無線壓力傳感器及壓力數據采集方法
【專利摘要】本發明公開了一種無線壓力傳感器及壓力數據采集方法，該無線壓力傳感器包括一壓力探測器、一校準芯片、一MCU和一無線收發裝置，該壓力探測器用于檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將產生的壓力數據轉換為電信號；該校準芯片用于將該電信號轉換為數字信號；該無線收發裝置用于接收來自一基站的壓力數據采集指令以及將該數字信號發送至該基站；該MCU用于解析該壓力數據采集指令以啟用該壓力探測器。本發明的無線壓力傳感器相效率高、實時性好、低成本、同時安裝方便、可維護性好且易于實現網絡化管理。
【專利說明】無線壓力傳感器及壓力數據采集方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線壓力傳感器及壓力數據采集方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國工業、農業和技術科學技術的不斷發展尤其是通訊技術，計算機技術和傳感器技術的發展，特別是在壓力傳感器在信息【技術領域】內的廣泛應用，也對壓力傳感器技術性能和指標提出了更高的要求。從壓力傳感器和其他測量設備等模擬和數字測量單元中采集到的非電量或者電量信號怎么傳送到上位機中進行數據分析和處理成為了一個難題。傳統的有線傳輸方式的優點在于傳輸的質量比較可靠，實時行好，但是數據采集而架設的有限網絡的一次性投資較大，而且遇到一些環境，地形復雜的地方很難架設線路。使有線傳輸的系統建設難度大，周期長，造價高，運行成本高，易受到破壞。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中有線傳輸系統建設難度大、周期長、造價高、運行成本高且易受到破壞的缺陷，提供一種效率高、實時性好、低成本、同時安裝方便、可維護性好且易于實現網絡化管理的無線壓力傳感器及壓力數據采集方法。
[0004]本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:
[0005]一種無線壓力傳感器，其特點在于，其包括一壓力探測器、一校準芯片、一 MCU (微控制單元)和一無線收發裝置，其中，
[0006]該壓力探測器用于檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將產生的壓力數據轉換為電信號；
[0007]該校準芯片用于將該電信號轉換為數字信號；
[0008]該無線收發裝置用于接收來自一基站的壓力數據采集指令以及將該數字信號發送至該基站；
[0009]該MCU用于解析該壓力數據采集指令以啟用該壓力探測器。
[0010]優選地,該壓力探測器包括一擴散娃芯體，該擴散娃芯體包括一外殼、一擴散娃壓力敏感芯片、膜片和位于該擴散娃壓力敏感芯片與該膜片之間的娃油，該外殼具有一開口，該擴散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴散硅壓力敏感芯片上并且位于該開口處，該擴散硅壓力敏感芯片通過該硅油檢測到作用于該膜片上的外力。
[0011]優選地，該校準芯片包括差分放大器、A/D (模擬/數字)轉換器、DSP (DigitalSignal Processing，數字信號處理)、EEPR0M (電可擦可編程只讀存儲器)和模擬電橋開關。
[0012]優選地，該校準芯片通過I2C總線(由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線)與該MCU相連，和/或，該無線收發裝置通過SPI (串行外設接口)與該MCU相連。
[0013]優選地，該MCU為msp430芯片(MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI) 1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器)。
[0014]優選地，該無線收發裝置為nRF905芯片(nRF905單片無線收發器是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片)。
[0015]本發明還提供一種壓力數據采集方法，其特點在于，其采用如上所述的無線壓力傳感器實現，該壓力數據采集方法包括以下步驟:
[0016]步驟S1、該基站發送該壓力數據采集指令至該無線壓力傳感器；
[0017]步驟S2、該MCU解析該壓力數據采集指令；
[0018]步驟S3、該壓力探測器檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將該外力產生的壓力數據轉換為電信號；
[0019]步驟S4、該校準芯片將該電信號轉換為數字信號；
[0020]步驟S5、該無線收發裝置將該數字信號發送至該基站。
