發(fā)布時(shí)間：2023-04-06 18:40:39
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的傳感器設(shè)計(jì)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：傳感器；AD轉(zhuǎn)換；控制器；硬件電路
引言
隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制器作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對(duì)模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。
一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較說明
對(duì)于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下：
(1)簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。
(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。
針對(duì)上述2種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時(shí)考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控。
二、工作原理
基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。
工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時(shí)，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件設(shè)計(jì)
液位控制器的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。
3.1單片機(jī)
單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片。
3.2傳感器
傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國(guó)SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。
3.3鍵盤電路
P1口作為鍵盤接口，連接一個(gè)4×4鍵盤。
3.4液位顯示電路
液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號(hào)是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。
3.5AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出
AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序?？刂戚敵鲋饕猩舷孪逘顟B(tài)顯示、超限報(bào)警。另外在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。
四、軟件設(shè)計(jì)
4.1鍵盤程序
由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。
值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時(shí)，相對(duì)會(huì)比較麻煩，如果用C語言編寫程序會(huì)簡(jiǎn)單很多，這里就不再做具體說明。
五、結(jié)束語
基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃智偉.傳感器技術(shù).2002，21（9）：31～33
關(guān)鍵詞：角度傳感器，C8051F005單片機(jī)，角度預(yù)置，步進(jìn)電機(jī)，顯示聯(lián)動(dòng)
0.引言：
傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的性能，本設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為控制單元，用單軸傾角傳感器檢測(cè)平衡板傾斜角度，采取步進(jìn)電機(jī)控制平衡板角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)目的。
1.硬件電路設(shè)計(jì)
角度傳感器硬件連接圖如圖1所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平衡板傾斜到使角度傳感器SCA60C處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測(cè)到0~90度的角度范圍，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)到使角度傳感器與水平面成90度的角度時(shí)，此時(shí)Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0~90度的傾角范圍內(nèi)，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5~+5V的模擬電壓信號(hào)，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)動(dòng)到使角度傳感器與水平面間的角度從90度到180度的范圍變化時(shí)，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號(hào)[1][2]，因此通過測(cè)定傳感器SCA60C輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，我們選擇4相5線步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路主要由L297+L298組成，該驅(qū)動(dòng)電路集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)于一體。L297是脈沖分配器，只要步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D四項(xiàng)依次連接到J1的1、2、3、4各點(diǎn)，且將剩下的一條線接地，L297就會(huì)自動(dòng)的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)相序，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)便可轉(zhuǎn)動(dòng)[3][4]?？刂齐姍C(jī)時(shí)只需單片機(jī)通過I/O口向L297的cw/ccw和clock端發(fā)送控制信號(hào)即可控制它的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖2。論文參考。論文參考。
圖1角度傳感器硬件連接圖圖2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖
本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、角度檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊和顯示器模塊等部分組成，系統(tǒng)連接圖如圖3所示：
圖3系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)分為兩個(gè)工作模式，工作于模式一時(shí)，可通過鍵盤模塊預(yù)置一個(gè)角度，主控制器接收到此信息后，通過控制電機(jī)控制模塊來使角度檢測(cè)模塊做出轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作以使平衡板按輸入角度完成傾斜動(dòng)作。同時(shí)，角度傳感器輸出的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入主控制器，主控制器據(jù)此輸入判定平衡板是否已傾斜到預(yù)置的角度，并據(jù)此來控制電機(jī)控制模塊，并且主控制器模塊通過控制顯示模塊實(shí)時(shí)的顯示平衡板的傾斜角度。通過按鍵模塊可將系統(tǒng)切換到模式二，模式二的功能是能始終保持平衡板的水平，且能使顯示模塊顯示的內(nèi)容與平衡板聯(lián)動(dòng)，兩種工作可通過按鍵來切換。系統(tǒng)使用c8051f00作為控制核心，128*64作為顯示器，4*4鍵盤來輸入需要預(yù)置的角度。程序具有角度預(yù)置和自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)兩種模式，根據(jù)不同需要選擇，具有友好人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單易懂。軟件流程圖如下圖4所示：
