第十章智能傳感器

第10章智能傳感器10.1智能傳感器及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

10.2物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)傳感器

10.3智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖10.4信號(hào)處理與μP接口技術(shù)10.5智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理10.6智能傳感器的設(shè)計(jì)

思考題與習(xí)題

10.1智能傳感器及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

迅速發(fā)展的微處理機(jī)技術(shù)推動(dòng)和影響著其他技術(shù)領(lǐng)域的變革。把微處理機(jī)技術(shù)引入傳感器，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)過(guò)去實(shí)現(xiàn)不了的功能，具有智能本領(lǐng)，這就是新一代的傳感器——智能傳感器(IntelligentSensor或SmartSensor)。

在傳感器中采用微處理機(jī)是構(gòu)成智能傳感器的關(guān)鍵。圖10.1示出了這種設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單框圖。圖10.1將微處理機(jī)引入傳感器的簡(jiǎn)單框圖由圖10.1可見(jiàn)，傳感元件(這里一般包括對(duì)模擬量進(jìn)行處理、修正、補(bǔ)償?shù)鹊碾娐?的輸出(一般是模擬量)進(jìn)行數(shù)字變換后送入微處理機(jī)，微處理機(jī)按照這個(gè)輸入信號(hào)，通過(guò)預(yù)先編制的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并把輸出送到CRT顯示或送到磁盤、打印機(jī)進(jìn)行記錄，或送到高一級(jí)計(jì)算機(jī)與其他數(shù)據(jù)一起進(jìn)行綜合處理。此外，微處理機(jī)還可以把傳感元件框圖中包含的電路與輸入端斷開(kāi)，通過(guò)微機(jī)進(jìn)行漂移修正、零點(diǎn)或增益調(diào)整，或?qū)Νh(huán)境條件的變動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。如果把框圖中的各部分構(gòu)成一個(gè)整體，組裝在同一殼體內(nèi)，那么從整體來(lái)看，就是一個(gè)智能化的傳感器。如果把各部分通過(guò)超大規(guī)模集成電路集成在一起，那么就構(gòu)成了更高級(jí)的集成一體化的智能傳感器。圖10.2所示為某一集成一體化的智能傳感器的結(jié)構(gòu)，它將智能傳感器的各部分通過(guò)一定的工藝，分層集成在一塊半導(dǎo)體硅片上。圖10.2集成一體化的智能傳感器的結(jié)構(gòu)近幾年發(fā)展起來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是智能傳感器的又一深層次研究，是又一個(gè)新的飛躍。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是計(jì)算機(jī)、通信和傳感器這三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能傳感器等信息獲取技術(shù)和傳送技術(shù)的進(jìn)步為傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其展開(kāi)快速、抗毀性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)精度高、覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)而應(yīng)用前景廣闊，已成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一，將應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在軍事上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用來(lái)建立一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，也正是基于這些特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，通過(guò)聲敏、壓力、熱釋電紅外等傳感器偵探敵方陣地動(dòng)靜，人員、車輛行動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)督、戰(zhàn)場(chǎng)損失評(píng)估等。在醫(yī)療上，如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，則醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，掌握他們的身體狀況，如實(shí)時(shí)掌握體溫、血壓、血糖、脈搏等情況，一旦發(fā)生危急情況可在第一時(shí)間實(shí)施救助，也可實(shí)現(xiàn)在人體內(nèi)植入人工視網(wǎng)膜(由傳感器陣列組成)，讓盲人重見(jiàn)光明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供更加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。在商業(yè)上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)居民小區(qū)、家居環(huán)境、樓宇、工作環(huán)境智能化，例如，嵌入家電和家具中的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起將會(huì)為人們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居和辦公環(huán)境。在工業(yè)上，如工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線、倉(cāng)儲(chǔ)管理、檢測(cè)監(jiān)控等方面都將有全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。在環(huán)境保護(hù)上，隨著人們對(duì)生存的自然環(huán)境日益重視，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍也越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)變得越來(lái)越困難，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，可以實(shí)現(xiàn)諸如野生動(dòng)植物棲息地生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、生物多樣性監(jiān)控、森林火情監(jiān)控、河道水文監(jiān)測(cè)、水災(zāi)預(yù)警等作用。在農(nóng)業(yè)上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的病蟲害、土壤的酸堿度、施肥狀況、土壤濕度以及實(shí)現(xiàn)灌溉等自動(dòng)化?？梢灶A(yù)料，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)不斷地產(chǎn)生新的應(yīng)用模式，開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，從各個(gè)方面將給人們的生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)略體系結(jié)構(gòu)圖如圖10.3所示。圖10.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)略體系結(jié)構(gòu)圖無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正方興未艾，有興趣的讀者可參閱有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)資料。

智能傳感器與一般傳感器相比，具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

(1)研究與開(kāi)發(fā)傳感器的自由度大。

(2)精度高。

(3)具有一定的可編程自動(dòng)化能力。

(4)輸出形式多。

(5)功能價(jià)格比大。

10.2物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)傳感器

目前，物聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)傳感器已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)(theInternetofThings)也稱傳感網(wǎng)，其定義是：通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。如果說(shuō)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是計(jì)算機(jī)、通信和傳感器三項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，那么物聯(lián)網(wǎng)就可看成是計(jì)算機(jī)、通信、射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)的概念自1999年提出以來(lái)，越來(lái)越受到世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)已被正式列為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)(新能源；傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)；微電子、光電子、新型材料；運(yùn)用生命科學(xué)推動(dòng)農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)；空間、海洋、地球深部探索)之一，寫入政府工作報(bào)告。物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)受到了全社會(huì)極大的關(guān)注，許多高等學(xué)校相繼設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)工程等相關(guān)專業(yè)，著力培養(yǎng)國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需的物聯(lián)網(wǎng)人才。

