主頁(yè) > 技術(shù)文章 > 單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 2024-10-14

單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：文章主要論述了單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及對(duì)其發(fā)展的影響。重點(diǎn)指出傳感器本身的穩(wěn)定性應(yīng)該放在研究工作的首位，單片機(jī)技術(shù)和傳感器相結(jié)合，改善了傳感器本身抗干擾能力和促進(jìn)了傳感器本身的智能化與標(biāo)準(zhǔn)化等。
　　從傳感器的設(shè)計(jì)出發(fā)，要盡可能提高傳感器本身的性能，嚴(yán)格控制其生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)小型化、高性能、標(biāo)準(zhǔn)化輸出的目標(biāo)。但是，隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是單片機(jī)的系列化發(fā)展，其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，微小的體積以及低廉的價(jià)格，對(duì)傳感器的傳統(tǒng)研究方式帶來(lái)了重大的變革。下面就傳感器研究中的一些體會(huì)，談些初步的看法。
1、單片機(jī)對(duì)提高傳感器穩(wěn)定性的作用：
　　穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作下輸出量發(fā)生的變化，它作為傳感器的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，目前在多方面已得到了越來(lái)越多的重視。而在智能傳感器的研究制造中，由于傳感器的其他一些性能指標(biāo)，如靈敏度、分辨力、抗干擾能力等均可通過(guò)低程序加以修正，因此很多人把傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性放在了工作的首位。
　　為了提高傳感器的穩(wěn)定性，避免在長(zhǎng)時(shí)間的工作下產(chǎn)生非線性的誤差，我們可利用單片機(jī)技術(shù)來(lái)修正非線性誤差從而提高傳感器的穩(wěn)定性。
　　以我們常見(jiàn)的智能壓力傳感器為例，提出一種可提高其穩(wěn)定性的方法見(jiàn)圖1。傳感器接收外界的壓力信號(hào)x并產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)y，再由接口電路和A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行處理后，輸出可由單片機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)Y，最后由單片機(jī)對(duì)其處理后，即可得到經(jīng)過(guò)修正的標(biāo)準(zhǔn)輸出Yc。一般在標(biāo)定傳感器的過(guò)程中，輸入校準(zhǔn)溫度和壓力點(diǎn)，然后測(cè)出x～y的數(shù)據(jù)，最后用二元函數(shù)插值法來(lái)修正傳感器的非線性誤差。
　　修正過(guò)程：首先，在單片機(jī)中存儲(chǔ)關(guān)于x、Y、θ三者關(guān)系的公式，其中X為x的數(shù)字量。這些公式可以在單片機(jī)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)以表格形式存放，也可在底程序中用常數(shù)形式來(lái)體現(xiàn)。單片機(jī)接收經(jīng)接口電路輸出的未修正的數(shù)字量Y和環(huán)境溫度的數(shù)字量θ，然后計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的被測(cè)數(shù)字量X，再與比例系數(shù)k相乘后，則可得到標(biāo)準(zhǔn)輸出Yc=kX。
2、單片機(jī)對(duì)減少傳感器干擾方面的作用：
　　傳感器在實(shí)際工作中，常常會(huì)遇到外來(lái)干擾，有些為確定性的，有些為隨機(jī)性的，這也是在傳感器研究中常見(jiàn)問(wèn)題之一。
　　2.1　確定性的干擾：
　　在實(shí)際工作中，傳感器常常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)確定性的干擾，這是由于傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或者外界環(huán)境的影響決定的，而這種干擾通常可由單片機(jī)來(lái)解決。
　　例如電渦流位移傳感器在實(shí)際的工作中，由于被測(cè)物體材料的均勻性和導(dǎo)磁性的不同，會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的影響。軸承中軸的位置，需要進(jìn)行精確的測(cè)量，但是由于軸表面不均勻的材質(zhì)。會(huì)使測(cè)量變得困難。軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，雖然其位置保持不變，但傳感器仍會(huì)有電壓的輸出，這樣得到的測(cè)量結(jié)果會(huì)有很大的誤差。由于軸在每次轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的位移保持不變，所以這種干擾也可以說(shuō)是確定性的。通過(guò)引用單片機(jī)技術(shù)，傳感器在實(shí)際測(cè)量中，每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，就對(duì)傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行定量修正，這樣就能基本解決由于被測(cè)物體材質(zhì)的不均勻性給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的確定性干擾。
2.2　隨機(jī)干擾：
　　傳感器的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的，其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個(gè)非常突出的問(wèn)題。所以，需要在工作中盡量減少干擾。提高輸出信號(hào)信噪比的問(wèn)題，是傳感器研究中的最大難題之一。
　　但是實(shí)際上在傳感器的使用中，單片機(jī)可利用軟件來(lái)部分消除隨機(jī)干擾，下面介紹一些在軟件抗干擾用到的方法。
　　2.2.1　指令冗余法：
　　單片機(jī)受到干擾后，往往會(huì)把操作數(shù)當(dāng)作指令碼來(lái)執(zhí)行，引起整個(gè)程序的混亂和程序彈飛。如果程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時(shí)，就不會(huì)發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯(cuò)誤，而能自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈飛到雙字節(jié)或三字節(jié)指令的操作時(shí)，程序?qū)⒗^續(xù)彈飛。因此，在程序中插人幾個(gè)單字節(jié)的空操作指令NOP，就可以保護(hù)其后面的指令不被拆散而被完整地執(zhí)行。
　　2.2.2　軟件陷阱法：
　　系統(tǒng)中未使用的單元用跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序，并強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)特定的地址，由一段專站處理錯(cuò)誤的程序進(jìn)行處理，以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
　　2.2.3　軟件“看門狗，(WATCH DOG)法”
　　WATCH DOG即定時(shí)監(jiān)視器，俗稱“看門狗”，當(dāng)侵人的電磁干擾使系統(tǒng)程序彈飛，或進(jìn)入死循環(huán)，或死機(jī)時(shí)，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。
3、在傳感器發(fā)展方面的應(yīng)用：
　　目前。成熟的傳感器品種規(guī)格繁多，長(zhǎng)期以來(lái)。由于傳感器的輸入輸出信號(hào)符不相同，其原理和電路也差別較大，使得傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)度較慢。給傳感器的用戶帶來(lái)了很多的麻煩。同時(shí)，也不利于傳感器及測(cè)試儀器的發(fā)展和在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，隨著單片機(jī)成本逐漸的降低，運(yùn)算能力的提高以及體積的減小，會(huì)給傳感器機(jī)及測(cè)試儀器的發(fā)展帶來(lái)積極的影響。目前，中國(guó)也已開(kāi)展了傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作，這也成為了目前傳感器研究的一個(gè)重要方向。
　　標(biāo)準(zhǔn)化電路的傳感器應(yīng)具有的功能如下：①應(yīng)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大及標(biāo)準(zhǔn)化的輸出；②應(yīng)具有溫度補(bǔ)償技術(shù)；③應(yīng)具有線性校正技術(shù)；④應(yīng)具有信號(hào)存儲(chǔ)功能；⑤應(yīng)具有簡(jiǎn)單的信號(hào)處理功能；⑥能連接在高一級(jí)的控制單元上，應(yīng)具有良好的互換性。
傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作在今后也會(huì)更好地推進(jìn)智能儀表的規(guī)范化，使其可以根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象及功能，設(shè)計(jì)為模塊化的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要進(jìn)行組合，這樣將會(huì)大大地提高測(cè)試儀器的可靠性并且降低其成本。

單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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