專利名稱：智能壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種廣泛用于汽車、工程車輛和各種液體、氣體壓力測量領域的智能型傳感器，是一種由計算機技術、通訊技術和測量技術相結(jié)合的智能壓力傳感器。
背景技術：
目前汽車與工程車輛使用的各種壓力傳感器普遍存在精度較低、非線性嚴重、以模擬方式傳送信號的缺點。以目前車輛上經(jīng)常使用的機油壓力傳感器為例，其原理是將傳感器、顯示儀表(微安表頭)、和汽車電瓶串聯(lián)，機油壓力的變化引起傳感器電阻變化，使串聯(lián)電路的阻抗發(fā)生變化，從而使流過顯示儀表的電流發(fā)生變化，達到指示壓力的目的，這種傳感器的指示精度與傳感器特性和電瓶電壓密切相關，這種電路的優(yōu)點是電路簡單。近幾年發(fā)展起來的集成壓力傳感器，特別是擴散硅壓力傳感器，以成本低、精度高而得到了廣泛應用，但在汽車及工程車輛上使用較少，主要原因有以下幾個方面其一，這些傳感器多數(shù)受溫度影響嚴重，無法適應測量環(huán)境。其二，集成壓力傳感器一般由半導體材料加工，制造成本的限制使其抗電流沖擊的能力比較差，所以直接將其用于汽車和工程車輛中比較容易損壞。其三，以模擬信號直接進行傳輸必然引入干擾，特別是在惡劣工況下的汽車和工程車輛，經(jīng)常發(fā)生接觸不良、強電磁干擾等，導致儀表指示不準確。其四，采用溫度補償和變送器的壓力傳感器成本過高，難以廣泛使用到汽車和工程車輛上。日常使用的壓力傳感器采用模擬信號傳送，若一個設備上使用多個壓力傳感器傳感器，勢必使用大量的引線，造成車輛設備布線線束復雜，降低了系統(tǒng)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種測量精度高、抗干擾能力強、對模擬信號進行數(shù)字化處理的智能壓力傳感器。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型特征在于包括單片計算機、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度信號放大器、壓力信號放大器、精密偏壓源、測量濾波器、集成穩(wěn)壓器、收發(fā)器、電源濾波保護器和外部接口；單片計算機接受從外部接口并通過收發(fā)器發(fā)送來的指令，根據(jù)指令的要求，從溫度信號放大器和壓力信號放大器讀取數(shù)據(jù)、或者進行系統(tǒng)故障檢測，測量的數(shù)據(jù)暫存于單片機內(nèi)部寄存器中，經(jīng)過單片計算機對數(shù)據(jù)進行處理和校正后，通過收發(fā)器發(fā)送到外部接口上；溫度傳感器和壓力傳感器由測量電橋構(gòu)成，其偏置電壓是精密偏壓源提供的，以保障傳感器的測量精度；溫度信號放大器和壓力信號放大器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；測量濾波器將集成穩(wěn)壓器輸出的電源進一步濾波，為測量運算放大器、精密偏壓源和單片計算機的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的直流電源；集成穩(wěn)壓器為單片計算機、測量濾波器提供穩(wěn)定的直流工作電源；收發(fā)器在系統(tǒng)上電后，喚醒電路使收發(fā)器處于待命狀態(tài)，外部接口發(fā)送的指令通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為單片計算機接受的數(shù)字指令，并為單片計算機所執(zhí)行，執(zhí)行的結(jié)果由單片計算機通過收發(fā)器發(fā)送到外部接口；電源濾波保護器防止電源反接，濾除外部干擾信號，為集成穩(wěn)壓器和收發(fā)器提供平穩(wěn)的輸入電源；外部接口為智能傳感器提供能源并完成指令的輸入和數(shù)據(jù)的輸出功能。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于單片計算機由單片計算機集成電路U2、上拉電阻R3、R4、濾波電容C4、C5、C6、C7和電感L1構(gòu)成。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于溫度信號放大器和壓力信號放大器由測量運算放大器U4、U5、濾波電容C8、C11和可變電阻R6、R7構(gòu)成。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于測量濾波器由濾波電容C12、C13、C15、R8和電感L3構(gòu)成。