智能壓力傳感器的研究與開發(fā)論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 /D轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器的溫度和壓力信號(hào)的采集，利用BP網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集信號(hào)的數(shù)據(jù)擬合，利用LED顯示，利用RS485串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及壓力值輸出，完成功能要求。設(shè)計(jì)了壓力傳感器的硬件電路。s MSP430 piler to use C language to achieve the initialization subroutine, temperature and pressure of A/D sampling procedures, BP network signal processing routines, display routines, and RS485 munications subroutines, designed based on MATLAB GUI for serial munication pressure sensor calibration software, in the GUI to achieve signal acquisition of MCU, BP network training and the microcontroller serial munication to achieve online calibration function.The research design of smart pressure sensor system has the characteristics of small size、low cost、reliability、fast response and high degree of intelligence , and the online calibration of BP network in MATLAB is full debugging for the hardware and software is achieved through simulation,and has a good application in the industrial field has been achieved,and in many pressure measurement and control system has broad application prospects.KEY WORDS：Pressure sensor, MSP430 microcontroller, temperature pensation, BP network algorithmIIII畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。”智能傳感器的特征是帶有微處理器，本身具有采集、處理以及交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。其典型結(jié)構(gòu)如圖11所示。可以設(shè)置掉電保護(hù)以防止數(shù)據(jù)的丟失。（8）集中控制的功能。 國(guó)外智能壓力傳感器研究現(xiàn)狀由于歷史條件，國(guó)外的壓力傳感器技術(shù)起步早，發(fā)展早，技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，但是這種優(yōu)勢(shì)應(yīng)經(jīng)相對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)沒有以前那么明顯，但是力敏感元件上的壓力傳感器的研制核心技術(shù)國(guó)外仍然有優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解,在1994年世界傳感器市場(chǎng)總的交易額達(dá)到260億美元,并且在2000年以的前,世界傳感器市場(chǎng)規(guī)模年增幅為7%以上,其中高檔傳感器增幅可達(dá)20%以上,而那些采用微機(jī)械加工技術(shù)（MEMS）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(zhǎng)率可達(dá)25%以上，到2006年交易額突破500億美元。3）補(bǔ)償與修正技術(shù)：針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。 課題研究的內(nèi)容與意義 課題研究的內(nèi)容在一定的溫度和壓力下，要改善傳感器的非線性變化引起的輸出誤差特性這里是將溫度作為非目標(biāo)參量采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中的BP網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)其實(shí)現(xiàn)軟件補(bǔ)償?shù)模纯醋鰳?biāo)定壓力是溫度和所加壓力的二維函數(shù)，這種二維函數(shù)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行映射。該課題為在公司實(shí)習(xí)課題，對(duì)于壓力傳感器的標(biāo)定還沒有用過BP網(wǎng)絡(luò)算法標(biāo)定的情況實(shí)現(xiàn)了用BP網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并且實(shí)現(xiàn)了在線標(biāo)定并應(yīng)用到批量生產(chǎn)的目的。硬件設(shè)計(jì)主要圍繞微處理器即單片機(jī)的選型、A/D轉(zhuǎn)換、接口電路、顯示電路、等作了一定的研究工作，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并介紹了以MATLAB的GUI為核心的標(biāo)定界面。溫度漂移問題的表現(xiàn)即輸出電壓值不是完全的和鎖甲壓力值呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且和溫度呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，即加相同的壓力的條件下，溫度發(fā)生變化電壓輸出值也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)溫度改變時(shí)，當(dāng)傳感元件的阻值增大時(shí)，熱敏電阻的阻值減小，所以實(shí)現(xiàn)電橋的總體總之平衡。插值法優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)采集的數(shù)據(jù)比對(duì)處理速度快，算法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)為如果選擇的插值數(shù)據(jù)多則需要占用很大的存儲(chǔ)空間，若插值基點(diǎn)少則精度不夠。E0，…E5。