作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)傳感器早已滲透到諸如工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、航天航空、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源利用、醫(yī)學(xué)診斷、生物醫(yī)學(xué)工程甚至文物保護(hù)等等廣泛的領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善研制而成的。目前開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器有：無(wú)線幕簾控制器；無(wú)線調(diào)光器；紅外動(dòng)作感應(yīng)器；無(wú)線可燃?xì)怏w探測(cè)器；無(wú)線煙感探測(cè)器；無(wú)線有毒氣體探測(cè)器；電流監(jiān)測(cè)插座；無(wú)線溫度感應(yīng)器；無(wú)線移動(dòng)感應(yīng)器；無(wú)線窗戶感應(yīng)器；無(wú)線防盜報(bào)警器；無(wú)線光線感應(yīng)器；無(wú)線門磁感應(yīng)器；無(wú)線開(kāi)關(guān)控制器；ZigBeeRF模塊；無(wú)線溫濕度傳感器；無(wú)線壓力傳感器；等等。

圖10.4所示為物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的簡(jiǎn)單應(yīng)用例子。圖10.4物連網(wǎng)在智能家居的簡(jiǎn)單應(yīng)用

10.3智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖

智能傳感器視其傳感元件的不同具有不同的名稱和用途。雖然其硬件的組合方式不盡相同，但其結(jié)構(gòu)模塊大致一樣。下面我們以智能壓力傳感器為例，介紹它的結(jié)構(gòu)框圖。圖10.5示出了一種智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。圖10.5智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖10.3.1

μP主機(jī)模板

μP主機(jī)模板主要由CPU、存儲(chǔ)器(ROM、RAM、EPROM)、串行通信接口、地址譯碼器、時(shí)鐘發(fā)生器、地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)、控制總線(CB)等組成。

μP是智能傳感器的神經(jīng)中樞，其性能不但影響傳感器的硬件電路、接口設(shè)計(jì)、模塊數(shù)目，而且影響傳感器的成本高低。因此，在智能傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)參照如下原則來(lái)選擇μP。

(1)根據(jù)任務(wù)選機(jī)型。根據(jù)所研制的智能傳感器是用于數(shù)據(jù)處理完成某些測(cè)量任務(wù)，還是用于某種系統(tǒng)控制，對(duì)于不同的任務(wù)，應(yīng)選擇不同的機(jī)型。例如，MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，具有較強(qiáng)的控制及處理能力，而MCS-96系列單片機(jī)則包括高性能的16位CPU、8KB的程序存儲(chǔ)器、232B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、功能豐富的I／O端口和10位A／D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)。又如，權(quán)衡各方面，也可選各種基于嵌入式微處理器的模塊板或嵌入式微處理器。電子技術(shù)日新月異，32位的高性能處理器價(jià)格不斷下跌。嵌入式技術(shù)的發(fā)展速度隨著高性能且低價(jià)格的處理器芯片上市速度的加速而加速。

表10.1是32位ARM內(nèi)核處理器與C51單片機(jī)性能比較情況。表10.1

32位ARM內(nèi)核處理器與單片機(jī)性能比較比較之后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，32位ARM處理器的性能較傳統(tǒng)的51單片機(jī)高，集成度也大大提高，為單芯片解決方案提供了非常方便的平臺(tái)，在很多場(chǎng)合都可以用一個(gè)芯片包容用戶所需要的全部資源，根本不用擴(kuò)展其他資源。它們不但電路簡(jiǎn)單易行，風(fēng)險(xiǎn)較小，而且產(chǎn)品價(jià)格也能控制在最理想狀態(tài)。

(2)按照需要選字長(zhǎng)。字長(zhǎng)即并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長(zhǎng)較長(zhǎng)，就能滿足處理較寬范圍的算術(shù)值的需要。

(3)依據(jù)用途定速度。μP的處理速度取決于時(shí)鐘頻率、執(zhí)行給定指令所用周期數(shù)、指令系統(tǒng)。應(yīng)依據(jù)智能傳感器的實(shí)際用途，確定μP的處理速度。如果傳感器用于動(dòng)態(tài)測(cè)量,則μP的處理速度不能低于傳感器的響應(yīng)速度，而當(dāng)用于靜態(tài)測(cè)量時(shí)可降低一些要求。10.3.2模擬量輸入模板

傳感器的輸出一般為毫伏數(shù)量級(jí)模擬量。要滿足A／D轉(zhuǎn)換電路的要求，還必須經(jīng)過(guò)模擬量輸入模板上有關(guān)電路的放大、處理，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)街鳈C(jī)板上。

