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本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目： 智能化壓力傳感器的設(shè)計 學(xué) 院：環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 系 化工系 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師：劉誠 填表日期： 年 月 日 一、 選題的依據(jù)及意義 隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，兩者的結(jié)合也愈來愈緊密，智能化傳感器作為兩者結(jié)合的新興的研究方向，越來和越受到更多人的關(guān)注。近年來，雖然取得了一定的研究和開發(fā)成果，但是實際的需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)得不到滿足。壓力測控系統(tǒng)正急需發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)和使用的壓力傳感器在無法滿足需求，智能化的壓力傳感器系統(tǒng)，即將信息采集、信息處理和數(shù)字通信功能集于一身，能自主管理的開發(fā)和使用具有巨大意義。 此次選題是打算對智能壓力傳感器系統(tǒng)理論及其壓力測量方面的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，提出對智能壓力傳感器的設(shè)計開發(fā)和設(shè)計。利用集成程度高，功能強(qiáng)大的新型微處理器控制壓力傳感器，微處理器內(nèi)部集成大量模擬和數(shù)字外圍模塊，會具有很強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。 此次論文將在對智能壓力傳感器系統(tǒng)的智能化功能深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了較為完善的智能化軟件，實現(xiàn)了自動增益控制、溫度補(bǔ)償、自動校準(zhǔn)、總線數(shù)字通訊等多種智能化特性，使傳感器具有較高的智能化程度。提出了利用傳感元件自身特性實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)乃惴ㄒ约皩ο到y(tǒng)非線性補(bǔ)償?shù)乃惴?。并對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的抗干擾和系統(tǒng)故障自診斷設(shè)計，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。提出一種帶有程序判斷的智能數(shù)字濾波算法，它既具有較好的平滑能力，又具有較快的響應(yīng)速度。 本系統(tǒng)在軟件上運用C語言編程，系統(tǒng)采用與PC機(jī)通信，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及實時數(shù)據(jù)顯示等功能，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控。 本研究設(shè)計的智能壓力傳感器系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性好、響應(yīng)速度快、智能化程度高等特點，通過仿真對軟、硬件進(jìn)行了充分的調(diào)試，效果良好，在眾多壓力測控系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。 二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述） 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化技術(shù)的重要技術(shù)之一。從宇宙探索到海洋開發(fā)，從生產(chǎn)過程的控制到現(xiàn)代文明生活，幾乎每一項現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)都離不開傳感器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技等各個領(lǐng)域，傳感器技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出極其廣闊的前景。因此。許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視。例如在日本傳感器技術(shù)被列為六大核心技術(shù)(計算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器)之一?“，并且是將傳感器列為十大技術(shù)之首；美國將90年代看作是傳感器時代，將傳感器技術(shù)列為90年代22項關(guān)鍵技術(shù)之一”“。我國對傳感器的研究也有二十多年的歷史并取得了很大的成就“?。目前，在“科學(xué)技術(shù)就是第一生產(chǎn)力”的思想指引下，各項科學(xué)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也越來越受到各方面的重視，雖然在某些方面已趕上或者接近世晃先進(jìn)水平。