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于集成穩(wěn)壓器由穩(wěn)壓集成電路U6和濾波電容C10構(gòu)成的。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于收發(fā)器由集成電路U1、二極管D1、電阻R1、R2和濾波電容C1、C2構(gòu)成；電阻R2和濾波電容C2構(gòu)成一個上電喚醒電路，二極管D1和電阻R1構(gòu)成收發(fā)信號線LIN的負載，濾波電容C1控制通訊過程中的電壓上升沿和下降沿，降低電磁輻射而造成的干擾。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于電源濾波保護器由保護二極管D2、電感L2和濾波電容C9、C14構(gòu)成，電感L2和濾波電容C9、C14組成L型濾波電路，保護二極管D2采用肖特基二極管。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于外部接口由輸入電源線、收發(fā)信號線LIN和地線組成。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于精密偏壓源由集成電路U3、限流電阻R5和濾波電容C3構(gòu)成。
根據(jù)所述的智能壓力傳感器，其特征在于所述的測量電橋同時使用溫度測量電橋PT1000和壓力測量電橋P1。
本實用新型與傳統(tǒng)壓力傳感器相比具有以下顯著優(yōu)點1、采用集成壓力傳感器和PT1000精密鉑電阻測溫傳感器，測量精度高。
2、利用單片計算機對模擬信號進行數(shù)字化，單片計算機提供的數(shù)字處理功能，可消除各種主要干擾。
3、采用單片計算機后，可以實現(xiàn)對傳感器系統(tǒng)的故障檢測，也可以實現(xiàn)對傳感器的數(shù)字校正。
4、采用強抗干擾能力數(shù)字信號收發(fā)電路，它可以接收外部接口發(fā)送的指令，并根據(jù)指令要求向外部接口發(fā)送規(guī)定信息。
5、采用一種新型的總線接口，使用三條導線作為傳感器供電和傳送信息的載體，可大大提高傳感器可靠性。
6、利用本發(fā)明可將最多16個傳感器組成一個局域網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡管理下實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合。
7、使用獨立的地線，防止電瓶地線接觸不良、馬達開啟和停止、發(fā)電機調(diào)節(jié)器損壞造成的瞬間高壓對傳感器的沖擊。
8、采用測量運算放大器，可有效抑制測量過程中的共模干擾。
9、在單片計算機軟件上采用數(shù)據(jù)融合技術，修正壓力傳感器的測量值，補償由于溫度變化造成的壓力測量誤差。


圖1為本實用新型的電路原理框圖。
圖2為本實用新型的電路原理圖。
圖3為本實用新型的單片機軟件流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的內(nèi)容。
本實用新型的電路原理框圖如圖1所示，包括單片計算機、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度信號放大器、壓力信號放大器、精密偏壓源、測量濾波器、集成穩(wěn)壓器、收發(fā)器、電源濾波保護器和外部接口。
本實用新型通過外部接口為智能壓力傳感器加12V電源以后，經(jīng)過電源濾波保護器后，施加于集成穩(wěn)壓器和收發(fā)器上，在這個直流電源作用下，收發(fā)器喚醒電路工作，使收發(fā)器處于就緒狀態(tài)；集成穩(wěn)壓器輸出的穩(wěn)定5V電壓為單片計算機和測量濾波器提供工作電源，單片計算機的內(nèi)部復位電路工作，使其處于就緒狀態(tài)；測量濾波器輸出的電壓為溫度信號放大器、壓力信號放大器、精密偏壓源和單片計算機內(nèi)部模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供電源，壓力測量電橋P1將外部液體壓力變換為與壓力成正比的電壓信號，溫度測量電橋PT1000將壓力測量電橋P1的環(huán)境溫度變換為與之成正比的電壓信號，兩種電壓信號經(jīng)過壓力信號放大器和溫度信號放大器放大后，輸出到單片計算機的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入端。