10.3.3

IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線模板

智能傳感器的外總線通常分為并行和串行兩種。并行外總線以IEEE-488為代表，串行則以RS-232為典型。采用IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線(GeneralPurposeInterfaceBus，GP-IB)，能使智能傳感器從機(jī)械上、電氣上、功能上與一些必要的智能儀器相連，組成各種工作系統(tǒng)或自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線共有16根信號(hào)線：8根雙向數(shù)據(jù)總線；3根掛鉤線，即數(shù)據(jù)有效線DAV、未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)線NRFD、未收到數(shù)據(jù)線NDAC；5根管理線，即注意線ATN、接口清除線IFC、實(shí)行遠(yuǎn)控線REN、服務(wù)請(qǐng)求線SRQ、結(jié)束與識(shí)別線EOI。IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線如圖10.6所示。該總線可以與帶有IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口的計(jì)算機(jī)、電壓表、電源、信號(hào)源等智能儀器相連，完成各種功能。IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口中的收發(fā)器采用Intel8291、Intel8292、Intel8293等芯片，詳細(xì)內(nèi)容可參閱自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方面的相關(guān)資料。圖10.6

IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)總線10.3.4接口模板

1.數(shù)字顯示

通過(guò)數(shù)字顯示可以直接讀出智能傳感器輸出量的大小。為了符合人們的習(xí)慣，通常用七段發(fā)光二極管(LED)按十進(jìn)制計(jì)數(shù)方式顯示測(cè)量結(jié)果。LED顯示器有共陽(yáng)極型和共陰極型，所加電壓一般是1.6V或2.4V，使用時(shí)要調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路以及限流電阻(100～800Ω)，使工作電流不超過(guò)正常范圍(10～20mA)。傳感元件的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換電路加到μP，再通過(guò)μP的輸出端口，經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)電路，使LED顯示。液晶顯示器(LCD)近年來(lái)發(fā)展很快，目前已有標(biāo)準(zhǔn)段式LCD模塊、內(nèi)藏驅(qū)動(dòng)與控制器的標(biāo)準(zhǔn)段式LCD模塊、標(biāo)準(zhǔn)字符點(diǎn)陣式LCD模塊、標(biāo)準(zhǔn)圖形點(diǎn)陣式LCD模塊等多個(gè)品種面市。LCD具有平板顯示、結(jié)構(gòu)輕薄、電壓低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)陣式LCD已廣泛應(yīng)用于筆記本式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和智能傳感器中。

2.打印輸出

必要時(shí)應(yīng)配備打印機(jī)。打印輸出可以作為永久性記錄保存，還可記錄瞬時(shí)測(cè)量值、累加值、周期、批號(hào)等用戶感興趣的信息。打印機(jī)的選用應(yīng)從性能價(jià)格比等方面考慮。

3.接口電路

接口電路指控制系統(tǒng)所需的數(shù)/模轉(zhuǎn)換等一切必需的接口電路。

10.4信號(hào)處理與μP接口技術(shù)

10.4.1傳感器輸出信號(hào)的類型

在智能傳感器系統(tǒng)中，接收傳感器的輸出信號(hào)并進(jìn)行加工處理的是微處理機(jī)。微處理機(jī)常常要求輸入信息的形式是一定字長(zhǎng)的并行脈沖信號(hào)，即一組二進(jìn)制數(shù)字信息。然而，傳感器的輸出電信號(hào)形式卻因傳感器的工作原理不同而不盡相同，如圖10.7所示。

由于傳感器的輸出信號(hào)形式不同，因此必須采用不同的處理和轉(zhuǎn)換方法，把這些信號(hào)經(jīng)過(guò)某些預(yù)處理并轉(zhuǎn)換為便于微處理機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)。圖10.7傳感器輸出信號(hào)的類型如果傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，則微處理機(jī)接收之前的預(yù)處理和轉(zhuǎn)換就方便得多。在數(shù)字信號(hào)中，開(kāi)關(guān)信號(hào)是最簡(jiǎn)單的形式，它有觸點(diǎn)式與無(wú)觸點(diǎn)式兩種。觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)信號(hào)可采用隔離電路，使電平輸出端與觸點(diǎn)一側(cè)在電氣上完全絕緣，以防干擾的引入，同時(shí)可用硬件或軟件的方法來(lái)消除機(jī)械觸點(diǎn)的抖動(dòng)，以增加可靠性；無(wú)觸點(diǎn)式開(kāi)關(guān)信號(hào)一般為電壓信號(hào)，可用積分電路或施密特電路來(lái)提高輸出的抗干擾能力。在考慮了電平、阻抗等匹配問(wèn)題以后，開(kāi)關(guān)信號(hào)可直接引入微處理機(jī)的某些端口。其他數(shù)字輸出信號(hào)與微處理機(jī)的連接也很方便，這里不再介紹。10.4.2傳感器輸出的模擬信號(hào)的處理

當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的電參量(如電壓、電流、電阻、電容或電感等模擬量)時(shí)，這類信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化接口電路的組成如圖10.8所示。圖10.8模擬信號(hào)的預(yù)處理和數(shù)字化接口電路的組成