但是從總體來看，與國外傳感器技術(shù)的發(fā)展相比，我國對傳感器技術(shù)的研究和生產(chǎn)還比較落后，現(xiàn)正處于方興未艾的階段。 據(jù)了解，1994年世界傳感器市場總的交易額高達(dá)260億美元，并且在2000年以的前，世界傳感器市場規(guī)模年增幅為7％以上，其中高檔的傳感器增幅可達(dá)18％以上，而那些采用微機(jī)械加工技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)等高新技術(shù)制造的各類型新型智能傳感器．其年增長率可達(dá)30％以上。從市場銷售情況來看，壓力傳感器占第一位。利用硅材料制作的半導(dǎo)體傳感器除具有固體傳感器的一般優(yōu)點以外，還可以把一些集成電路與傳感器制作在一起從而構(gòu)成集成化傳感器。集成電路部分若制作了微處理機(jī)，則形成智能化傳感器。到目前為止，高精確度、高可靠性、小型化、低成本的智能傳感器已成為世界傳感器市場的主流。 進(jìn)入90年代，發(fā)達(dá)國家對傳感器在信息社會中的作用有了新的認(rèn)識和評價，我國的八六三科技攻關(guān)計劃中也將傳感器的研究放在重要位景上。盡管我國經(jīng)濟(jì)還比較落后，但國家每年還要拿出大量的資金來對傳感器進(jìn)行研究。目前我國從事傳感器生產(chǎn)的廠家有1300家，所生產(chǎn)的產(chǎn)品種類有300余種，產(chǎn)量1億多只。由于眾多廠家規(guī)模小、設(shè)備落后、國家投入的資金不足而且比較分散，因而與世界上大的傳感器廠無法抗衡，科研水平也落后國外5～10年，而生產(chǎn)技術(shù)水平落后國外10～20年，與世界上傳感器更新?lián)Q代的速度相比，落后幾個周期。從而導(dǎo)致品種不全，產(chǎn)量過低，僅滿足國內(nèi)需求的20％～30％。據(jù)市場調(diào)查，90年代我國電子系統(tǒng)共需各類傳感器140萬件，化工80萬件，鋼鐵130萬件，能源管理與爐窯控制需要4000萬件，汽車行業(yè)需要4400萬件，機(jī)床行業(yè)需1500萬件，文化辦公機(jī)械需200萬件，各類儀器儀表所配用的傳感器約需3億件。雖說我國傳感器技術(shù)與發(fā)達(dá)國家傳感器技術(shù)相比還比較落后，但并不是說我國的傳感器特性都不如國外的好。綜合近期發(fā)表的文獻(xiàn)，國產(chǎn)半導(dǎo)體壓力傳感器的特性參數(shù)有所提高，以矩形雙島膜結(jié)構(gòu)的6000Pa量程微壓傳感器特性為例，非線性為510-4FS(滿量程)滯后，重復(fù)性均小于5104FS，分辨率優(yōu)于20Pa，過壓保護(hù)范圍大于20倍量程。對量程為100kPa的壓力傳感器，非線性、滯后、重復(fù)性均優(yōu)于510印s。硅一蘭寶石、高溫硅壓力傳感器的工作溫度分別達(dá)到一50～300℃和0～400℃。壓敏器件的可靠性MTTF已達(dá)到較好水平。元器件的品種增多，測壓范圍已拓展，已有微壓、表壓、高壓、絕對壓力、差壓等力敏元件及其配套儀表問世。 三、 本課題研究內(nèi)容 本文在對傳統(tǒng)的壓力傳感器結(jié)構(gòu)及性能、智能壓力傳感器系統(tǒng)的理論及應(yīng)用進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種具有體積小、成本低、壽命長、量程范圍大、反應(yīng)速度快、智能化程度較高等特點的智能壓力傳感器。 主要內(nèi)容如下： 1、在對傳統(tǒng)壓力傳感器作了綜述的基礎(chǔ)上，對智能壓力傳感器系統(tǒng)的類型、功能以及特點進(jìn)行了全面的闡述；簡明闡述了智能壓力傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 2、介紹了系統(tǒng)構(gòu)成及本系統(tǒng)的特點和程序軟件開發(fā)平臺。 3、進(jìn)行了較完善的系統(tǒng)硬件設(shè)計。采用高性能、低價格、小體積的微處理器進(jìn)行控制并實現(xiàn)智能化信息處理與自我管理：小體積器件使電路板尺寸很小，并與傳感元件一體化設(shè)計，從而使整個系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點，抗干擾能力也較強(qiáng)。在硬件設(shè)計中，配置了485總線通訊接口為傳感器的多功能智能化奠定了基礎(chǔ)。 4、在對智能傳感器系統(tǒng)的智能化功能深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了較為完善的智能化軟件。提出了利用傳感元件自身溫度特性由軟件實現(xiàn)溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償?shù)乃惴ǎ钥朔徊骒`敏度并節(jié)省另用溫度傳感器的成本投入。 5、對傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的抗干擾和系統(tǒng)白診斷設(shè)計，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。提出一種智能濾波算法，在獲得較好的濾波效果的同時，提高了響應(yīng)的快速性。 四、 本課題研究方案 1、結(jié)構(gòu)設(shè)計 本文設(shè)計的傳感器提供了一種精確測量壓力的系統(tǒng)方法，他將三種技術(shù)融為一體：硅壓阻傳感元件、微型計算機(jī)和信號處理。它可提供溫度補(bǔ)償和非線性度補(bǔ)償，并且每臺傳感器同時具有數(shù)字信號輸出和模擬信號輸出。