【技术大神】基于中压压力传感器SM3041的气垫控制应用优化方案

时间： 2018-03-14 来源：世强作者：Hesvidia

技术问答

可充、放气气垫的应用领域越来越广。比如气垫床，洗澡用气垫等，通过对气垫的充气和放气控制，来改变内部压力的大小，从而实现把人托起或者放下。然而，目前目前很多气垫都没有压力检测装置，无法准确知道充、放气的极限，更无法实现匀速的升降，经常会有危险发生。

图1 产品实物图示

为帮助解决上述隐患，需要增加自动控制电路：当压力大于设定的门限值时，自动关闭充气电路。当压力小于设定的门限值时，结合实际应用，自动打开充气电路。

图2 产品工作流程图

启动充气时，关闭放气电机，打开充气电机和气泵电机，开始给气垫充气。当充气气道压力>=4.7PSI时，自动关闭充气电机和气泵，从而保护气垫不会因为过压而爆炸。

启动放气时，关闭气泵和充气电机，打开放气电机，开始给气垫放气。放气时，只要控制电机的脉宽均匀就可以。

针对此部分，我们做了3次尝试：

第一次尝试：

采用机械气动式开关。当压力超过气动开关的门限值时，压力会把开关下面的机械轻触按键按下，产生一个低电平给MCU, MCU监测到该低电平后，就认为压力过高，把电机关闭。当压力减少后，气动开关回升，下方的机械按键弹起，MCU就会收到高电平，认为压力是在门限值以下的，就会自动把电机打开。

使用这种按键的优点：成本低。

缺点：无法控制精确度，长时间使用后，会对机械部分产生磨损，缩短使用寿命。

第二次尝试：

采用国产的HP5805 barometer压力传感器。这种传感器非常小，压力范围是300-1200mBar。就是0.3bar-1.2bar，压力范围上，勉强可以满足。实际贴片时，器件中间的气压孔竟然冒出胶来，实际读取时，虽然有变化，但是和标准的压力计相比，误差都相差了1个PSI，无法使用，于是放弃此型号。

这个型号的优点：成本低。

缺点：精度差，不适合回流焊。

第三次尝试：

使用SMI公司的中压压力传感器 SM3041来实现监测。因为之前在笔者设计的肺功能仪上用过此芯片，精度肯定是没问题的。SM3041也是压差传感器，但可以配置成barometer的方式，通过和大气压比较，得到绝对压差，这正是我们需要的。同时，SM3041支持-5PSI～+5PSI,也能满足我们的量程。并且，还有一个-15PSI~+15PSI的规格，后续可以Pin-to-pin兼容升级。

考虑到我们的MCU还有多于的I2C总线，于是采用SM3041来实时监测。框图和电路实物如下：

图3 电路框图和电路实物图

SM3041能精确读取压力值，稳定性高。易于焊接和升级。实测下来，SM3041能满足客户要求，也能准确，对产品来说，还是品质作为第一考虑要素。

器件选好后，接下来就是软件设计部分了。软件架构中，我们设计了3种状态机，把温度，压力，电池电压，定时器作为状态切换的条件。通过状态的转换，从而有效控制进气电机，出气电机和气泵。保证可使用的安全性。

图4 3种状态机

状态机设计好后，剩下的就是读取SM3041和如何根据读取值，进行电机控制的问题。

SM3041的读取：

SM3041也是通过I2C来访问，其操作方式和SM9541的基本一样。设备地址0x28, 读取时，需要在Bit0置1。这样，对设备地址的访问，就变成I2C_write（0x51）。

数据的读取，有DF2, DF3,DF4三种格式：

DF2: 压力数据

DF3: 压力数据 + 8bit温度值；

DF4：压力数据 + 8bit温度值 + 3bit温度值

在我们的项目应用中，不需要读取温度，所以使用DF2格式就可以了。

读取到的是16bit数据中，bit15, bit14是状态位，bit13-bit0是压力数据位。我们只需要对bit13-bit0做提取分析，

i2cv.pressure = 0x3fff & ((i2c_byte1 * 256) + i2c_byte2)

其中，max_press, min_press是当前使用器件的测量范围，和型号有关。我目前用的是-5PSI-+5PSI量程，1PSI = 70.3cmH2O,所以max_press =+351.5，min_press =-351.5。

Max_count和min_count是规格是里面规定的最大压力输出值，单位是count, 从规格书中，可以查到：max_count = 14745，min_count = 1638。

这样，就可以根据上面公式，计算出当前采集的压力差是多少cmH2O了。计算出的cmH2O，按照1cmH2O = 0.0142PSI,可以得出实际的PSI值。

SM3041的使用：

连接SM3041时，需要根据方向，找到TOP口的P端，就是正压口，把Y型导气管接到P端，输出的就是正向压力值。如果接反了，软件读出来的就是负值，需要取反处理。

当读出的压力值<4.7PSI时，可以把进气电机一直打开，气泵打开，实现对气垫充气。

当压力值>=4.7PSI时，气泵关闭，出气电机打开，实现放气。

整体用下来，SM3041表现出长时间的一致稳定性，如果产品对价格不是特别敏感，推荐使用这颗。

最后，我也根据项目设计总结了一些SM3041的使用注意事项：

选型时，选择自己需要的量程。计算时，也要更具型号来使用对应参数。
连接时，注意+/-端；
焊接时，底部不要接GND
注意不要把气道孔堵住，也不要有其他杂质进去，以免影响结果。

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