1.電壓信號(hào)的預(yù)處理

多數(shù)傳感器輸出的模擬電壓在毫伏或微伏數(shù)量級(jí)，而且一般變化較為緩慢。但信號(hào)所處的環(huán)境往往比較惡劣，干擾和噪聲較大。預(yù)處理電路既要將微弱的低電平信號(hào)放大至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號(hào)電平，如0～5V或0～10V的范圍，又要抑制干擾，降低噪聲，保證信號(hào)檢測(cè)的精度。因此，在電壓信號(hào)的預(yù)處理電路中主要包括濾波器與性能指標(biāo)良好的電壓放大器。在放大器的輸入端加上一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，就能有效地降低常規(guī)的模擬干擾。通常采用簡(jiǎn)便、廉價(jià)的單級(jí)或多級(jí)RC濾波器，也可采用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波器。電壓信號(hào)預(yù)處理電路中的放大器，除了要進(jìn)行電壓放大外，常常還要完成阻抗變換、電平轉(zhuǎn)換、電流-電壓轉(zhuǎn)換以及隔離等功能，通?？刹捎脙x表放大器(InstrumentationAmplifiers)(或稱數(shù)據(jù)放大器)、測(cè)量放大器和隔離放大器(IsolationAmplifiers)。

儀表(數(shù)據(jù))放大器具有很高的輸入阻抗(一般高達(dá)109Ω以上)、較低的失調(diào)電壓(一般小于等于25μV)與溫度漂移系數(shù)(一般小于等于0.3μV／℃)、較高的共模抑制比(CMRR)(一般均超過(guò)120dB)、穩(wěn)定的增益以及低的輸出阻抗。目前國(guó)內(nèi)外不少?gòu)S家有產(chǎn)品供應(yīng)，如國(guó)產(chǎn)型號(hào)有749廠的ZF604、ZF605、ZF606，北京半導(dǎo)體器件研究所的BG004等，國(guó)外型號(hào)有AD605等。所謂隔離，就是在信號(hào)傳輸電路中，在保證信號(hào)傳輸通暢的同時(shí)，切斷輸出電路與輸入電路電流或電阻的聯(lián)系。

隔離放大器的主要特點(diǎn)如下：

(1)由于具有內(nèi)部保護(hù)裝置，因此能抵抗輸入端點(diǎn)和地之間或輸入和輸出端口之間高的電壓差(即共模電壓)。隔離放大器具有很高的抵抗共模電壓的能力。

(2)具有高的噪聲抑制能力和高的共模抑制能力。

(3)從輸入到電源地之間有很高的泄漏通路阻抗(隔離歐姆電阻的典型值為1011Ω以上)。隔離放大器可以把信號(hào)源與電路輸出端歐姆隔離(隔離電阻大于10MΩ)；隔離放大器能把輸入電路浮空(或浮置),切斷地環(huán)路，消除地環(huán)流；隔離放大器能使系統(tǒng)或設(shè)備隔離保護(hù)。隔離放大器的耦合方式可以是熱、磁、光等。目前國(guó)內(nèi)外已生產(chǎn)出許多專用的隔離放大器，如國(guó)產(chǎn)型號(hào)有北京半導(dǎo)體器件一廠的GF289、B-GF01等，國(guó)外同類產(chǎn)品型號(hào)有AD289、AD275等。

2.電壓信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換

1)采樣保持(S／H)

在智能傳感器中，一般被測(cè)的連續(xù)模擬信號(hào)只能以一定的采樣頻率將采樣點(diǎn)的量值數(shù)字化后送入微處理器，而A／D轉(zhuǎn)換器每完成一次轉(zhuǎn)換都需要一定的時(shí)間Tc。如果輸入A／D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓Ux在Tc期間的變化大于1LSB的量化電壓，則一般不能保證轉(zhuǎn)換的精度，因此，在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)對(duì)采樣點(diǎn)的信號(hào)電壓要加以保持。

以8位分辨率的ADC0809芯片來(lái)說(shuō)，設(shè)其輸入電壓幅度UFS為0～5V，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，它允許的輸入電壓最大變化率為

當(dāng)Ux為正弦變化的信號(hào)，即Ux=Um

sinωt，其最大變化率發(fā)生在過(guò)零時(shí)，有

于是有

因此，Ux的最高頻率f'max受到限制。當(dāng)Um=UFS時(shí)，可得

則ADC0809芯片的f'max=6.22Hz。

顯然，直接用ADC對(duì)模擬電壓進(jìn)行采樣與量化的方法只適合于直流與低頻信號(hào)。當(dāng)輸入ADC的電壓變化率較大時(shí)，必須采取措施，在ADC之前加入一個(gè)S／H。S／H在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓，直至下次采樣為止，在保持期間由ADC完成A／D轉(zhuǎn)換。這樣，上述問(wèn)題就可得到解決。參考文獻(xiàn)［10］中進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，在ADC0809前加入AD582采樣保持芯片時(shí)，f'max可提高到約4kHz?？梢?jiàn)，用同一種ADC芯片，在其前插入S／H后，允許輸入信號(hào)的頻率將大大提高。

在模擬信號(hào)采集系統(tǒng)中，選取采樣周期也是很重要的。在智能傳感器中，采樣周期一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。對(duì)工業(yè)過(guò)程的參數(shù)，如流量、壓力、溫度等，采樣周期的選取可參考表10.2所列出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定。表10.2工業(yè)過(guò)程某些物理量的采樣周期選取范圍

2)A／D轉(zhuǎn)換器

A／D有多種工作原理不同的電路，并各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如果所選用的A／D轉(zhuǎn)換器不能滿足系統(tǒng)的要求，那么系統(tǒng)就得不到所要求的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至所采集的是完全錯(cuò)誤的信息。根據(jù)不同的工作原理，A／D轉(zhuǎn)換器大致可分為以下幾種。

(1)雙積分A／D轉(zhuǎn)換器。精度高，抗干擾性能好，價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較低。