其應(yīng)用的基本思想是通過訓(xùn)練樣本的輸入與輸出對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)的，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身修正實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)的映射，BP網(wǎng)絡(luò)自身修正是基于最小二乘法實(shí)現(xiàn)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用數(shù)據(jù)的訓(xùn)練是由信息的正向傳播和誤差的反向傳播動(dòng)態(tài)組成的，在正向傳播的輸入模式是從輸入層經(jīng)隱層逐層處理并傳向輸出層，如果輸出層和期望目標(biāo)值進(jìn)行比較沒有得到期望的誤差，則將誤差信號(hào)沿原來的通路返回并修改各層的權(quán)值轉(zhuǎn)為反相傳播，然后在逐次運(yùn)算，直到誤差最小,最終達(dá)到期望的目標(biāo)值。 點(diǎn)擊help可以查看幫助，new data用來創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)，New network可以創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，import表示導(dǎo)入保存過的數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)，Export表示導(dǎo)出或保存一個(gè)數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊view可以查看輸入輸出的數(shù)據(jù)，查看網(wǎng)絡(luò)特征，仿真輸出值等，Delet可以用來刪除數(shù)據(jù)或者一個(gè)創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)Networks only里面initiate可以用來初始化創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，simulate可以用來仿真,train用來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊Adapt可以對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)訓(xùn)練。如圖28為顯示我們創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)。圖212初始化權(quán)值界面 點(diǎn)擊initiate可以隨機(jī)初始化權(quán)值。為了更好的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的調(diào)整，加快收斂速度，需要對(duì)原來測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，壓力傳感器歸一化處理[26,27]的方法是采用如式213，214： （213） （214）上式中：，為第m個(gè)樣本U的標(biāo)定值和歸一化值，為給定溫度下傳感器輸出的最大值和最小值，為第m個(gè)樣本P的標(biāo)定值和歸一化值，為被測(cè)壓力的最大值、最小值。記過BP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合之后，加相同的壓力，在不同的溫度下，其輸出值仍然是穩(wěn)定的，可以說實(shí)現(xiàn)了很好的擬合效果，消除了溫度漂移，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的輸出值，BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸出值主要還是根據(jù)傳感器的性能決定的，不過BP網(wǎng)絡(luò)擬合比其他算法得出結(jié)果相對(duì)較高一些，但是需要大量的計(jì)算。按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)處理，完成數(shù)據(jù)歸一化處理，5*4*1的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，反歸一化處理，最后將歸一化之后的數(shù)值擴(kuò)大10000倍取整輸出，下面給出輸其C語言的相關(guān)程序，在tuber C中實(shí)現(xiàn)的。m,amp。 }for(i=0。}ppp=temp+b3。模擬退火算法是一種通過采用隨機(jī)模擬物體退火過程來實(shí)現(xiàn)問題的求解，在控制參數(shù)（溫度）的作用下，對(duì)參數(shù)的值進(jìn)行調(diào)整，直到所選取的參數(shù)值最終使能量函數(shù)達(dá)到全局最小值，模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過程避免陷入局部最優(yōu)解，對(duì)遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)起到輔助作用[31～36]。也就是在控制參數(shù)(溫度)的作用下，對(duì)參數(shù)的值進(jìn)行調(diào)整，直到所選取的參數(shù)值最終使能量函數(shù)達(dá)到全局極小值。 遺傳模擬退火B(yǎng)P網(wǎng)絡(luò)算法（SABP） 遺傳模擬退火B(yǎng)P網(wǎng)絡(luò)算法[18,19]是將遺傳算法，模擬退火算法與BP網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合的一種優(yōu)化算法。在這里將BP網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)函數(shù)，用遺傳模擬退火算法來優(yōu)化連接權(quán)和閾值，可解決這個(gè)問題。為了驗(yàn)證算法的有效性，這里是利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)模渲袎毫鞲衅鬟x擇的寶雞麥克公司的MPM280傳感器，該傳感器有很高的輸出精度；為了抑制溫度漂移及減小補(bǔ)償前數(shù)據(jù)損失，選擇了高性能的MSP430單片機(jī)。判斷是否達(dá)到最大遺傳代數(shù)，如果沒有則繼續(xù)進(jìn)行遺傳模擬退火。6）判斷是否滿足小于迭代次數(shù)，如果否繼續(xù)遺傳操作，如果是則獲取最優(yōu)BP網(wǎng)絡(luò)權(quán)值與閾值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值的整體分布包含著BP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全部知識(shí)，以前權(quán)值和閾值獲取方法都是采用某個(gè)確定的變化規(guī)則，在對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中逐步調(diào)整，得到一個(gè)較好的權(quán)值分布和閾值，BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程正是如此。5）計(jì)算= E(t+1)E(t)，若0，則接受權(quán)值W(t+1)的修改 ；否則說明≥0，計(jì)算當(dāng)前溫度下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率P() = exp(/T(t))，然后通過隨即函數(shù)程序隨機(jī)性生成0～1之間的隨機(jī)數(shù)t()，若P()≥t()，則接受W(t +1)，算法轉(zhuǎn)入步驟（6）；否則，就不接受W(t +1)，就返回步驟（3），重新計(jì)算W(t+1)。