圖4 程序流程圖
2.系統(tǒng)測(cè)試與分析
表1系統(tǒng)性能測(cè)試
基本要求測(cè)試 發(fā)揮部分測(cè)試 輸入角度大小 平衡時(shí)角度 誤差 起始傾斜角度 平衡時(shí)角度 誤差 30o 29.07 o
0.70% 14 o
0 o
0 65 o
65.6 o
0.90% 32 o
0.3 o
0.90% 94 o
94.2 o
0.20% 80 o
0.3 o
0.38% 110 o
110.4 o
0.36% 76 o
0.7 o
0.92% 176 o
175.7 o
0.17 121 o
關(guān)鍵詞：傳感器，發(fā)展，新趨勢(shì)
作為模擬人體感官的“電五官”（傳感器）是獵取所研究對(duì)象信息的“窗口”，它為系統(tǒng)提供賴以進(jìn)行處理和決策所必須的對(duì)象信息，它是高度自動(dòng)化系統(tǒng)乃至現(xiàn)代尖端技術(shù)必不可少的關(guān)鍵組成部分。未來的社會(huì)，將是充滿傳感器的世界。有人認(rèn)為支配了傳感器技術(shù)，就能把握住新時(shí)代。因此，傳感器技術(shù)是21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將此技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，我國(guó)從20世紀(jì)80年代以來也已將傳感器技術(shù)列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。21世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將有長(zhǎng)足的發(fā)展。
“電五官”落后于“電腦”的現(xiàn)狀，已成為新型計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用的一大障礙，傳感器的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足計(jì)算機(jī)應(yīng)用和開發(fā)的需要；許多有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品開發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造，都離不開傳感器。如：工廠自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、幾十萬千瓦的大型發(fā)電機(jī)組、連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線、無人駕駛的自動(dòng)化汽車、多功能裝備指揮系統(tǒng)、直至宇宙飛船或各種探測(cè)器等等，其開發(fā)與傳感器密不可分；傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高了產(chǎn)量和質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效應(yīng)；傳感器普及于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，從茫茫太空到浩瀚海洋、從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，將造成良好的銷售前景。這些都是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和電腦的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競(jìng)相開發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。
目前的傳感器，無論在數(shù)量上、質(zhì)量上和功能上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會(huì)多方面發(fā)展的需要。當(dāng)前，人們?cè)诔浞掷孟冗M(jìn)的電子技術(shù)條件，研究和采用合適的外部電路以及最大限度地提高現(xiàn)有傳感器的性能價(jià)格比的同時(shí)，正在尋求傳感器技術(shù)發(fā)展的新途徑。特別是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、專用集成電路（ASIC）及表面貼裝技術(shù)（SMT）等技術(shù)的發(fā)展，極大地加速了傳感器技術(shù)的發(fā)展。下面探討傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)：
1．開發(fā)新型傳感器
鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于物理學(xué)、化學(xué)等各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。目前發(fā)展最迅速的新材料是半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料以及所謂的“智能材料”（如形狀記憶合金，具有自增殖功能的生物體材料等）。如日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破。其靈敏度比霍爾器件高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件，而其制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡(jiǎn)單。它可用于磁成像技術(shù)，具有廣泛推廣價(jià)值。此外，當(dāng)前控制材料性能的技術(shù)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，不久的將來人們將可按照傳感要求來合成所需的材料。其中，利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測(cè)極微信號(hào)，是傳感器發(fā)展的新方向之一。
2．結(jié)構(gòu)型傳感器的發(fā)展
結(jié)構(gòu)型傳感器主要向高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度方向發(fā)展。論文參考。目前，結(jié)構(gòu)型傳感器在國(guó)防和工業(yè)控制等領(lǐng)域還大量使用，但其在原理、材料和結(jié)構(gòu)形式等方面都不斷發(fā)生變化，并且向有源化方向發(fā)展，即將敏感元件和電路組裝在一起,減小裝置體積,提高信噪比和精度。結(jié)構(gòu)型傳感器由于采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，可大幅提高傳感器的性能。如采用微細(xì)加工技術(shù)（半導(dǎo)體技術(shù)中氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝、各向異性腐蝕以及蒸鍍、濺射薄膜等加工工藝），可制造出各式各樣的新型傳感器。
3．傳感器的集成化和多功能化
傳感器的集成化分為傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。前者是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤活愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，使傳感器的檢測(cè)參數(shù)由點(diǎn)到面到體多維圖像化，甚至能加上時(shí)序，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)；后者是將傳感器與調(diào)理、補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w化，使傳感器由單一的信號(hào)變換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、干擾補(bǔ)償?shù)榷喙δ?mdash;—實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發(fā)出同時(shí)檢測(cè)Na+、K+和H+等多種離子的傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2.5mm×0.5mm，僅用一滴液體，如一滴血液，即可同時(shí)快速檢測(cè)出其中Na+、K+和H+的濃度，對(duì)醫(yī)院臨床非常方便實(shí)用。