(2)計(jì)數(shù)比較A／D轉(zhuǎn)換器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，轉(zhuǎn)換速度慢，對(duì)于變化較快的輸入模擬量，會(huì)出現(xiàn)跟蹤不上的現(xiàn)象。

(3)逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器。精度與價(jià)格均適中，轉(zhuǎn)換速度較快。

(4)并行A／D轉(zhuǎn)換器。硬件復(fù)雜，價(jià)格高，是一種用編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)的快速A／D轉(zhuǎn)換器。

A／D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有：輸入條件、分辨力、轉(zhuǎn)換速度、線性、穩(wěn)定性、輸出代碼和附加功能等。下面簡(jiǎn)單介紹前四項(xiàng)指標(biāo)的定義及內(nèi)涵。

①輸入條件。輸入條件就是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)，模擬信號(hào)的輸入條件。②分辨力。數(shù)字化信息是從離散的整數(shù)型0開(kāi)始的連續(xù)數(shù)值信息，該數(shù)值信息的最大值稱為分辨力。

③轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度就是將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息的速度。嚴(yán)格地說(shuō)，轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，但習(xí)慣上卻大多直接用轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間來(lái)表示。A／D轉(zhuǎn)換器的工作原理不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大，如以轉(zhuǎn)換所需時(shí)間表示，一般為幾十納秒到幾百毫秒。

④線性。線性是定義被轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息比例關(guān)系的指標(biāo)。圖10.9所示為A／D轉(zhuǎn)換器的線性關(guān)系。圖10.9

A／D轉(zhuǎn)換器的線性關(guān)系微分(非)線性的定義表示各個(gè)通道的通道寬度的誤差大小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

以圖10.9(b)為例，假定平均通道寬度為1.0，則

可見(jiàn)，微分(非)線性是極壞的。(10.1)

3)與微機(jī)的接口

各種型號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換器芯片均設(shè)有數(shù)據(jù)輸出引腳、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳、轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳等。在使用時(shí)，要正確處理好上述引腳與CPU之間的硬件連線。A／D轉(zhuǎn)換器的某些產(chǎn)品注明能直接和CPU配接，這是指A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出線可直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線上，說(shuō)明該轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU可用輸入指令讀取數(shù)據(jù)。一般8位A／D轉(zhuǎn)換器均屬此類。而10位以上的A／D轉(zhuǎn)換器，為了能和8位的CPU直接配接，輸出數(shù)據(jù)寄存器增加了讀數(shù)控制邏輯電路，把10位以上的數(shù)據(jù)分時(shí)讀出。對(duì)于內(nèi)部不包含讀數(shù)控制邏輯電路的A／D轉(zhuǎn)換器，則在它和8位CPU相連時(shí)，應(yīng)增加三態(tài)門，以控制10位以上數(shù)據(jù)分兩次進(jìn)行讀取。A／D轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，方能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號(hào)由CPU提供。不同型號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的要求不同，分脈沖啟動(dòng)和電平控制啟動(dòng)兩種。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理是由內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平，通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量。CPU從A／D轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)方式有中斷和查詢兩種，這兩種方式的選擇往往取決于A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和用戶程序的安排。圖10.10給出了單片機(jī)8031與逐次逼近式ADC0809轉(zhuǎn)換器的硬件連接圖。由于ADC0809轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可以直接與MCS-51單片機(jī)相連接。圖10.10單片機(jī)與ADC0809的硬件連接

3.D／A轉(zhuǎn)換器

當(dāng)需要傳感器起控制作用時(shí)，D／A轉(zhuǎn)換器是必不可少的。目前商品化的D／A轉(zhuǎn)換器多數(shù)采用R-2RT型解碼網(wǎng)絡(luò)和MOS或TTL型電流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其輸出量與數(shù)字輸入量成正比。數(shù)字輸入量常為二進(jìn)制式，有純二進(jìn)制編碼、二的補(bǔ)碼及BCD碼等。D／A轉(zhuǎn)換器的種類很多,按其能否直接與CPU相連接而分為兩類。一類不帶輸入數(shù)據(jù)寄存器，如AD7520(10位分辨力)、AD7521(12位分辨力)和DAC0808等。這類D／A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但與CPU相連接時(shí)，必須設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器，以便使輸入的數(shù)據(jù)保持一定時(shí)間。另一類則在芯片內(nèi)部集成有輸入數(shù)據(jù)寄存器及片選信號(hào)、寫信號(hào)等電路，如AD7524、DAC0832等。它們可以直接與CPU相連，可作為MCS-51系列單片機(jī)的一個(gè)外部I／O擴(kuò)展口，使用起來(lái)十分方便。通常D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍有：0～5V、±2.5V、±5V、±10V。對(duì)于控制中所要求的某些非標(biāo)準(zhǔn)范圍的輸出，可采用增益可調(diào)的運(yùn)算放大器，對(duì)DAC轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行調(diào)整。

在D／A轉(zhuǎn)換器選定以后，輸出電壓就可以根據(jù)要求確定?，F(xiàn)以8位D／A轉(zhuǎn)換器，要求輸出電壓從0到1V為例加以說(shuō)明(采用8位純二進(jìn)制編碼)。因?yàn)橛?位，可提供0～255種不同的值，所以輸出可分為256個(gè)不同的級(jí)，每級(jí)為0.00390V或3.9mV，即可根據(jù)D／A轉(zhuǎn)換器任一輸入值x確定輸出電壓的大小：