3）染色體適應(yīng)度函數(shù)：將染色體基因串還原為BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的權(quán)值與閾值，將權(quán)值與閾值賦給BP網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)的BP網(wǎng)絡(luò)輸出為下式表示：將期望輸出值與BP網(wǎng)絡(luò)輸出值進(jìn)行比較，定義染色體是適應(yīng)度值為f=1/mse其基本公式如式216，217為： （216） （217）4)染色體復(fù)制，交叉，變異：染色體以輪盤賭方式進(jìn)行復(fù)制，采用多點(diǎn)方式交叉，采用以自適應(yīng)方式進(jìn)行變異。但這種算法存在收斂速度慢，容易陷入局部極小值的缺點(diǎn)，為解決此問題引入了遺傳算法。i4。i++) { y[i]=w1[i][0]*t[0]+w1[i][1]*t[1]+b1[i]。printf(input t and p \n)。它是一個(gè)矩陣形式的輸出，如果我們輸入21矩陣X0，我們就可以得到一個(gè)輸出y值。查看權(quán)值與閾值如下圖217所示，其中iw{1,1},lw{2,1} lw{3,1}分別表示輸入層與第一隱含層，第一隱含層與第二隱含層，第二隱含層與輸出層之間的權(quán)值，b{1},b{2},b{3}分別表示各層之間的閾值，他們之間用相應(yīng)行列的數(shù)組表示。將壓力傳感器連接好置于壓力傳感器測(cè)試溫箱內(nèi)，將壓力傳感器反映溫度和壓力信號(hào)的四根導(dǎo)線連接到壓力傳感器信號(hào)控制電路板上，電路板上通訊接口與主機(jī)相連，MSP430下載線一端與單片機(jī)JTAG相連，另一端與主機(jī)相連。Time表示訓(xùn)練時(shí)候的時(shí)間設(shè)置，如果訓(xùn)練時(shí)間超過這個(gè)數(shù)值，那么就停止訓(xùn)練。圖25 創(chuàng)建數(shù)據(jù)界面Fig25 Create a data interface3）BP網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GUI主界面中，點(diǎn)擊New Network 進(jìn)入創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具欄，如圖26所示，在這里我們可以在Network Name更改神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的名稱，在Network Type選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的類型，一般我們選擇BP網(wǎng)絡(luò)，如圖27，在input ranges選擇輸入的數(shù)據(jù)取值范圍，在training function中選擇訓(xùn)練函數(shù)，一般選擇TRAINLM，在Adaption learning function選擇自適應(yīng)學(xué)習(xí)函數(shù)，一般選擇默認(rèn)值TRAINGDM，表示帶附加動(dòng)量因子，performance function 選擇網(wǎng)絡(luò)特性函數(shù)，一般選擇默認(rèn)值MSE，表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算誤差為均方差，在number of layer 中選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，一般默認(rèn)為2，我們改為3按enter鍵表示輸入，然后我們可以更改properities for 選項(xiàng)可以為每一層神經(jīng)元更改屬性，在Number of neurons 選擇改層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)，在TRANSFER FUNCTION 選擇該層神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)。1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱打開在MATLAB的主界面上輸入nntool，按enter鍵或者在左下角start上找toolboxs找到nntool打開即進(jìn)入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真主界面，主界面如圖24所示。通過標(biāo)定壓力實(shí)現(xiàn)不同溫度點(diǎn)下壓力和溫度信號(hào)獲取完成BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本采集，利用BP網(wǎng)絡(luò)可以通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)完成權(quán)值與閾值的修正，使其輸出值無限接近于真實(shí)輸出值，利用BP網(wǎng)絡(luò)的泛化能力實(shí)現(xiàn)整個(gè)量程內(nèi)近似線性輸出。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法隨著人工智能的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[20～23]作為一門新興的學(xué)科得到了長(zhǎng)足發(fā)展。C0，…C5。在壓力傳感器數(shù)據(jù)擬合即是在多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)下的線性差值，它是首先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中，在應(yīng)用中首先將數(shù)據(jù)與所采集參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，判斷其落入到何區(qū)域，然后根據(jù)其所在的區(qū)域找出其溫度點(diǎn)下的直線方程，按照線性函數(shù)對(duì)應(yīng)找出標(biāo)定結(jié)果。硬件電路的補(bǔ)償方法主要是在惠斯登電橋上改善壓力傳感器的特性，其中的一個(gè)常用的例子就是在橋壁上并聯(lián)或者串聯(lián)電阻的方式來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。擴(kuò)散硅壓力傳感器具有滯后和蠕變小﹑靈敏度高﹑量程適應(yīng)度廣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用潛力很大。設(shè)計(jì)了以MSP430單片機(jī)為核心的硬件電路。所以改善壓力傳感器的產(chǎn)品具有一定的商業(yè)意義，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也有一定的貢獻(xiàn)。利用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的壓力傳感器是今后的發(fā)展方向之一。為了提高壓力傳感器的技術(shù)性能參數(shù)，可以通過以下幾個(gè)方面：1）差動(dòng)技術(shù)：利用差動(dòng)技術(shù)可以消除共模誤差，減小非線性誤差。該傳感器為超低功耗傳感器，采用集成電路進(jìn)行內(nèi)置放大與信號(hào)調(diào)理，可以更快地讀取更精確的壓力讀數(shù)。如西安中星測(cè)控有限公司推出的PT600系列智能型壓力傳感器，成都先達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的PS1016系列智能壓力傳感器，上海托克智能儀表有限公司生產(chǎn)的DH4智能數(shù)顯電流電壓表，蘇州敏芯推出MEMS壓力傳感器芯片，它們的特征是有相對(duì)較高的精度，寬溫度范圍下使用，寬量程等。（6）設(shè)