目前集成化傳感主要使用硅材料，它可以制作電路，又可制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件。在制作敏感元件時(shí)要采用單硅的各向同性和各向異性腐蝕、等離子刻蝕 、離子注入等工藝，利用微機(jī)械加工技術(shù)在單晶硅上加工出各種彈性元件。當(dāng)今，發(fā)達(dá)國(guó)家正在把傳感器與電路集成在一起進(jìn)行研究。
4．傳感器的智能化
將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)，就是傳感器的智能化。智能傳感器具有自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷、數(shù)據(jù)處理、雙向通信、信息存儲(chǔ)和記憶、數(shù)字信號(hào)輸出等功能。智能傳感器按其結(jié)構(gòu)分為模塊式、混合式和集成式三種。模塊式智能傳感器是初級(jí)的，是由許多互相獨(dú)立的模塊組成，其集成度不高、體積較大，但比較實(shí)用；混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號(hào)處理電路制作在不同的芯片上。目前，其作為智能傳感器的主要類型而被廣泛應(yīng)用；集成式智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一芯片上，其結(jié)構(gòu)一般是三維器件（立體器件），具有類似于人的五官與大腦相結(jié)合的功能，并且智能化程度隨著集成化程度的提高而不斷提高。如美國(guó)圖尼爾公司的ST—3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作CPU，EPROM和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。論文參考。另外還有MEMS，MEMS通常是由傳感器、信息單元、執(zhí)行器和通信/接口單元等組成。它可從需要觀測(cè)與控制的對(duì)象中獲取光、聲、壓力、溫度等信息，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并要求處理、提取信息，通過執(zhí)行器對(duì)目標(biāo)實(shí)施控制或顯示；同時(shí)，系統(tǒng)通過通信/接口單元以光、電或磁的形式與其它微系統(tǒng)保持信息聯(lián)系。
今后,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,還將研制出更高級(jí)的集成式智能傳感器,它完全可以做到將檢測(cè)、邏輯和記憶等功能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上。同時(shí)，冷卻部分也可以制作在立體電路中，利用帕耳帖效應(yīng)使電路進(jìn)行冷卻。目前，集成式智能傳感技術(shù)正在起飛，它勢(shì)必在未來的傳感器技術(shù)中發(fā)揮重要的作用。
5．傳感器的虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化
5．1虛擬化。自20世紀(jì)90年代以來，一種全新概念“虛擬化”正獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。虛擬傳感器是傳感器、計(jì)算機(jī)和軟件這三者的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成軟硬結(jié)合、實(shí)虛共體的新一代傳感器。這種傳感器是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)并且完全通過軟件開發(fā)而成，利用軟件來建立傳感器模型、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定模型，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。如美國(guó)B＆K公司最近已開發(fā)一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并附帶一張軟盤，軟盤上存儲(chǔ)著該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再?gòu)能洷P上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查，傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。此外，專供開發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已面市了。
5．2網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字化傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網(wǎng)絡(luò)已不限于傳感器總線，還應(yīng)包括現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。數(shù)字傳感器首先將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微處理器做數(shù)據(jù)處理，最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間，傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。
6．研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器
大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。它通過漫長(zhǎng)的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類本身，而且還設(shè)計(jì)了許許多多的功能奇特、性能高超的生物傳感器。如狗的嗅覺（靈敏閾為人的10 倍）；鳥的視覺（視力為人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的聽覺（主動(dòng)型生物雷達(dá)——超聲波傳感器）；蛇的接近覺（分辯率達(dá)0.001℃的紅外測(cè)溫傳感器）等等.這些生物的感官性能,是當(dāng)今傳感器技術(shù)所望塵莫及的.研究它們的機(jī)理,開發(fā)仿生傳感器（包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺傳感器等）,也是引人注目的方向。目前只有視覺與觸覺傳感器得到了比較好的發(fā)展。
傳感器技術(shù)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、軍事國(guó)防和以宇宙開發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域的同時(shí)，正以自己的巨大 力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透。論文參考。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會(huì)對(duì)高性能、高適用性傳感器的迫切需要，極大地推動(dòng)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、安全防范、家用電器等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。我們有理由相信，傳感器這顆璀璨的明珠，必將放射出更加耀眼的光芒。
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摘 要