現(xiàn)將0～1V滿刻度的D／A轉(zhuǎn)換器的某些輸出電壓列于表10.3中。(10.2)表10.3

D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓圖10.11為MCS-51系列單片機(jī)8031與DAC0832連接的示意圖。DAC0832是由輸入數(shù)據(jù)寄存器、DAC寄存器和D／A轉(zhuǎn)換器所組成的CMOS器件。其最大特點(diǎn)是片內(nèi)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器(輸入數(shù)據(jù)寄存器和DAC寄存器)，因而具有雙緩沖作用。被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存在DAC寄存器中，下一組輸入數(shù)據(jù)又可裝入輸入數(shù)據(jù)寄存器中，這就可根據(jù)需要快速修改DAC0832的輸出。圖10.11

8031與DAC0832連接示意圖 10.5智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理

10.5.1查表與搜索

1.線性搜索

這是一種對(duì)無(wú)序表進(jìn)行搜索的最簡(jiǎn)單、最慢的方法。搜索開(kāi)始后，按順序掃描表中的每一項(xiàng)，逐個(gè)比較，逐個(gè)查對(duì)，直到找到所要求的記錄為止。若有一含N個(gè)數(shù)的數(shù)組，線性搜索的平均搜索次數(shù)D=N／2，則當(dāng)N很大時(shí)，搜索次數(shù)就很多，搜索時(shí)間就很長(zhǎng)。

2.對(duì)分搜索

對(duì)分搜索是一種較常用的方法，它可以大大減少搜索次數(shù)，縮短搜索時(shí)間。但要求表格中數(shù)據(jù)(或字符)的排列是有次序的。例如，對(duì)于數(shù)，要求它按大小排列；對(duì)于字符，則要求按其ASCII碼值的大小排列。因此，對(duì)一個(gè)無(wú)次序的表格，首先要設(shè)法加以排列(即分類)。分類的方法也很多，氣泡排序法就是其中的一種，它通過(guò)兩兩比較、交換、循環(huán)，使數(shù)組中的最小值冒到頂部。若數(shù)組已按大小次序排列好，則可采用對(duì)分搜索法。其思想是：先取數(shù)組中間的值eN/2(N/2處的值)與要搜索的值x相比較，看是否相等。若相等，則搜索到。若不等，則比較兩數(shù)的大?。喝魓＞eN

/2,則下一次取N/2～N之間的中間值e3N/4與x相比較；若x＜eN/2，則下一次取0～N/2之間的中間值e1N／4與x相比較。這樣每搜索一次,使區(qū)間縮小1/2。如此一直進(jìn)行下去，直至或者被搜索的字找到，或者搜索的區(qū)間變?yōu)?(表示搜索不到所要找的數(shù))。

3.跟蹤搜索

如果存入表格的所測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化不太快，同時(shí)，后一次的測(cè)量值絕大部分又都在前一次測(cè)量值附近且非常接近，那么，表格的搜索可以不從表格首地址開(kāi)始，而是從前一次測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的表格地址開(kāi)始搜索。這便是跟蹤搜索法的設(shè)想。其搜索步驟是：一個(gè)輸入量首先與前一次測(cè)量值所

對(duì)應(yīng)的表格數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若相等，則此搜索值被找到；若不等，則把前一次測(cè)量值對(duì)應(yīng)的表格地址作為起始地址，再把表格中的數(shù)據(jù)從上到下(或從下到上)依次取出，與輸入量進(jìn)行比較，直到找到數(shù)據(jù)為止。所以，跟蹤搜索的數(shù)據(jù)更新率高，總搜索次數(shù)最多為兩次，與表格數(shù)目N無(wú)關(guān)，速度最快，程序簡(jiǎn)單。

上述幾種搜索的程序流程圖和編程在有關(guān)微機(jī)原理及其程序設(shè)計(jì)的書籍、文獻(xiàn)中都可以找到。我們不難想到，傳感器數(shù)據(jù)表格法只能在校準(zhǔn)點(diǎn)上得到全補(bǔ)償，而測(cè)量校正曲線時(shí)校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)總是有限的，因此，實(shí)際測(cè)量的數(shù)值不一定正好在校準(zhǔn)點(diǎn)上，有可能介于兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間，這樣，必然會(huì)產(chǎn)生殘余誤差。為了節(jié)約內(nèi)存空間，在有限校準(zhǔn)點(diǎn)內(nèi)獲得較高精度，應(yīng)采用插值法。10.5.2分段插值法

插值法是數(shù)值計(jì)算中的一個(gè)基本方法。分段插值法是插值法中算法簡(jiǎn)單、收斂性和穩(wěn)定性較好的一種。這種方法是把傳感器的測(cè)量范圍劃分成若干個(gè)分段，然后在每個(gè)分段內(nèi)進(jìn)行線性插值或拋物線插值。在插值點(diǎn)數(shù)相同的情況下，拋物線插值的精度高于線性插值，但拋物線插值的程序要復(fù)雜一些，因而在精度要求滿足時(shí)應(yīng)盡量采用分段線性插值法。

分段線性插值法就是用m段通過(guò)插值結(jié)點(diǎn)的直線來(lái)代替?zhèn)鞲衅鬏敵龊瘮?shù)y=f(x)的值，其插值計(jì)算公式為(10.3)在微處理機(jī)計(jì)算時(shí)，若xi、xi－1、yi、yi－1均取小于215的雙字節(jié)正數(shù)，則一般說(shuō)來(lái)，傳感器的精度也就足夠了。

