主頁（yè） > 技術文章 > 單片機技（jì）術在傳感器設計中的應用 2024-10-14

單片（piàn）機技術在傳感器設計中的應用

摘（zhāi）要：文章主要論述了單片機技術在傳（chuán）感（gǎn）器設（shè）計中的應用以及對其（qí）發展的影響。重點指出傳感器本身的穩定性（xìng）應該放在研究工作的首位，單片機技術和傳感器相結合，改善了傳感器本身抗（kàng）幹擾能力和促進了傳感器本身的智能化與標準化等。
　　從傳感器的設計出發，要盡可能提高傳感器（qì）本（běn）身的性能，嚴格控製其生產的各個環節，以實現小型化、高性能、標準化輸出的目標。但是，隨著計算（suàn）機和微電子技術的高速發展，尤其是單片機的（de）係列化發（fā）展，其強大的運算能（néng）力，微小的體積以及低廉的價格，對傳感器的傳統研究方式帶來了重大的變革（gé）。下麵就傳（chuán）感器研究中的一些體會，談些初步的（de）看法。
1、單片機對（duì）提高傳感器穩定性的作用：
　　穩定性是（shì）指傳感（gǎn）器在長時間工作下輸出量發生的變化，它作為傳感器（qì）的（de）一（yī）項重要的技術（shù）指標，目前在多方麵已得到（dào）了越來越多的重視。而在智能傳感器的研究製造中，由於傳（chuán）感器的其他一些性能指標，如靈敏度、分辨力、抗幹擾能（néng）力等均可通（tōng）過低程序加以修正，因此很多人（rén）把傳感器的長期（qī）穩定性放在了工作（zuò）的（de）首位。
　　為了提高傳感器的穩定性，避免在長時（shí）間的工作下產生非（fēi）線性的誤差，我們可利用（yòng）單片機技術來修正非線性誤差從而提高傳感器的穩定（dìng）性。
　　以我們常見（jiàn）的智能壓（yā）力傳感器為例，提出一（yī）種可提高其穩定性的方法見圖（tú）1。傳感器接收外界的（de）壓力信（xìn）號x並產生一個輸出信號y，再（zài）由接（jiē）口電路和A／D模數轉換器對其進行處理（lǐ）後，輸出可由單片（piàn）機接收的數字信號Y，最後由單片機對其處理後，即可得到經過修正的標準（zhǔn）輸出Yc。一般在標定傳感器的過程中，輸入校準溫度和壓力點，然後測出x～y的數據，最後用二元函（hán）數插值法來修（xiū）正傳感器的非線性誤差（chà）。
　　修正過程：首先，在（zài）單片機中存儲關於x、Y、θ三者（zhě）關係的公式，其中X為x的數字量。這些公式（shì）可以在單片機存儲器（qì）的數據區（qū）內以表格形式存放，也可在底程序中用常數形式來體現。單片機（jī）接收經接口電路輸出的未（wèi）修正的（de）數字量Y和環境溫度的數字量θ，然後計算出相對應的被測數字量X，再與比例係數k相乘後，則可（kě）得（dé）到標（biāo）準（zhǔn）輸出Yc=kX。
2、單片機對（duì）減少傳感器幹擾（rǎo）方麵的作用：
　　傳（chuán）感器在實際（jì）工作中，常常會遇到外來幹（gàn）擾，有些為確定性（xìng）的，有些為隨機性的，這也（yě）是在傳感器研究中常見問題之（zhī）一。
　　2.1　確定性（xìng）的幹擾：
　　在實際工作中，傳感器常常會產生一個確定性的幹擾，這是由於傳感器的自身結構特點（diǎn）或者外界環境的影響決定的（de），而這種幹擾通常可由單片機來解（jiě）決。
　　例如電渦流位移傳感器在實際的工作中，由於被（bèi）測物體材料的均勻性和導磁性的不同，會給測量結果帶來（lái）一定的影響。軸承中（zhōng）軸的位置，需要進行精確的測量，但是由於軸表麵不均勻的材（cái）質。會使測量變得困難。軸在轉動過程中，雖然其位置保持不變，但傳感器仍會有電壓的輸出，這樣得（dé）到的（de）測量結果會有（yǒu）很大的誤差。由於軸（zhóu）在每次轉（zhuǎn）動中產生的位移保持不變，所以這種幹擾（rǎo）也可以說是確定性的（de）。通（tōng）過引用單片（piàn）機技術（shù），傳感器在實際測量中，每當軸轉動（dòng）一周後，就對傳感器的輸出特性曲線進行定量修正，這樣就能基（jī）本解決由於被測物體材質的不均勻性給測量結果帶來的確定性幹擾。