近年來，基于對(duì)礦井生產(chǎn)系統(tǒng)安全的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外先后研制出多種類型的計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但由于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本高、功耗高和設(shè)備龐大等特點(diǎn)，不適應(yīng)大多數(shù)中小型煤礦特別是小型煤礦的需求，而當(dāng)前礦難大多數(shù)發(fā)生在中小型煤礦特別是小型煤礦中。因此，為了滿足大多數(shù)中小型煤礦的需求，本論文設(shè)計(jì)了1種關(guān)于煤礦瓦斯?jié)舛葴y(cè)試的新型傳感器。
針對(duì)目前情況設(shè)計(jì)1種井下便攜式瓦斯探測(cè)器，當(dāng)瓦斯氣體濃度接近危險(xiǎn)值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，提醒井下人員立刻離開。該設(shè)備同時(shí)還具備靈敏度調(diào)節(jié)和檢測(cè)強(qiáng)度調(diào)節(jié)開關(guān)，有簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確、實(shí)用等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)是1種基于單片機(jī)控制的瓦斯探測(cè)器，具有簡(jiǎn)單實(shí)用、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。從組成框圖、硬件設(shè)計(jì)以及程序流程及代碼等幾方面對(duì)其進(jìn)行了介紹。
本文采用了氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的1種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。目前，人們對(duì)氣敏傳感器的測(cè)試方法主要停留在用人工手動(dòng)的方式來操作，開發(fā)出1種實(shí)用高效的智能化傳感器測(cè)試裝置是極為必要的。而語音信號(hào)是信息的又1主要載體，如果在這些測(cè)量場(chǎng)合能用語音直接報(bào)出結(jié)果，將給操作人員帶來極大方便，本文就介紹1種新型的氣敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)。
由于各種條件的限制和現(xiàn)有的能力，本論文只進(jìn)行了該系統(tǒng)的基本原理設(shè)計(jì)，要形成產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)銷售，還需做大量的后期工作。
關(guān)鍵詞:瓦斯; 氣敏傳感器；單片機(jī)；
Based on the control of the microcontroller gas concentration sensor design
Abstract
In recent years, based on to the mine pit production system security monitor, domestic and foreign successively developed the many kinds of types the computer monitor system, but because the existing monitor system had the cost high, the power loss high and the equipment is huge and so on the characteristic, the unsuitable majority middle and small scale coal mine specially was the small coal mine demand, but the current ore difficult majority to occur in the middle and small scale coal mine specially is in the small coal mine. Therefore, in order to satisfy the majority middle and small scale coal mine the demand, the present paper has designed one kind about the coal mine gas density test new sensor.
Designs one kind of mine shaft portable gas detector in view of the present situation, when the gas gas density approaches the dangerous value, automatically sends out reports to the police, the reminder mine shaft personnel leaves immediately. At the same time this equipment also has the sensitivity adjustment and the examination intensity regulating cock, has simply, convenient, accurate, is practical and so on the characteristic. This design is one kind the gas detector which controls based on the monolithic integrated circuit, has simply practical, Controllable nature is strong and so on the characteristic. From the composition diagram, the hardware design as well as the procedure flow and the code and so on several aspects have carried on the introduction to it.
This article used had been mad the sensitive sensor, was mad the sensitive sensor was can in the sensation environment some kind of gas and its the density one kind of sensitive component, it the gaseous component, the density and so on the related information transformed the electrical signal, thus was allowed to carry on the examination, the monitoring, reports to the police; Also may through the connection electric circuit and the computer composition automatic detection, controls and the alarm system. At present, the people to were mad the sensitive sensor the test method mainly pauses is using the artificial manual way to operate, develops one kind of practical highly effective intellectualized sensor testing device is extremely essential. But the pronunciation signal is an information main carrier, if can use the pronunciation in these survey situations directly to send out the result, will give the operator to bring enormously is convenient, this article introduced one kind will have the new function the new gas sensitive sensor test system.