圖10.12示出了某傳感器靜態(tài)特性曲線的分段及插值計(jì)算框圖。實(shí)際設(shè)計(jì)中，把每段的yi、xi值按大小順序列成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，并預(yù)先放在存儲(chǔ)器中。只要輸入量x在函數(shù)區(qū)間內(nèi)，在完成表格搜索后便可利用上述插值計(jì)算公式(10.3)，通過(guò)程序進(jìn)行三次減法、一次加法、一次除法及一次乘法運(yùn)算。分段數(shù)目由給定的允許誤差和實(shí)際曲線而定，可采用均勻分段或非均勻分段。圖10.12某傳感器靜態(tài)特性曲線的分段及插值計(jì)算框圖10.5.3曲線擬合修正法

查表搜索和分段插值都保留了數(shù)據(jù)的全部測(cè)試誤差，如果個(gè)別測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量精度很低，則將影響到修正結(jié)果。曲線擬合法是能反映出數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)的一種方法。

通常先用最小二乘法來(lái)擬合一組數(shù)據(jù)(xi，yi)(i=0,1,2,…,n)，這就是求一個(gè)擬合多項(xiàng)式

(10.4)根據(jù)曲線擬合的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：求上述線性代數(shù)方程組的解，即可知道擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。

應(yīng)用曲線擬合修正法時(shí)，可先根據(jù)曲線擬合精度或?qū)嶋H需要，通過(guò)試探法或誤差檢驗(yàn)法，用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算確定擬合多項(xiàng)式的階次，再由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同物理量的一組數(shù)據(jù)(xi，yi)(i=0,1,2,…,n),按上述經(jīng)驗(yàn)公式，用高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)求出擬合多項(xiàng)式的系數(shù)，得到任意x值(敏感元件的經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換送到微處理機(jī)的輸入量x值)所對(duì)應(yīng)的值y(最終要求得的被測(cè)物理量)的多項(xiàng)式，最后編制出計(jì)算這個(gè)多項(xiàng)式的程序。10.5.4數(shù)字濾波

在智能傳感器中，隨機(jī)噪聲干擾總是存在的。如果通過(guò)數(shù)字濾波器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，則可以很好地抑制隨機(jī)噪聲干擾。這里所說(shuō)的數(shù)字濾波主要是指通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器的功能就是將一組輸入的數(shù)字序列通過(guò)一定的運(yùn)算后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。將所需要的運(yùn)算編成程序，通過(guò)智能儀器中的單片機(jī)執(zhí)行計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。

數(shù)字濾波器用差分方程表征，而模擬濾波器用微分方程描述。在智能傳感器中，較為常用的數(shù)字濾波器有線性與非線性兩類。它們的特性不同，抑制隨機(jī)噪聲的能力也不同。例如，線性濾波器對(duì)白噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，中值濾波器則對(duì)脈沖型噪聲有很強(qiáng)的抑制能力。

設(shè)有如圖10.13所示的脈沖型噪聲信號(hào)，輸入信號(hào)在n=3處有脈沖型干擾，其他各采樣值均是正確的。如果利用這五個(gè)采樣值進(jìn)行線性濾波，則可用差分方程表示：

濾波器的輸出為而中值濾波的結(jié)果為

yM(4)=x(2)

顯然，中值濾波的結(jié)果能正確地反映被測(cè)量x(n)的大小，而線性濾波結(jié)果y(4)中則包含著脈沖型噪聲的影響，造成了測(cè)量誤差。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)噪聲干擾源的性質(zhì)，合理地選擇數(shù)字濾波器。

10.6智能傳感器的設(shè)計(jì)

10.6.1智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)思路

1.智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能壓力傳感器由半導(dǎo)體力敏元件(制作力敏元件時(shí)，同時(shí)制作兩只溫敏二極管)、放大器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、雙積分A／D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲(chǔ)器和部分外圍電路組成，如圖10.14所示。圖10.14智能壓力傳感器組成框圖

2.敏感元件設(shè)計(jì)

利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分布，在半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻，同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。這四個(gè)電阻通常接成電橋形式，使輸出信號(hào)與測(cè)量壓力成正比，并將阻值增加的兩個(gè)電阻對(duì)接，將阻值減小的兩個(gè)電阻對(duì)接，使電橋的靈敏度最大。

半導(dǎo)體基片采用P型硅。P型硅剪切壓阻系數(shù)π44(也即d44)與溫度T的關(guān)系如圖10.15所示。圖10.15

P型硅π44與溫度T的關(guān)系

3.傳感器工藝設(shè)計(jì)

傳感器中的微處理機(jī)采用MCS-51系列8031單片機(jī)，它通過(guò)鎖存器74LS373等與外部存儲(chǔ)器EPROM相連?？蛇x用2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)等不同芯片作存儲(chǔ)器，用來(lái)存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其他電路(放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、接口電路等)可合理分布在不同的模板上，組裝進(jìn)一個(gè)殼體內(nèi)。注意連線要盡可能短，模擬地與數(shù)字地徹底分開(kāi)，各個(gè)模板電源分別濾波等。為減小體積，其他電路應(yīng)盡可能利用可編程器件PLD及其集成電路工藝中的焊接、封裝等技術(shù)把這些電路的芯片做在一塊基座上，構(gòu)成混合集成式信號(hào)處理電路。