根據(jù)設(shè)計要求，智能壓力傳感器應(yīng)采用低價格、小體積、高性能價值比的8位微處理器(單片機(jī))控制，用以實現(xiàn)傳感器信息的處理、數(shù)字通信和智能化管理。 傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首，被測壓力量需由它轉(zhuǎn)換為電信號才能供給電路處理，因此它的性能對傳感器系統(tǒng)有著很大的影響。本文采用固態(tài)壓阻式壓力傳感器，其機(jī)構(gòu)包括外殼，硅膜片和引線。其核心部分是一塊圓形硅膜片，膜片周圍用硅環(huán)固定，通常稱為硅環(huán)。膜片兩邊有兩個壓力腔，一個是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通，也有做成真空的。在膜片上利用集成電路工藝方法擴(kuò)散上四個阻值相等的電阻：R1、R2、R3、R4。四個電阻用導(dǎo)線接成平衡電橋。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差而發(fā)生形變時，膜片各點產(chǎn)生應(yīng)力，從而使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出響應(yīng)的電壓，其電壓大小就反映了模片的壓力差值。利用電阻的特征，選擇適當(dāng)位置布置電阻，使其直接入電橋四臂中，從而構(gòu)成全等臂差動電橋，如圖2所示。這樣既提高了靈敏度又部分消除溫度影響誤差。在智能壓力傳感器的設(shè)計中，微處理器是最核心的器件，本文采用了MSCl211Y5傳感器，因為其具有強(qiáng)大的功能，而且它的性價比高，且其內(nèi)部具有32K FLSH存儲器，所以我們選擇它。在設(shè)計時，我們盡可能采取直接連接的方式，這樣可以達(dá)到方便制版和簡化電路的目的。 2、軟件設(shè)計 軟件是整個系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)的人機(jī)對話、數(shù)據(jù)的輸入輸出，數(shù)據(jù)處理等功能都通過軟件來實現(xiàn)的。因此開發(fā)一個性能優(yōu)良的應(yīng)用軟件是實現(xiàn)整個系統(tǒng)正?？煽窟\行的重要前提。本論文采用C語言編程，對系統(tǒng)的智能功能進(jìn)行設(shè)計。軟件的設(shè)計完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計來完成，將整個程序細(xì)胞劃分為若干個子程序(模塊)，方便調(diào)試與檢查，有了各個功能快的軟件實現(xiàn)方法，軟件的總體設(shè)計就變的簡單了，軟件設(shè)計中一個重要的思想是采用模塊設(shè)計，把一個大的任務(wù)分解成若干個小任務(wù)，分別編制實現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現(xiàn)這個大任務(wù)了。這種思路對于可重復(fù)使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因為不僅程序結(jié)構(gòu)清晰，而節(jié)約程序空間。 智能壓力傳感器軟件有以下幾個模塊：(1)對微處理器MSCl211Y5各種寄存器、A／D轉(zhuǎn)換器和D／A的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)化初始化。(2)對A／D轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)包括各通道增益、零點漂移矯正。(3)現(xiàn)場壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集。(4)壓力傳感器的溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償。(5)A／D輸出，D／A數(shù)據(jù)輸出。(6)與上位機(jī)的通訊。 整個系統(tǒng)在優(yōu)化硬件盆之的基礎(chǔ)上才用小型化一體化設(shè)計，所有微處理器，穩(wěn)壓模塊，通訊接口芯片等都采用低價格，小體積，高集成度的器件，從而使用電路板尺寸很小，并與壓阻式壓力傳感元件一體化轉(zhuǎn)配，是智能壓力傳器系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點。在單片機(jī)MSCl2llY5的超強(qiáng)的功能下，該壓力傳感器能有秩序地完成指定工作，實現(xiàn)測量的目的。 五、 研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度 1、研究目標(biāo) 傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)存在制作材料必須多品種，高性能，是成本過高，制作難度大等學(xué)點，性價比不高，且有些嚴(yán)重不足。如結(jié)構(gòu)尺寸大導(dǎo)致的時間響應(yīng)特性差、輸入輸出非線性、易受環(huán)境變化影響、信噪比低而易受干擾等缺點。 智能壓力傳感器是一種帶有微處理器（單片機(jī)）的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維判斷功能的壓力傳感器?l。顯然，智能壓力傳感器具有較強(qiáng)的信息處理功能的能力，這主要是通過微處理器的程序來完成的，也就是說智能壓力傳感器是硬件電路和軟件程序結(jié)合的產(chǎn)物”。