CN103837270A - 无线压力传感器及压力数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线压力传感器及压力数据采集方法，该无线压力传感器包括一压力探测器、一校准芯片、一MCU和一无线收发装置，该压力探测器用于检测外力对该无线压力传感器的作用并将产生的压力数据转换为电信号；该校准芯片用于将该电信号转换为数字信号；该无线收发装置用于接收来自一基站的压力数据采集指令以及将该数字信号发送至该基站；该MCU用于解析该压力数据采集指令以启用该压力探测器。本发明的无线压力传感器相效率高、实时性好、低成本、同时安装方便、可维护性好且易于实现网络化管理。

Description

无线压力传感器及压力数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种无线压力传感器及压力数据采集方法。

背景技术

近年来，随着我国工业、农业和技术科学技术的不断发展尤其是通讯技术，计算机技术和传感器技术的发展，特别是在压力传感器在信息技术领域内的广泛应用，也对压力传感器技术性能和指标提出了更高的要求。从压力传感器和其他测量设备等模拟和数字测量单元中采集到的非电量或者电量信号怎么传送到上位机中进行数据分析和处理成为了一个难题。传统的有线传输方式的优点在于传输的质量比较可靠，实时行好，但是数据采集而架设的有限网络的一次性投资较大，而且遇到一些环境，地形复杂的地方很难架设线路。使有线传输的系统建设难度大，周期长，造价高，运行成本高，易受到破坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中有线传输系统建设难度大、周期长、造价高、运行成本高且易受到破坏的缺陷，提供一种效率高、实时性好、低成本、同时安装方便、可维护性好且易于实现网络化管理的无线压力传感器及压力数据采集方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种无线压力传感器，其特点在于，其包括一压力探测器、一校准芯片、一MCU（微控制单元）和一无线收发装置，其中，

该压力探测器用于检测外力对该无线压力传感器的作用并将产生的压力数据转换为电信号；

该校准芯片用于将该电信号转换为数字信号；

该无线收发装置用于接收来自一基站的压力数据采集指令以及将该数字信号发送至该基站；

该MCU用于解析该压力数据采集指令以启用该压力探测器。

优选地，该压力探测器包括一扩散硅芯体，该扩散硅芯体包括一外壳、一扩散硅压力敏感芯片、膜片和位于该扩散硅压力敏感芯片与该膜片之间的硅油，该外壳具有一开口，该扩散硅压力敏感芯片封装于该外壳中，该膜片包覆于该扩散硅压力敏感芯片上并且位于该开口处，该扩散硅压力敏感芯片通过该硅油检测到作用于该膜片上的外力。

优选地，该校准芯片包括差分放大器、A/D（模拟/数字）转换器、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）、EEPROM（电可擦可编程只读存储器）和模拟电桥开关。

优选地，该校准芯片通过I²C总线（由PHILIPS公司开发的两线式串行总线）与该MCU相连，和/或，该无线收发装置通过SPI（串行外设接口）与该MCU相连。

优选地，该MCU为msp430芯片（MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器）。

优选地，该无线收发装置为nRF905芯片（nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片）。

本发明还提供一种压力数据采集方法，其特点在于，其采用如上所述的无线压力传感器实现，该压力数据采集方法包括以下步骤：

步骤S₁、该基站发送该压力数据采集指令至该无线压力传感器；

步骤S₂、该MCU解析该压力数据采集指令；

步骤S₃、该压力探测器检测外力对该无线压力传感器的作用并将该外力产生的压力数据转换为电信号；

步骤S₄、该校准芯片将该电信号转换为数字信号；

步骤S₅、该无线收发装置将该数字信号发送至该基站。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明的无线压力传感器相效率高、实时性好、低成本、同时安装方便、可维护性好且易于实现网络化管理。本无线低功耗压力传感器采用低功耗高精度的数据采集校准芯片和高精度扩散硅芯体、低功耗MCU和基站（具有强大处理能力的ARM（ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件）中心处理器），以及成熟稳定的无线传输模块组成，具有精度高，转换速度快，能够对多点压力数据采集和数据传输及易于集中数据管理和分析。同时使用专用芯片，保证了对数据采集的稳定性，高精度及低功耗。这就使得以单片机为核心的数据采集得到了广泛的应用。同时还有维护简单，安装方便，价格便宜等优势。

