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基于 MC8051 的压力传感器改进型校准算法

作时间:2019-03-09  来源:  作者:
   

摘 要: 以一种压力传感器为例,介绍了一种改进型压力校准算法。针对高温会对传感器影响较大的特性,同时考虑算法复杂度以及处理器的运算等问题,在高温区采用最小二乘拟合加三次样条插值法,在低常温区则用最小二乘拟合加牛顿差值算法构造温度补偿模型。所有数据运算处理采用 MC8051 处理器处理。实验结果表明: 改进算法模型能很好消除温漂,校准误差在 0. 119 % 以内,满足实际需求。

 
         软件补偿是将微处理器和压力传感器结合,通过收集压力传感器的相关数据导入处理器,利用微处理器的处理能力,通过存储于处理器中的补偿算法对数据进行校准处理,将校准后的结果输出。不管采用何种软件补偿方法,其硬件系统的架构是相似的,不同的地方在于算法[13]。硬件系统架构采用自主流片的 MC8051 核作为中央微处理器,考虑由于 ROMIP 价格过于昂贵,故采用外接 64 kB片外 ROM,校准算法直接通过编程器烧入 ROM,整体架构如图 2 所示。通过在 ROM 中设定温度阈值,根据压力传感器的当前温度选择相应的补偿算法模型。
压力传感器硬件系统结构
         根据多项式拟合最小二乘法原理,可以得到不同温度T 下的 pn = fn ( u) ,曲线拟合函数通过在 MATLAB 中编程实现。根据标定的数据点在图 2 的分布可以看出压力和传感器输出电压呈线性关系。
不同温度下传感器输出特性
         由标定的数据根据上述牛顿差值和三次样条差值原理可求得各项系数,最终得到 p,T,u 三者之间的函数关系表达式,即建立了补偿算法模型。对建立的温度补偿算法模型进行验证,低常温段选定3 个温度点 5,10,20 ℃ 进行测试,高温段选定 35,45,55 ℃
进行测试。收集输出电压代入补偿算法模型做温度补偿,得到补偿结果。最终两温段校准结果如表 1 所示。
两温段补偿校准结果
         对比标准压强和经过补偿算法校准后的压强可以发现,低常温段测试结果的最大误差为 0. 048 5 kPa,相对于传感器满量程的综合误差为
20190309105501.jpg
         高温段的测试结果最大误差为 0. 009 5 kPa,相对于传感器满量程的综合误差为
20190309105504.jpg
3、结论
 
         根据一种实际压力传感器,基于最小二乘法拟合和牛顿差值以及三次样条插值算法,设计了一种有效消除温漂的校准算法,尤其适用于经常需要在相差较大的温度下工作的压力传感器校准,校准误差在 0. 119 % 以内,且充分考虑了成本,硬件计算能力以及运行速度等问题,具有一定的实际工程应用价值。
 
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