通過外部接口向收發(fā)器發(fā)送一個規(guī)定的指令；收發(fā)器響應輸入的指令，將輸入指令轉(zhuǎn)換為單片計算機能夠接受的指令，通過與單片計算機的接口電路，將該指令發(fā)送給單片計算機；單片計算機接收該指令，根據(jù)指令的要求，啟動模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，將壓力信號放大器和溫度信號放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號，并儲存在單片計算機的內(nèi)部存儲器中，單片計算機根據(jù)指令對采集的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)集成壓力傳感器輸出電壓與環(huán)境溫度的關系，用溫度數(shù)據(jù)對壓力數(shù)據(jù)進行校正，獲得真實壓力數(shù)據(jù)，并將該數(shù)通過單片計算機與收發(fā)器的接口電路發(fā)送給收發(fā)器；收發(fā)器接收到單片計算機送來的數(shù)據(jù)后，將其進行電平轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送到外部接口上。
利用智能壓力傳感器可以接收外部命令的特點，可以對傳感器進行數(shù)字編址，用三條導線(稱為總線)將多個智能壓力傳感器(或相同結(jié)構(gòu)的其它傳感器)的外部接口連接起來，構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡；通過三根導線為所有智能壓力傳感器提供電源，讀取智能壓力傳感器的指令含有編址信息，只有指令編址信息與智能壓力傳感器編址信息相同的傳感器才響應指令，其它傳感器仍然處于就緒狀態(tài)。由于收發(fā)器驅(qū)動能力的限制，在一個傳感器網(wǎng)絡上最多可以接16個相同結(jié)構(gòu)的智能電壓傳感器。
本實用新型的電路原理圖如圖2所示。
單片計算機由單片計算機集成電路U2、濾波電容C4、C5、C6、C7、電感L1和電阻R3、R4組成，集成穩(wěn)壓器送來的穩(wěn)壓直流電源經(jīng)過信號線VCC，又經(jīng)過濾波電容C4、C5濾波后，加在單片計算機的電源輸入端VCC引腳上；單片計算機的3個GND引腳由兩個接電源地線，另一個接測量濾波器的地線；電感L1和濾波電容C6構(gòu)成的低通濾波器，將測量濾波器輸出的直流電壓VCC1進一步濾波后，接到單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電源輸入端AVCC引腳；濾波電容C7是單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考源的外置濾波電容；壓力信號放大器和溫度信號放大器輸出的信號，經(jīng)過信號線OUT2和信號線OUT1與單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入引腳PC1和PC0相連，單片計算機啟動模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器就可將這路模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字；單片計算機PB0引腳通過信號線RXD接收收發(fā)器集成電路U1發(fā)送來的指令，由信號線RXD送往單片計算機的指令也連接到單片計算機集成電路U2的PD2引腳上，該引腳是單片計算機的外部中斷引腳，利用外部中斷可提高單片計算機響應輸入指令的速度；單片計算機PB1引腳通過信號線TXD向收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)；單片計算機PB3引腳通過信號線SLP可控制收發(fā)器，使其進入低功耗狀態(tài)；電阻R3、R4為上拉電阻，為信號線RXD和信號線TXD提供直流通路。
壓力信號放大器由測量運算放大器U5、電阻R7和濾波電容C11組成，測量濾波器輸出的直流電壓經(jīng)過濾波電容C11濾波后，施加于測量運算放大器U5的電源引腳，測量運算放大器U5的負電源引腳VEE與測量濾波器的地線連接；壓力測量電橋輸入的電壓信號通過信號線IN2+和信號線IN2-加于測量運算放大器U5的輸入端，通過調(diào)節(jié)可變電阻R7調(diào)整放大倍數(shù)，使放大器的輸出幅度滿足測量要求，輸出信號經(jīng)過信號線OUT2連至單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入端PC1。