附图说明

图1为本发明一实施例的无线压力传感器的结构框图。

图2为本发明一实施例的压力数据采集方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参考图1和图2，本发明所述的无线压力传感器1，包括一压力探测器11、一校准芯片12、一MCU13和一无线收发装置14，其中，

该压力探测器11用于检测外力对该无线压力传感器的作用并将产生的压力数据转换为电信号；

该校准芯片12用于将该电信号转换为数字信号；

该无线收发装置14用于接收来自一基站的压力数据采集指令以及将该数字信号发送至该基站；

该MCU13用于解析该压力数据采集指令以启用该压力探测器11。

具体来说，该压力探测器11包括一扩散硅芯体，该扩散硅芯体包括一外壳、一扩散硅压力敏感芯片、膜片和位于该扩散硅压力敏感芯片与该膜片之间的硅油，该外壳具有一开口，该扩散硅压力敏感芯片封装于该外壳中，该膜片包覆于该扩散硅压力敏感芯片上并且位于该开口处，该扩散硅压力敏感芯片通过该硅油检测到作用于该膜片上的外力。

其中，该校准芯片12包括差分放大器、A/D转换器、DSP、EEPROM和模拟电桥开关。

并且，该校准芯片12通过I²C总线与该MCU13相连，该无线收发装置14通过SPI与该MCU13相连。

较为常用的，该MCU13为msp430芯片。且该无线收发装置14为nRF905芯片。

参考图2，本发明所述的压力数据采集方法，采用如图1所示的无线压力传感器1实现，该压力数据采集方法包括以下步骤：

步骤S₁、该基站发送该压力数据采集指令至该无线压力传感器；

步骤S₂、该MCU解析该压力数据采集指令；

步骤S₃、该压力探测器检测外力对该无线压力传感器的作用并将该外力产生的压力数据转换为电信号；

步骤S₄、该校准芯片将该电信号转换为数字信号；

步骤S₅、该无线收发装置将该数字信号发送至该基站。

下面，举一个应用实例，结合安装、使用角度，再次阐述本发明的无线压力传感器及压力数据采集方法。

本发明所述的无线压力传感器包括扩散硅芯体、（扩散硅芯体是由膜片、不锈钢外壳、硅片、引线和硅油构成的）校准芯片、MCU、和无线收发模块（nRF905），在使用中，该压力传感器与一基站（ARM核心的STM32芯片）通信。扩散硅芯体安装在快速专用的快速接头内，用挡圈和孔用弹性挡圈把扩散硅芯体固定好，电路支架安放在孔用弹性挡圈上，扩散硅芯体的输出被接入校准芯片，校准芯片使用I²C总线与低功耗MCU相连，无线收发模块通过SPI与低功耗MCU相连，基站通过SPI与无线收发模块相连。

扩散硅芯体为扩散硅压力敏感芯片（以下简称敏感芯片）封装到316L（316L是一种不锈钢材料牌号）不锈钢外壳中得到，外加压力通过不锈钢膜片、内部密封的硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触被测介质，形成压力测量的全固态结构，因此可以应用于各种场合，包括恶劣的腐蚀性介质环境。校准芯片上集成了差分放大器，高精度A/D转换器，高速数据处理器DSP，EEPROM以及模拟电桥开关。可以把压力量化成对应的数字信号，而且在待机模式电流消耗为2μA以下。低功耗MCU采用的是msp430系列，具有极低的功耗，STM32（STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的内核）采用的是ARM内核，具有速度快、数据处理能力强且价格便宜的优点。无线收发装置采用单片射频收发器nRF905，nRF905是挪威Nordic VLSI公司的产品，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN（方形扁平无引脚封装）封装(5×5mm)，工作于433MHz(工业、科学和医学)频道。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。nRF905是一块集成度较高的无线数据收发芯片，片内包含电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，可实现自动处理字头、CRC循环冗余码校验和曼彻斯特编码/解码等功能，使用非常方便。该无线压力传感器，就是采用当前比较好的扩散硅芯体作为感知压力器件，它是通过压阻效应的原理，把压力转化成可以测量的直流电信号。校准芯片在输出模式输出当前对应的压力的数字信号。这种模块式的结构，减少了外围元件，提高了数据采集的稳定性。低功耗MCU读取的数字信号，通过无线收发模块把数据发送出去。在接收基站，基站的无线收发模块接收来自无线压力传感器传回的压力值，转发到一PC（个人计算机）机。PC机可以根据这些压力数据，对其他设备进行调整，同时显示这些压力值在PC机上。同时可以对数据进行分析和处理，在对其他设备进行调整等。