4.軟件設(shè)計(jì)

用8031單片機(jī)構(gòu)成的智能壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。

智能傳感器的重要特點(diǎn)之一是多功能。多種功能一般可用兩種方式去執(zhí)行：一種是用戶通過(guò)鍵盤發(fā)出所選功能的指令；另一種是自動(dòng)方式，由內(nèi)部功能控制程序協(xié)調(diào)已編制好的數(shù)據(jù)采集與處理程序工作，或通過(guò)IEEE-488總線接收外部遠(yuǎn)控向智能傳感器發(fā)出控制指令。

智能傳感器還有自校、跟蹤、越限報(bào)警、輸出打印、鍵盤、顯示、D／A轉(zhuǎn)換等電路及接口。為保證整機(jī)有條不紊地工作，可依據(jù)圖10.16所示的源程序流程圖，設(shè)計(jì)可靠的管理程序。圖10.16智能傳感器源程序流程圖整個(gè)智能傳感器裝成以后，要進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)我們列舉的這種簡(jiǎn)單智能壓力傳感器，可把它的溫度特性曲線、非線性曲線轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼，存入EPROM中，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)編制的修正程序進(jìn)行修正，最后給出比較理想的輸出,如圖10.17所示。

這種智能壓力傳感器可利用集成電路、傳感器的封接技術(shù)，將帶有感溫二極管的硅力敏元件與單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器、接口電路等部分混合集成、連接在一起，使整個(gè)系統(tǒng)具有程控、運(yùn)算、處理等功能，對(duì)測(cè)試輸出信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在環(huán)境溫度變化的場(chǎng)合。圖10.17智能壓力傳感器修正、顯示流程圖10.6.2簡(jiǎn)單智能溫度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)例

1.要求

設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)單智能溫度傳感器，其技術(shù)指標(biāo)如下：

·測(cè)量范圍：36℃～41℃。

·測(cè)試精度：±0.1℃。

·分辨力：＜0.05℃。

·三位數(shù)字溫度顯示及模擬曲線顯示。

·具有溫度變化存儲(chǔ)、查詢、報(bào)警等功能。

2.參考電路

(1)系統(tǒng)框圖如圖10.18所示。圖10.18系統(tǒng)框圖

(2)部分硬件電路如圖10.19和圖10.20所示。圖10.19顯示、查詢、報(bào)警原理圖圖10.20模擬曲線顯示原理圖

3.參考軟件

軟件主要包括：

·主程序。

·外部中斷服務(wù)子程序。

·T0中斷服務(wù)子程序。

·圖形處理子程序、圖形顯示子程序。

·數(shù)據(jù)顯示子程序及初始化、濾波、延時(shí)等子程序。

1)主程序流程圖及參考程序

主程序流程圖如圖10.21所示。圖10.21主程序流程圖主程序參考程序如下：圖10.22

中斷服務(wù)子程序流程圖10.6.3智能有害氣體傳感器設(shè)計(jì)

1.要求

設(shè)計(jì)CO智能氣體傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

·測(cè)量范圍：0～500ppm(注：ppm=1×10－6)。

·分辨力：1ppm。

·溫度范圍：－20℃～+50℃。

·液晶屏顯示。

·具有聲、光報(bào)警功能。

·具有二級(jí)報(bào)警功能。

·具有自檢功能。

2.參考電路

CO氣體傳感器直接與環(huán)境中的被測(cè)氣體反應(yīng)，產(chǎn)生線性變化的微弱電流信號(hào)。此輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大，并被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后送給Microchip公司的PIC單片機(jī)，PIC單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、模型運(yùn)算等處理，直接在液晶屏上顯示被測(cè)氣體的濃度值。

CO氣體傳感器可設(shè)置二級(jí)報(bào)警，當(dāng)氣體濃度達(dá)到預(yù)置的報(bào)警值時(shí)，將依據(jù)報(bào)警的級(jí)別不同，發(fā)出不同頻率的聲、光報(bào)警信號(hào)。另外，該儀器還具有自檢、電池欠壓指示、調(diào)零和標(biāo)定等功能。

1)硬件電路設(shè)計(jì)概述

PIC16F877芯片自身集成了很多在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的電路，如上電復(fù)位電路、10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)EEPROM等，因此采用PIC16F877(整機(jī)如采用便攜式，用兩節(jié)1.5V電池供電，則可選PIC16LF877)可簡(jiǎn)化硬件電路部分的設(shè)計(jì)，硬件部分簡(jiǎn)單明了。

其整體硬件電路框圖如圖10.23所示。圖10.23

CO氣體監(jiān)測(cè)儀的硬件電路框圖

CO智能氣體傳感器硬件電路以PIC16F877為主，包括以下幾個(gè)主要部分：

(1)微控制器PIC16F877。

(2)CO氣體傳感器電路。

(3)鍵盤控制電路。

(4)聲、光報(bào)警電路。

(5)液晶顯示電路。

(6)A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。

2)硬件電路各部分分析

(1)CO氣體傳感器電路。CO氣體傳感器主要由CityTechnologyLtd.的CO氣體傳感器4CFCiTipeL和低電壓低功耗CMOS運(yùn)放ICL7650(整機(jī)如采用便攜式，用兩節(jié)1.5V電池供電，運(yùn)放可選T