力传感器MPX2200和超低功耗单片机MSP430F149进行在线智能检测，利用中值滤波和分段插值法对数据进行处理.该系统已用于笔者设计的压电式智能式电气转换器控制系统，实验表明，该系具有很高的检测精度，可广泛用于气动执行机构和元器件中。