该无线低功耗压力传感器的工作原理如下：

当有压力作用与扩散硅芯体上的膜片时，膜片发生形变，挤压扩散硅芯体里的硅油，由于硅油不能被压缩，以同样的压力施加在扩散硅的敏感芯片上，扩散硅制成的电桥发生不平衡，在横流源的激励下，输出mV级的差分电信号，此电信号进入专用芯片里的高精度AD（模数）转换成数字信号，在经过专用芯片的DSP数据处理和变换输出对应的数字信号。基站的通过扫描的方式，与每过压力传感器进行通讯。首先基站发出采集命令信号，采集命令经过数据收发模块调制到433MHz电磁波，无线低功耗传感器的数据收发模块把无线电波解调出来得到数字信号，然后单片机执行相应的采集命令。读取I²C的压力数字信号，把数字信号传发送到数据发送模块调制发送，基站接收无线电波解调读取数据，上传到PC如此循环，就会把数据不断采集到上位机，进行数据存储和分析。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无线压力传感器，其特征在于，其包括一压力探测器、一校准芯片、一MCU和一无线收发装置，其中，

该压力探测器用于检测外力对该无线压力传感器的作用并将产生的压力数据转换为电信号；

该校准芯片用于将该电信号转换为数字信号；

该无线收发装置用于接收来自一基站的压力数据采集指令以及将该数字信号发送至该基站；

该MCU用于解析该压力数据采集指令以启用该压力探测器。

2.如权利要求1所述的无线压力传感器，其特征在于，该压力探测器包括一扩散硅芯体，该扩散硅芯体包括一外壳、一扩散硅压力敏感芯片、膜片和位于该扩散硅压力敏感芯片与该膜片之间的硅油，该外壳具有一开口，该扩散硅压力敏感芯片封装于该外壳中，该膜片包覆于该扩散硅压力敏感芯片上并且位于该开口处，该扩散硅压力敏感芯片通过该硅油检测到作用于该膜片上的外力。

3.如权利要求1或2所述的无线压力传感器，其特征在于，该校准芯片包括差分放大器、A/D转换器、DSP、EEPROM和模拟电桥开关。

4.如权利要求1或2所述的无线压力传感器，其特征在于，该校准芯片通过I²C总线与该MCU相连，和/或，该无线收发装置通过SPI与该MCU相连。

5.如权利要求1或2所述的无线压力传感器，其特征在于，该MCU为msp430芯片。

6.如权利要求1或2所述的无线压力传感器，其特征在于，该无线收发装置为nRF905芯片。

7.一种压力数据采集方法，其特征在于，其采用如权利要求1-6中任意一项所述的无线压力传感器实现，该压力数据采集方法包括以下步骤：

步骤S₁、该基站发送该压力数据采集指令至该无线压力传感器；

步骤S₂、该MCU解析该压力数据采集指令；

步骤S₃、该压力探测器检测外力对该无线压力传感器的作用并将该外力产生的压力数据转换为电信号；

步骤S₄、该校准芯片将该电信号转换为数字信号；

步骤S₅、该无线收发装置将该数字信号发送至该基站。

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