因此，智能壓力傳感器是既有獲得信息的能力又有信息處理功能的傳感器系統(tǒng)。智能壓力傳感器具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通訊及管理的功能。 智能壓力傳感器是微處理器和壓力傳感器的結(jié)合。因此，根據(jù)它們的實現(xiàn)途徑可分為：非集成化的智能壓力傳感器、集成化的智能壓力傳感器和混合型的智能壓力傳感器。 非集成化的智能壓力傳感器是把傳統(tǒng)的壓力傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合成一整體而構(gòu)成的一個智能壓力傳感器系統(tǒng)。這種非集成化的智能壓力傳感器實際上就是在傳統(tǒng)的壓力傳感器系統(tǒng)上增加了微處理器的連接。因此，這是一種實現(xiàn)智能壓力傳感器系統(tǒng)最快的途徑和方式。 集成化智能壓力傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)以及大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用硅作為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理器單元，并把它們集成在一塊芯片上而構(gòu)成的。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及隨著微米／納米技術(shù)的采用，由此而制作出的智能壓力傳感器具有微型化、結(jié)構(gòu)一體化、精確度高、多功能、陣列式、全數(shù)字化、使用方便、操作簡單等特點。 2、主要特色 (1)精確度高：智能壓力傳感器有多項功能來保證它的高精確度；智能壓力傳感器系統(tǒng)通常都具有自選量程、自校準(zhǔn)、自動修正各類誤差、自動補(bǔ)償?shù)裙δ埽@些功能通過軟件來解決，明顯EE硬件解決要好。 (2)高可靠性和高穩(wěn)定性：智能壓力傳感器能自動因工作條件和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，具有自動切換量程、自診斷、判斷和決策處理等功能。 (3)高信噪比和高分辨率：智能壓力傳感器具有數(shù)掘存儲、記憶與信息處理功能，能夠通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、相關(guān)分析等處理，它可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，可以通過數(shù)據(jù)，這樣保證了對特定參數(shù)測量的分辨能力。 (4)強(qiáng)自適應(yīng)性：智能壓力傳感器具有判斷、分析與處理功能，它根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而使系統(tǒng)在最有低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送率，而且它具有多種自補(bǔ)償功能。 (5)設(shè)計制造容易，使用維修簡單：由于智能壓力傳感器的大部分功能都是通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)的，而它的硬件電路相對來講是比較簡單，且制造容易。同樣，若智能壓力傳感器出現(xiàn)故障，除本身具有自尋故障，發(fā)出警報功能外，對它進(jìn)行維修主要就是優(yōu)化軟件程序。 (6)集中控制：由于智能壓力傳感器采用微處理器對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，而且微處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，通過它的軟件程序使微處理器得到充分的利用，這樣就可以使智能壓力傳感器系統(tǒng)的多種功能協(xié)調(diào)起作用，從而保證了它優(yōu)點得以充分發(fā)揮。由此，我們可以看到這是一種非常集中的方式。 (7)靈活性強(qiáng)：以軟件為主體的智能壓力傳感器不僅在使用方便，功能多樣化等方面呈現(xiàn)出很大的靈活性，而且在其陛能方面，由于其控制軟件或運算軟件易于修改，也是它的性能易于改變。 (8)高性能價格比：智能壓力傳感器所具有的上述多種功能，并不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣追求傳感器本身的完善，對傳感器的各個環(huán)境進(jìn)行精心設(shè)計和調(diào)試，進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過微處理器與計算機(jī)相結(jié)合，采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實現(xiàn)的。 3、工作進(jìn)度 六、參考文獻(xiàn) 1、劉迎春、葉湘濱 《傳感器原理、設(shè)計與應(yīng)用》 國防工業(yè)出版社 2、王化祥、張淑英 《傳感器原理及應(yīng)用》 天津大學(xué)出版社 3、李曉廷 《發(fā)展中的MOEMS壓力傳感器》、《傳感器世界》 4、張維新、朱秀文、毛贛如 《半導(dǎo)體傳感器》 天津大學(xué)出版社 5、袁希光 《傳感器技術(shù)手冊》 國防工業(yè)出版社 6、建寧 《傳感器向小型化、高級化發(fā)展》 7、張鑫，郭清南，李學(xué)磊 《壓力傳感器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》