關(guān)鍵詞：溫度傳感器，濕度傳感器，GSM，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)
1、引言
高級(jí)別的質(zhì)量檢測(cè)需要在高質(zhì)量的環(huán)境中進(jìn)行。溫度和濕度是環(huán)境的重要參數(shù)，對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)環(huán)境的重要手段。為了避免人為干擾環(huán)境和提高效率，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是一種有效的方法。目前的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用以太網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)[ 1-6]。但是，以太網(wǎng)是有線傳輸，需布線，受地理環(huán)境影響較大；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸誤碼率高，可靠性差；zigbee是專用協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)，成本高，開發(fā)難，而且覆蓋范圍有限。本文提出一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有傳輸誤碼率低、成本低及覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，并且可與監(jiān)測(cè)人員的手機(jī)綁定，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地，移動(dòng)監(jiān)測(cè)。
2、傳感器的數(shù)學(xué)模型
2.1 半導(dǎo)體溫度傳感器原理
根據(jù)PN結(jié)理論，在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度具有很好的線性關(guān)系。對(duì)于理想二極管，只要正向電壓VF大于幾個(gè)KT/q，其正向電流IF與正向電壓VF和溫度T之間的關(guān)系可表示為
(1)
式中IS 為二極管反向飽和電流， K 為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T 為絕對(duì)溫度（K）， q為電子電荷（1.602×10-19庫侖），
整理后，得
(2)
如前所述，晶體管的基極一發(fā)射極電壓在其集電極電流恒定條件下，可以認(rèn)為與溫度呈線性關(guān)系[7]。
2.2 阻抗型高分子濕度傳感器原理
阻抗型高分子濕度傳感器的感濕原理如下：高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移速度增加；同時(shí)吸附的水分子使解離的離子增多，膜電阻隨濕度增加而降低，由電阻變化可測(cè)知環(huán)境濕度。阻抗型高分子濕度傳感器復(fù)阻抗與空氣相對(duì)濕度、材料配方和電極結(jié)構(gòu)都有關(guān)系： 與我有關(guān)系
(3)
其中m為叉指對(duì)數(shù)，b為單個(gè)叉指長(zhǎng)度，n為電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)，f為法拉第常數(shù)，c*為氧化劑濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)[8]。
但由于傳感器的材料配方、電極結(jié)構(gòu)等方面的不同，導(dǎo)致各種不同的阻抗型高分子濕度傳感器的特性曲線有較大差別，不能用統(tǒng)一的曲線來概括。
3、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用先進(jìn)的GSM無線通信技術(shù)、配合以嵌入式解決方案和數(shù)據(jù)采集等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3.1 系統(tǒng)組成及功能
系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)中心站和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端兩個(gè)部分:監(jiān)測(cè)中心站主要有PC主機(jī)、GSM通信模塊TC35i組成（或用戶手機(jī)）；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端主要是由LPC2148ARM內(nèi)核控制器、GSM通信模塊TC35i、信號(hào)調(diào)理電路、人機(jī)接口和通信接口電路組成。監(jiān)測(cè)中心站通過GSM網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)了基于GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、報(bào)警、實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端主要負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、2項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)中心的命令進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。中心對(duì)收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，報(bào)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3.2 溫度檢測(cè)電路