[0021]在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。
[0022]本發明的積極進步效果在于:本發明的無線壓力傳感器相效率高、實時性好、低成本、同時安裝方便、可維護性好且易于實現網絡化管理。本無線低功耗壓力傳感器采用低功耗高精度的數據采集校準芯片和高精度擴散硅芯體、低功耗MCU和基站(具有強大處理能力的ARM (ARM是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件)中心處理器)，以及成熟穩定的無線傳輸模塊組成，具有精度高，轉換速度快，能夠對多點壓力數據采集和數據傳輸及易于集中數據管理和分析。同時使用專用芯片，保證了對數據采集的穩定性，高精度及低功耗。這就使得以單片機為核心的數據采集得到了廣泛的應用。同時還有維護簡單，安裝方便，價格便宜等優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明一實施例的無線壓力傳感器的結構框圖。
[0024]圖2為本發明一實施例的壓力數據采集方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0025]下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。
[0026]參考圖1和圖2，本發明所述的無線壓力傳感器1，包括一壓力探測器11、一校準芯片12、一 MCU13和一無線收發裝置14，其中，
[0027]該壓力探測器11用于檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將產生的壓力數據轉換為電信號；
[0028]該校準芯片12用于將該電信號轉換為數字信號；
[0029]該無線收發裝置14用于接收來自一基站的壓力數據采集指令以及將該數字信號發送至該基站；
[0030]該MCU13用于解析該壓力數據采集指令以啟用該壓力探測器11。
[0031]具體來說，該壓力探測器11包括一擴散娃芯體，該擴散娃芯體包括一外殼、一擴散硅壓力敏感芯片、膜片和位于該擴散硅壓力敏感芯片與該膜片之間的硅油，該外殼具有一開口，該擴散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴散硅壓力敏感芯片上并且位于該開口處，該擴散硅壓力敏感芯片通過該硅油檢測到作用于該膜片上的外力。[0032]其中，該校準芯片12包括差分放大器、A/D轉換器、DSP、EEPROM和模擬電橋開關。
[0033]并且，該校準芯片12通過I2C總線與該MCU13相連，該無線收發裝置14通過SPI與該MCU13相連。
[0034]較為常用的，該MCU13為msp430芯片。且該無線收發裝置14為nRF905芯片。
[0035]參考圖2，本發明所述的壓力數據采集方法，采用如圖1所示的無線壓力傳感器I實現，該壓力數據采集方法包括以下步驟:
[0036]步驟S1、該基站發送該壓力數據采集指令至該無線壓力傳感器；
[0037]步驟S2、該MCU解析該壓力數據采集指令；
[0038]步驟S3、該壓力探測器檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將該外力產生的壓力數據轉換為電信號；
[0039]步驟S4、該校準芯片將該電信號轉換為數字信號；
[0040]步驟S5、該無線收發裝置將該數字信號發送至該基站。
[0041]下面，舉一個應用實例，結合安裝、使用角度，再次闡述本發明的無線壓力傳感器及壓力數據采集方法。
[0042]本發明所述的無線壓力傳感器包括擴散硅芯體、(擴散硅芯體是由膜片、不銹鋼外殼、硅片、引線和硅油構成的)校準芯片、MCU、和無線收發模塊(nRF905)，在使用中，該壓力傳感器與一基站(ARM核心的STM32芯片)通信。擴散硅芯體安裝在快速專用的快速接頭內，用擋圈和孔用彈性擋圈把擴散硅芯體固定好，電路支架安放在孔用彈性擋圈上，擴散硅芯體的輸出被接入校準芯片，校準芯片使用I2C總線與低功耗MCU相連，無線收發模塊通過SPI與低功耗MCU相連，基站通過SPI與無線收發模塊相連。
[0043]擴散娃芯體為擴散娃壓力敏感芯片(以下簡稱敏感芯片)封裝到316L (316L是一種不銹鋼材料牌號)不銹鋼外殼中得到，外加壓力通過不銹鋼膜片、內部密封的硅油傳遞到敏感芯片上，敏感芯片不直接接觸被測介質，形成壓力測量的全固態結構，因此可以應用于各種場合，包括惡劣的腐蝕性介質環境。校準芯片上集成了差分放大器，高精度A/D轉換器，高速數據處理器DSP，EEPROM以及模擬電橋開關。可以把壓力量化成對應的數字信號，而且在待機模式電流消耗為2 μ A以下。低功耗MCU采用的是msp430系列，具有極低的功耗，STM32(STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的內核)采用的是ARM內核，具有速度快、數據處理能力強且價格便宜的優點。