一种智能静电驱动电容压力传感器的设计与研究

摘要

本论文主要对压力传感器的测量结构和软、硬件设计展开研究，在参考前人的经典设计和理论的基础上，参考多种力测量方式，制定了电容测量方案，设计了一种基于MEMS技术的差分式结构的电容压力传感器，对传感器测量结构进行了建模，研究了吸合电压算法和数据拟合算法，并根据系统需求设计了外围硬件电路和软件系统。　　智能静电驱动电容压力传感器由硬件电路模块和软件系统构成。硬件电路模块由电源模块、电容压力测量结构、电容测量模块、主控制器模块、数据传输模块、数模转换模块、程序下载模块、串口调试模组成。软件系统由嵌入式程序和上位机软件构成，其中嵌入式程序在MDK5和keiluVision4编程环境中编写，在STM32主控制器中写入电容压力转换算法和DAC转换算法，将PS021电容测量芯片测得的电容数据处理且输出静电驱动电压信号，在USB芯片中写入数据传输程序，输出测量数据；上位机软件使用C++编写的USB驱动供LabVIEW调用，由LabVIEW编写应用界面，实现数据显示及存储功能。在设计完成后，使用智能高精度天秤对智能静电驱动电容压力传感器做标定试验，分析传感器的输入-输出特性曲线。根据最小二乘法原理，使用MATLAB编写拟合算法，计算出拟合多项式，并绘制出拟合误差曲线。将拟合参数输入到STM32主控制器中，重新测得输出数据，通过准确度实验分析了传感器的各项性能指标，确定了性能指标达到设计要求。同时，本文也分析了造成系统误差的原因，并提出解决方案，并根据传感器的实际应用及测试情况，明确了下一步工作的方向。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.3课题主要研究内容

2 智能静电驱动电容压力传感器的方案选型与设计

2.1系统整体设计需求

2.2.1 主控制器芯片选型

2.2.2 传感器测量方案选型

2.3系统整体设计方案

3 智能静电驱动电容压力传感器的硬件设计

3.1硬件设计方案

3.2传感器模块的研究

3.2.1 传感器的结构设计

3.2.2 传感器结构的算法研究

3.2.3 传感器电路设计

3.3控制器模块设计

3.4数据传输模块设计

3.5数模转换模块设计

3.5.1 Vref参考电压模块

3.5.2 DAC电路模块

3.6电源模块设计

3.6.1 3.3V 稳压电源电路设计

3.6.2 5V 稳压电源电路设计

3.6.3 12V 稳压电源电路设计

3.7下载调试接口设计

4 智能静电驱动电容压力传感器的软件设计

4.1软件设计方案

4.2电容压力传感器程序设计

4.2.1 SPI的配置

4.2.2 PS021电容测量方案

4.3数模转换程序设计

4.4数据传输程序设计

4.5串行通信程序设计

4.6上位机软件设计

4.6.1 DLL程序设计

4.6.2 LabVIEW搭建虚拟仪器

5 智能静电驱动电容压力传感器的测试实验与分析

5.1系统调试

5.2.1 传感器标定原理及步骤

5.2.2 标定试验

5.2.3 拟合算法研究

5.3准确度试验

5.3.1 基本误差实验

5.3.2 分辨率实验

5.3.3 重复性试验

5.3.4 结论

5.4误差分析

（一）安装操作因素

（五）噪声因素

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录1 硬件原理图

附录2 硬件PCB板

作者简历

致谢

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