本系統(tǒng)采用AD公司生產(chǎn)的單片半導(dǎo)體集成模擬型溫度傳感器AD590。它具有線性度高、精度高、體積小、響應(yīng)快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),測(cè)溫范圍為-55~+150℃。具有良好的互換性,非線性誤差為±0.3℃。此外,AD590的抗干擾能力強(qiáng),信號(hào)的傳輸距離可達(dá)100 m以上[9]。
流過器件AD590的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：
(4)
式中，—流過器件(AD590)的電流，單位K
AD590的靈敏度為1μA/K,0℃時(shí)輸出273μA電流,每上升1℃輸出電流增加1μA ,每下降1℃輸出電流減小1μA。AD590基本測(cè)溫電路如圖2所示。
圖2 溫度檢測(cè)電路
3.3 濕度監(jiān)測(cè)電路
系統(tǒng)采用CHR-01型阻抗型高分子濕度傳感器，其復(fù)阻抗與空氣相對(duì)濕度成指數(shù)關(guān)系。其基本特性為：工作電壓1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），檢測(cè)范圍20%～ 90% RH，檢測(cè)精度±5%，工作溫度范圍0℃～＋85℃，特征阻抗范圍21 ～ 40.5KΩ。濕度傳感器阻抗變化與溫度有關(guān)，其關(guān)系見規(guī)格書中濕度阻抗特性數(shù)據(jù)表，通常先檢測(cè)溫度，然后按阻抗查表獲得濕度值。由于直流電壓可使水分子電離，加速老化，所以采用交流電壓測(cè)試其阻抗[10]。
將CHR-01與555構(gòu)成多諧振蕩器，通過檢測(cè)頻率，進(jìn)而獲得阻抗。濕度檢測(cè)電路如圖3所示。
圖3 濕度檢測(cè)電路
低電平表達(dá)式：
高電平表達(dá)式：
輸出頻率表達(dá)式：
(5)
利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行頻率測(cè)量，假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)間為T(s)，此期間計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)頻率f=N/T
則CHR-01的阻抗為
(6)
其中R1與C的選擇很關(guān)鍵，電容C要選擇高精度電容，一是保證其充放電的能力，二是為了其電容值精確，更方便計(jì)算濕敏電阻的返回值。
3.4 GSM模塊
本系統(tǒng)采用西門子公司工業(yè)級(jí)GSM模塊TC35i進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。TC35i支持中英文短消息，自帶異步串行通信接口，方便與PC機(jī)和單片機(jī)接口，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過AT命令可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，波特率可達(dá)300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，電源范圍為直流3.3～4.8V，電流消耗為空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)平均為300mA。
3.5 微控制器LPC2148
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 內(nèi)核的微控制器LPC2148作為主控制器，完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的全局控制。論文參考網(wǎng)。LPC2148內(nèi)嵌32KB 的片內(nèi)靜態(tài)RAM 和512 KB 的片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi)集ADC、DAC 轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，2 UART ,及USB2.0等多種接口。具有JTAG調(diào)試接口、方便在線調(diào)試，而且應(yīng)用電路相對(duì)簡(jiǎn)單，開發(fā)和生產(chǎn)的成本低。芯片可以實(shí)現(xiàn)最高60 MHz 的工作頻率，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II 及人性化的人機(jī)界面的要求。大容量的內(nèi)存，方便了收發(fā)短消息時(shí)的數(shù)據(jù)緩沖。
4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用GSM無線通信模塊TC35i實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，TC35i通過AT命令來進(jìn)行控制，采用短消息方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)軟件包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站軟件和監(jiān)測(cè)中心站軟件兩部分?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站軟件主要完成短消息收發(fā)、PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信及人機(jī)接口的功能，其中重點(diǎn)是短消息收發(fā)和PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析，這是解決現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)中心站之間遠(yuǎn)程無線通信的關(guān)鍵。論文參考網(wǎng)。監(jiān)測(cè)中心站的短消息收發(fā)及PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站軟件流程基本相同，不再贅述。
4.1 發(fā)送短消息
