主頁 > 技術(shù)文章 > 單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用 2024-10-14

單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：文章主要論述了單片機技術(shù)在傳感器設(shè)計中的應(yīng)用以及對其發(fā)展的影響。重點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了傳感器本身的智能化與標(biāo)準化等。
　　從傳感器的設(shè)計出發(fā)，要盡可能提高傳感器本身的性能，嚴格控制其生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)小型化、高性能、標(biāo)準化輸出的目標(biāo)。但是，隨著計算機和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是單片機的系列化發(fā)展，其強大的運算能力，微小的體積以及低廉的價格，對傳感器的傳統(tǒng)研究方式帶來了重大的變革。下面就傳感器研究中的一些體會，談些初步的看法。
1、單片機對提高傳感器穩(wěn)定性的作用：
　　穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作下輸出量發(fā)生的變化，它作為傳感器的一項重要的技術(shù)指標(biāo)，目前在多方面已得到了越來越多的重視。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低程序加以修正，因此很多人把傳感器的長期穩(wěn)定性放在了工作的首位。
　　為了提高傳感器的穩(wěn)定性，避免在長時間的工作下產(chǎn)生非線性的誤差，我們可利用單片機技術(shù)來修正非線性誤差從而提高傳感器的穩(wěn)定性。
　　以我們常見的智能壓力傳感器為例，提出一種可提高其穩(wěn)定性的方法見圖1。傳感器接收外界的壓力信號x并產(chǎn)生一個輸出信號y，再由接口電路和A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進行處理后，輸出可由單片機接收的數(shù)字信號Y，最后由單片機對其處理后，即可得到經(jīng)過修正的標(biāo)準輸出Yc。一般在標(biāo)定傳感器的過程中，輸入校準溫度和壓力點，然后測出x～y的數(shù)據(jù)，最后用二元函數(shù)插值法來修正傳感器的非線性誤差。
　　修正過程：首先，在單片機中存儲關(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存儲器的數(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)形式來體現(xiàn)。單片機接收經(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，然后計算出相對應(yīng)的被測數(shù)字量X，再與比例系數(shù)k相乘后，則可得到標(biāo)準輸出Yc=kX。
2、單片機對減少傳感器干擾方面的作用：
　　傳感器在實際工作中，常常會遇到外來干擾，有些為確定性的，有些為隨機性的，這也是在傳感器研究中常見問題之一。
　　2.1　確定性的干擾：
　　在實際工作中，傳感器常常會產(chǎn)生一個確定性的干擾，這是由于傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點或者外界環(huán)境的影響決定的，而這種干擾通�？捎蓡纹瑱C來解決。
　　例如電渦流位移傳感器在實際的工作中，由于被測物體材料的均勻性和導(dǎo)磁性的不同，會給測量結(jié)果帶來一定的影響。軸承中軸的位置，需要進行精確的測量，但是由于軸表面不均勻的材質(zhì)。會使測量變得困難。軸在轉(zhuǎn)動過程中，雖然其位置保持不變，但傳感器仍會有電壓的輸出，這樣得到的測量結(jié)果會有很大的誤差。由于軸在每次轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的位移保持不變，所以這種干擾也可以說是確定性的。通過引用單片機技術(shù)，傳感器在實際測量中，每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動一周后，就對傳感器的輸出特性曲線進行定量修正，這樣就能基本解決由于被測物體材質(zhì)的不均勻性給測量結(jié)果帶來的確定性干擾。
2.2　隨機干擾：
　　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、安全性就成為一個非常突出的問題。所以，需要在工作中盡量減少干擾。提高輸出信號信噪比的問題，是傳感器研究中的最大難題之一。
　　但是實際上在傳感器的使用中，單片機可利用軟件來部分消除隨機干擾，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：
　　單片機受到干擾后，往往會把操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起整個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，就不會發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯誤，而能自動納入正軌。當(dāng)彈飛到雙字節(jié)或三字節(jié)指令的操作時，程序?qū)⒗^續(xù)彈飛。因此，在程序中插人幾個單字節(jié)的空操作指令NOP，就可以保護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，并強行將捕獲的程序引向一個特定的地址，由一段專站處理錯誤的程序進行處理，以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。
　　2.2.3　軟件“看門狗，(WATCH DOG)法”
　　WATCH DOG即定時監(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，或進入死循環(huán)，或死機時，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動恢復(fù)正常運行。
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，長期以來。由于傳感器的輸入輸出信號符不相同，其原理和電路也差別較大，使得傳感器的標(biāo)準化工作進度較慢。給傳感器的用戶帶來了很多的麻煩。同時，也不利于傳感器及測試儀器的發(fā)展和在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，隨著單片機成本逐漸的降低，運算能力的提高以及體積的減小，會給傳感器機及測試儀器的發(fā)展帶來積極的影響。目前，中國也已開展了傳感器的標(biāo)準化工作，這也成為了目前傳感器研究的一個重要方向。
　　標(biāo)準化電路的傳感器應(yīng)具有的功能如下：①應(yīng)對傳感器信號進行放大及標(biāo)準化的輸出；②應(yīng)具有溫度補償技術(shù)；③應(yīng)具有線性校正技術(shù)；④應(yīng)具有信號存儲功能；⑤應(yīng)具有簡單的信號處理功能；⑥能連接在高一級的控制單元上，應(yīng)具有良好的互換性。
傳感器的標(biāo)準化工作在今后也會更好地推進智能儀表的規(guī)范化，使其可以根據(jù)不同的測試對象及功能，設(shè)計為模塊化的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要進行組合，這樣將會大大地提高測試儀器的可靠性并且降低其成本。

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