2.2　隨機幹擾：
　　傳感器的工作環境往往（wǎng）是比較惡劣和複雜的，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常（cháng）突出的（de）問題（tí）。所以，需要在（zài）工作中盡量減少（shǎo）幹擾。提高輸出信號（hào）信噪比的問題，是（shì）傳（chuán）感（gǎn）器研究中（zhōng）的最大難題之一（yī）。
　　但是實際上在傳感（gǎn）器的使用中，單片（piàn）機可利用軟件來部分消除隨機幹擾，下麵介紹一些在（zài）軟件抗幹擾用到的方法（fǎ）。
　　2.2.1　指令冗餘法：
　　單片（piàn）機受到幹擾後，往往會（huì）把操作數當作指令碼來（lái）執行，引起整個程序（xù）的混亂和程序彈飛（fēi）。如果程序彈飛到某一條單（dān）字節指令上時（shí），就不會發生將操作數當成指令的錯誤，而能自動納入正軌。當（dāng）彈飛到雙字節或三（sān）字節指令的操作時，程序將繼續彈飛。因此，在程序中插人幾個單字節的空操作指令NOP，就（jiù）可以保護其後麵的指令（lìng）不被（bèi）拆（chāi）散而被完整地執（zhí）行（háng）。
　　2.2.2　軟件陷（xiàn）阱法：
　　係統中未使用的單元用跳轉引導指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉（diào）”的程序，並強行將捕獲的程序引向一（yī）個（gè）特定的地（dì）址，由一段專站處理錯誤的程序進行處理，以恢複係統的正常（cháng）運行（háng）。
　　2.2.3　軟件“看門狗，(WATCH DOG)法”
　　WATCH DOG即定時（shí）監視器，俗稱“看（kàn）門狗”，當侵人的電磁幹擾使係統程序彈飛，或進入死循（xún）環，或死機時，WATCHDOG能夠幫助係（xì）統自（zì）動恢複正常運行。
3、在傳（chuán）感器發展方麵的應用：
　　目前。成熟的傳感器品種（zhǒng）規（guī）格繁多，長期以來。由（yóu）於傳感器的輸入輸出信號符不相同，其原理和電路也（yě）差別較大（dà），使得傳感（gǎn）器的標準化工作進度較慢。給傳感器的用戶（hù）帶來了很多的麻煩。同時，也不利於傳感器及測試儀器的發展和在更廣闊領域的應用。但是，隨著（zhe）單（dān）片機成本逐漸的降低，運算能（néng）力的提高以及體積的減小，會給傳感器機及測試儀器的發展帶來（lái）積極的影響。目前，中國也已開展了傳感器的標準化工作，這（zhè）也成為了目前傳感器研究的一個（gè）重要方向。
　　標準化電路的傳感器應具有的功能如下：①應對傳感器（qì）信號進行放大及標準化的輸出；②應具有溫度補償技術；③應（yīng）具有線性校（xiào）正技術；④應（yīng）具有信號存（cún）儲功能；⑤應具有簡單的信（xìn）號處理功（gōng）能（néng）；⑥能連（lián）接在高一級的控製單元上，應具有良好的互換性。
傳感（gǎn）器的標準化工作在（zài）今後也會更好地推（tuī）進智能儀表的規範化，使其（qí）可以根（gēn）據不同的測試對象及功能，設計為模塊化的（de）結構，並根據需要進行組合，這樣將會大大地提（tí）高測試儀器的可（kě）靠（kào）性並且降低其成本。

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