發(fā)送短消息的過程:首先將短消息中心號(hào)碼、對(duì)方號(hào)碼、短消息內(nèi)容編碼成PDU格式;然后計(jì)算出短消息的長(zhǎng)度,發(fā)送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回車即ASCⅡ碼0x0D。等待TC35i模塊返回ASCⅡ字符“〉”,則可以將PDU數(shù)據(jù)輸入,PDU數(shù)據(jù)以〈Z〉作為結(jié)束符。短消息發(fā)送結(jié)束后模塊返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。發(fā)送短消息流程圖如圖4所示。
圖4 發(fā)送短消息流程圖
4.2 接收短消息
接收短消息使用定時(shí)器進(jìn)行周期性串口查詢的方式。短消息到達(dá)后,計(jì)算機(jī)可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存儲(chǔ)位置)〈CRLF〉。讀取PDU數(shù)據(jù)的AT命令為AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,執(zhí)行此命令后模塊返回剛剛收到的PDU格式的短消息內(nèi)容。收到PDU格式的短消息后,將這個(gè)短消息進(jìn)行解碼,解碼出短消息發(fā)送方的手機(jī)號(hào)碼、短消息發(fā)送時(shí)間、發(fā)送的短消息內(nèi)容。接收短消息流程圖如圖5所示。論文參考網(wǎng)。
圖5 接收短消息流程圖
6、結(jié)論
為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢所需的優(yōu)質(zhì)環(huán)境，本文研究一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了以LPC2148為核心的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集，短消息收發(fā)及人機(jī)接口等功能，并通過GSM模塊TC35i與監(jiān)測(cè)中心站通信，接受指令并實(shí)時(shí)上傳信息，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)傳輸誤碼率低，通信可靠，具有很好市場(chǎng)前景，也為高效率遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新方法。
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Abstract： We present the capacitance detection circuit which based on the structure analysis of capacitive corn moisture sensor and the relationship between capacitance of capacitive sensor and dielectric constant of corn. In addition， different operating modes of detection circuit are analyzed. The relationship between corn moisture content and sensor capacitance is obtained through experiment and binary cubic equation is obtained by the least square fitting method.
關(guān)鍵詞：玉米水分；水分測(cè)量；電容式傳感器；檢測(cè)電路
Key words： corn moisture；moisture measurement；capacitive sensor；detection circuit
中圖分類號(hào)：TM930.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）03-0194-02
0 引言
玉米水分含量是玉米細(xì)胞的必要組成部分，也是維持玉米細(xì)胞本身生命活動(dòng)所必需的。因此，玉米水分含量既不能過高，也不能過低，要保持適宜。水分過高，重量加重，而且容易引起玉米發(fā)熱、霉變和其他生化反應(yīng)；水分過低，會(huì)破壞有機(jī)物質(zhì)，損壞干物質(zhì)，所以，玉米水分的檢測(cè)是玉米安全存儲(chǔ)的主要環(huán)節(jié)[1，2]。
傳統(tǒng)的水分測(cè)量方法是烘箱法，這種方法準(zhǔn)確度高，適用范圍廣，但是時(shí)間長(zhǎng)，步驟繁瑣，不宜現(xiàn)場(chǎng)使用。近年來，國(guó)內(nèi)外研究各種間接檢測(cè)方法以求取代傳統(tǒng)烘箱法，主要包括電導(dǎo)法、電容法、射線法、中子法、微波法等，一般速度較快，易實(shí)現(xiàn)在線和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[3]。其中電容法是水分檢測(cè)的常用方法，它具有體積小以及檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其高水分時(shí)的重復(fù)測(cè)量精度還有待于提高。
1 電容式傳感器測(cè)量原理
由于所測(cè)玉米為顆粒形狀，裝入容器中存在許多氣隙，因而介電常數(shù)較小。但傳感器的極板有效面積不能太小，因此設(shè)計(jì)中的電容傳感器采用同軸的圓筒型電容傳感器。采用這種傳感器的另一目的是，它的電極是非對(duì)稱的，即內(nèi)極板被外極板所包絡(luò)，這樣可以十分有效地抑制人體感應(yīng)。設(shè)計(jì)的電容式傳感器如圖1所示。
將被測(cè)玉米放入傳感器兩極板間的介質(zhì)空腔，由于玉米含水量不同，從而使電容式傳感器的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，即引起了電容值變化，從而測(cè)出玉米的水分含量。
柱面高為L(zhǎng)，內(nèi)圓柱外表面半徑為R1，外圓柱內(nèi)表面半徑為R2。當(dāng)L>>R2-R1時(shí)，可忽略圓柱兩端的邊緣效應(yīng)影響。