溫度信號放大器由測量運算放大器U4、電阻R6和濾波電容C8組成，測量濾波器輸出的直流電壓經(jīng)過電容C8濾波后，施加于測量運算放大器U4的電源引腳，測量運算放大器U4的負電源引腳VEE與測量濾波器的地線連接；溫度測量電橋PT1000輸入的電壓信號通過信號線IN1+和IN1-加于測量運算放大器輸入端，通過調(diào)節(jié)可變電阻R6調(diào)整放大倍數(shù)，使放大器的輸出幅度滿足測量要求，輸出信號經(jīng)過信號線OUT1連至單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入端PC0。
集成穩(wěn)壓器由穩(wěn)壓集成電路U6和濾波電容C10組成，電源濾波保護器輸出的直流電壓VBAT施加于穩(wěn)壓集成電路U6引腳Vin，穩(wěn)壓集成電路U6的GND引腳與地線相連，穩(wěn)壓集成電路U6的+5V引腳輸出穩(wěn)定的5V電壓，經(jīng)過濾波電容C10濾波后，通過信號線VCC為單片計算機和測量濾波器提供工作電壓。
收發(fā)器電路由集成電路U1、二極管D1、電阻R1、R2、濾波電容C1、C2組成，經(jīng)過電源濾波保護器送來的直流電壓VBAT施加到集成電路U1的BAT端，為集成電路U1提供工作電源；電阻R2和濾波電容C2構(gòu)成一個上電喚醒電路，與集成電路U1的WAKE引腳連接，使集成電路U1在電源供電后處于就緒狀態(tài)；二極管D1和電阻R1構(gòu)成收發(fā)信號線LIN的負載，濾波電容C1用來控制通訊過程中的電壓上升沿和下降沿，降低電磁輻射而造成的干擾；收發(fā)信號線LIN與外部接口相連，可接收外部接口送來的指令，也可將單片計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過收發(fā)信號線LIN送到外部接口；信號線RXD、TXD和SLP與單片計算機的PB0、PB1和PB2相連，收發(fā)器將外部接口收發(fā)信號線LIN送來的指令信號轉(zhuǎn)換為單片計算機接收的信號，通過信號線RXD傳送給單片計算機指令接收端PB0和外部中斷接收端PD2，單片計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)通過信號線TXD送給收發(fā)器，收發(fā)器將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為適合外部接口傳送的信號，并通過收發(fā)信號線LIN發(fā)送到外部接口上。
電源濾波保護器由保護二極管D2、電感L2和濾波電容C9、C14構(gòu)成，外部接口的+12V電源線經(jīng)過保護二極管D2施加于電感L2和濾波電容C9、C14組成的L型濾波電路；保護二極管D2采用肖特基二極管，如果外部接口電源接反，保護二極管D2處于截止狀態(tài)，保護智能壓力傳感器免于損壞，正常狀態(tài)下保護二極管D2只有很小的壓降；經(jīng)過電感L2、濾波電容C9、C14濾波的外部電壓通過信號線VBAT送到收發(fā)器和集成穩(wěn)壓器。
外部接口是一個三芯的接頭，分別是+12V電源線、收發(fā)信號線LIN和地線，利用該接口可以讀取壓力數(shù)據(jù)，也可以對智能壓力傳感器進行校準、或者進行系統(tǒng)故障檢測。
測量濾波器由濾波電容C12、C13、C15、電阻R8和電感L3組成，集成穩(wěn)壓器輸出的直流電壓經(jīng)過該測量濾波器濾波后，為測量放大器、精密偏壓源和單片計算機模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供高穩(wěn)定工作電壓。
精密偏壓源由集成電路U3、限流電阻R5和濾波電容C3組成，測量濾波器輸出的工作電壓通過限流電阻R5作用于集成電路U3，集成電路U3在2.048伏發(fā)生齊納擊穿，由于限流電阻R5的作用，使集成電路U3的輸出電壓穩(wěn)定在2.048伏，電容C3為濾波電容，精密的2.048伏電壓為測量電橋提供了直流偏置。
權(quán)利要求1.一種智能壓力傳感器，其特征在于包括單片計算機、溫度傳感器、壓力傳感器、溫度信號放大器、壓力信號放大器、精密偏壓源、測量濾波器、集成穩(wěn)壓器、收發(fā)器、電源濾波保護器和外部接口；單片計算機接受從外部接口并通過收發(fā)器發(fā)送來的指令，根據(jù)指令的要求，從溫度信號放大器和壓力信號放大器讀取數(shù)據(jù)、或者進行系統(tǒng)故障檢測，測量的數(shù)據(jù)暫存于單片機內(nèi)部寄存器中，經(jīng)過單片計算機對數(shù)據(jù)進行處理和校正后，通過收發(fā)器發(fā)送到外部接口上；溫度傳感器和壓力傳感器由測量電橋構(gòu)成，其偏置電壓是精密偏壓源提供的，以保障傳感器的測量精度；溫度信號放大器和壓力信號放大器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；測量濾波器將集成穩(wěn)壓器輸