無線收發裝置采用單片射頻收發器nRF905，nRF905是挪威Nordic VLSI公司的產品，工作電壓為1.9?3.6V,32引腳QFN (方形扁平無引腳封裝)封裝(5 X 5mm)，工作于433MHz (工業、科學和醫學)頻道。nRF905適用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測、家庭自動化和玩具等諸多領域。nRF905是一塊集成度較高的無線數據收發芯片，片內包含電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，可實現自動處理字頭、CRC循環冗余碼校驗和曼徹斯特編碼/解碼等功能，使用非常方便。該無線壓力傳感器，就是采用當前比較好的擴散硅芯體作為感知壓力器件，它是通過壓阻效應的原理，把壓力轉化成可以測量的直流電信號。校準芯片在輸出模式輸出當前對應的壓力的數字信號。這種模塊式的結構，減少了外圍元件，提高了數據采集的穩定性。低功耗MCU讀取的數字信號，通過無線收發模塊把數據發送出去。在接收基站，基站的無線收發模塊接收來自無線壓力傳感器傳回的壓力值，轉發到一 PC (個人計算機)機。PC機可以根據這些壓力數據，對其他設備進行調整，同時顯示這些壓力值在PC機上。同時可以對數據進行分析和處理，在對其他設備進行
調整等。
[0044]該無線低功耗壓力傳感器的工作原理如下:
[0045]當有壓力作用與擴散硅芯體上的膜片時，膜片發生形變，擠壓擴散硅芯體里的硅油，由于娃油不能被壓縮，以同樣的壓力施加在擴散娃的敏感芯片上，擴散娃制成的電橋發生不平衡，在橫流源的激勵下，輸出mV級的差分電信號，此電信號進入專用芯片里的高精度AD (模數)轉換成數字信號，在經過專用芯片的DSP數據處理和變換輸出對應的數字信號。基站的通過掃描的方式，與每過壓力傳感器進行通訊。首先基站發出采集命令信號，采集命令經過數據收發模塊調制到433MHz電磁波，無線低功耗傳感器的數據收發模塊把無線電波解調出來得到數字信號，然后單片機執行相應的采集命令。讀取I2C的壓力數字信號，把數字信號傳發送到數據發送模塊調制發送，基站接收無線電波解調讀取數據，上傳到PC如此循環，就會把數據不斷采集到上位機，進行數據存儲和分析。
[0046]雖然以上描述了本發明的【具體實施方式】，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種無線壓力傳感器，其特征在于，其包括一壓力探測器、一校準芯片、一 MCU和一無線收發裝置，其中， 該壓力探測器用于檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將產生的壓力數據轉換為電信號； 該校準芯片用于將該電信號轉換為數字信號； 該無線收發裝置用于接收來自一基站的壓力數據采集指令以及將該數字信號發送至該基站; 該MCU用于解析該壓力數據采集指令以啟用該壓力探測器。
2.如權利要求1所述的無線壓力傳感器，其特征在于，該壓力探測器包括一擴散硅芯體，該擴散硅芯體包括一外殼、一擴散硅壓力敏感芯片、膜片和位于該擴散硅壓力敏感芯片與該膜片之間的硅油，該外殼具有一開口，該擴散硅壓力敏感芯片封裝于該外殼中，該膜片包覆于該擴散硅壓力敏感芯片上并且位于該開口處，該擴散硅壓力敏感芯片通過該硅油檢測到作用于該膜片上的外力。
3.如權利要求1或2所述的無線壓力傳感器，其特征在于，該校準芯片包括差分放大器、A/D轉換器、DSP、EEPROM和模擬電橋開關。
4.如權利要求1或2所述的無線壓力傳感器，其特征在于，該校準芯片通過I2C總線與該MCU相連，和/或，該無線收發裝置通過SPI與該MCU相連。
5.如權利要求1或2所述的無線壓力傳感器，其特征在于，該MCU為msp430芯片。
6.如權利要求1或2所述的無線壓力傳感器，其特征在于，該無線收發裝置為nRF905-H-* I I心/T O
7.一種壓力數據采集方法，其特征在于，其采用如權利要求1-6中任意一項所述的無線壓力傳感器實現，該壓力數據采集方法包括以下步驟: 步驟S1、該基站發送該壓力數據采集指令至該無線壓力傳感器； 步驟S2、該MCU解析該壓力數據采集指令； 步驟S3、該壓力探測器檢測外力對該無線壓力傳感器的作用并將該外力產生的壓力數據轉換為電信號； 步驟S4、該校準芯片將該電信號轉換為數字信號； 步驟S5、該無線收發裝置將該數字信號發送至該基站。
【文檔編號】G01L9/06GK103837270SQ201210484178
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月23日 優先權日:2012年11月23日
【發明者】李鳳奎, 伍正輝, 劉榮彬, 陳明 申請人:上海朝輝壓力儀器有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