出的電源進一步濾波，為測量運算放大器、精密偏壓源和單片計算機的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的直流電源；集成穩(wěn)壓器為單片計算機、測量濾波器提供穩(wěn)定的直流工作電源；收發(fā)器在系統(tǒng)上電后，喚醒電路使收發(fā)器處于待命狀態(tài)，外部接口發(fā)送的指令通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為單片計算機接受的數(shù)字指令，并為單片計算機所執(zhí)行，執(zhí)行的結(jié)果由單片計算機通過收發(fā)器發(fā)送到外部接口；電源濾波保護器防止電源反接，濾除外部干擾信號，為集成穩(wěn)壓器和收發(fā)器提供平穩(wěn)的輸入電源；外部接口為智能傳感器提供能源并完成指令的輸入和數(shù)據(jù)的輸出功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于單片計算機由單片計算機集成電路U2、上拉電阻R3、R4、濾波電容C4、C5、C6、C7和電感L1構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于溫度信號放大器和壓力信號放大器由測量運算放大器U4、U5、濾波電容C8、C11和可變電阻R6、R7構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于測量濾波器由濾波電容C12、C13、C15、R8和電感L3構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于集成穩(wěn)壓器由穩(wěn)壓集成電路U6和濾波電容C10構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于收發(fā)器由集成電路U1、二極管D1、電阻R1、R2和濾波電容C1、C2構(gòu)成；電阻R2和濾波電容C2構(gòu)成一個上電喚醒電路，二極管D1和電阻R1構(gòu)成收發(fā)信號線LIN的負載，濾波電容C1控制通訊過程中的電壓上升沿和下降沿，降低電磁輻射而造成的干擾。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于電源濾波保護器由保護二極管D2、電感L2和濾波電容C9、C14構(gòu)成，電感L2和濾波電容C9、C14組成L型濾波電路，保護二極管D2采用肖特基二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于外部接口由輸入電源線、收發(fā)信號線LIN和地線組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于精密偏壓源由集成電路U3、限流電阻R5和濾波電容C3構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能壓力傳感器，其特征在于所述的測量電橋同時使用溫度測量電橋PT1000和壓力測量電橋P1。
專利摘要智能壓力傳感器，用于車輛液體壓力的測量。外部接口輸入的指令通過收發(fā)器傳送給單片計算機；單片計算機從溫度信號放大器讀取溫度數(shù)據(jù)，從壓力放大器讀取壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)過溫度校正后，將壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到收發(fā)器；收發(fā)器將單片計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部接口上；電源濾波保護器與外部電源連接，實現(xiàn)濾波和電源反接保護；濾波和保護后的電源與集成穩(wěn)壓器和收發(fā)器連接；集成穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的直流電壓為單片計算機提供電源，輸出的電壓經(jīng)測量濾波器進一步濾波后供溫度放大器、壓力放大器和精密偏壓源使用；精密偏壓源為溫度和壓力傳感器提供偏置電壓。該裝置具有測量、數(shù)據(jù)處理和故障檢測功能，數(shù)字方式尋址，在同一個控制結(jié)點中可連接16個傳感器。
文檔編號G01L19/04GK2804830SQ20052008368
公開日2006年8月9日 申請日期2005年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月30日
發(fā)明者陳勝功, 溫讀夫, 彭金明 申請人:彭金明