得到同芯柱型電容傳感器的計(jì)算公式[4]為：
由上式可以看出，傳感器電容的變化與玉米相對(duì)介電常數(shù)成線性關(guān)系，而相對(duì)介電常數(shù)隨玉米的水分含量而改變，因此可得到玉米的水分含量。
2 測(cè)量電路
電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這就必須借助于測(cè)量電路測(cè)量出這一微小電容增量，并轉(zhuǎn)換成與其成單值函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或者頻率[7，8]。電容轉(zhuǎn)換電路有電容充放電式電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路、普通交流電橋法、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調(diào)制電路等[9]。
本論文討論的是利用傳感器電容的充電和放電的原理，將電容轉(zhuǎn)換為電壓，根據(jù)測(cè)量的電壓來得到傳感器的電容[10]。
電容的充電過程：電壓Vi對(duì)電容C進(jìn)行充電，t是指充電的時(shí)間，RC的乘積是時(shí)間常數(shù)，充電方程為
該測(cè)量電路是利用傳感器電容的充電和放電的原理，使輸出信號(hào)隨電容傳感器的電容量變化而變化，經(jīng)過差分運(yùn)放電路、同相比例運(yùn)放電路、低通濾波器可得到對(duì)應(yīng)于傳感器電容變化的直流電壓信號(hào)。電容式傳感器檢測(cè)電路如圖2所示，圖3所示為電容充電時(shí)等效檢測(cè)電路，圖4所示為電容放電時(shí)等效檢測(cè)電路。
3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理分析
實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的，不考慮溫度變化的影響。使用檢測(cè)電路測(cè)量出了樣品的電容值，并使用烘干法得到了樣品的含水量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到玉米含水量與電容值的關(guān)系曲線如圖5所示。由曲線可以看出，隨著玉米含水量的增加，其對(duì)應(yīng)的電容值也隨之增大。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合出電容x（nF）與玉米的水分含量y（%）的二元三次方程，如式（6）所示。
y=-0.000054149x3-0.0089798x2+0.63413x+11.4539
（6）
4 結(jié)論
本文準(zhǔn)備了多組樣品，并通過實(shí)驗(yàn)得到了樣品的含水量及對(duì)應(yīng)的電容值的關(guān)系曲線。由曲線可得出，根據(jù)測(cè)量電路測(cè)出的未知水分樣品的電容值，可以得到樣品的含水量，并且與實(shí)際烘干法測(cè)量的樣品含水量相比誤差很小。由此可以得出，本論文討論的電容式傳感器及其測(cè)量電路測(cè)量玉米水分的精確度比較高，適合玉米水分的精確測(cè)量。
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關(guān)鍵詞：智能車輛；環(huán)境感知；傳感器；多傳感器信息融合
中圖分類號(hào)：E91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
隨著社會(huì)的進(jìn)步，汽車成為人們出行必不可少的交通工具，車輛堵塞、交通事故等問題也日益顯現(xiàn)。汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)造成了公共交通效率低下、交通事故頻發(fā)。建立起現(xiàn)代化的智能交通系統(tǒng)便被提到日程上來。智能車輛（Intelligent Vehicles， IV）作為智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，也是系統(tǒng)的運(yùn)行主體，能夠提高駕駛安全性，大幅改善公路交通效率，降低能源消耗量，由于眾多優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的研究日益受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。
智能交通系統(tǒng)能夠有效緩解交通壓力，合理調(diào)配公共交通資源和道路資源。基于機(jī)器傳感技術(shù)和控制技術(shù)，駕駛系統(tǒng)采用信息傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)監(jiān)測(cè)道路路面、交通標(biāo)志、其他車輛、行人以及交通事故等道路環(huán)境狀況，有效保證智能車輛在各種路況下的安全行駛，并能對(duì)一些異常狀況進(jìn)行及時(shí)處理。在過去的10多年里，相關(guān)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，有些國(guó)家已經(jīng)成功開發(fā)了一些基于視覺的道路識(shí)別和跟蹤系統(tǒng)。其中，具有代表性的系統(tǒng)有：LOIS系統(tǒng)、GOLD系統(tǒng)、RALPH系統(tǒng)、SCARF 系統(tǒng)和ALVINN系統(tǒng)等。從這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用便可看出，感知外部環(huán)境模塊是智能車輛的核心技術(shù)。
二、環(huán)境感知傳感器在智能車輛上的應(yīng)用現(xiàn)狀
智能車輛在道路上暢行離不開相應(yīng)的傳感技術(shù)，其中最重要的是道路環(huán)境感知模塊，該模塊將先進(jìn)的通訊技術(shù)、信息傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來系統(tǒng)利用。智能車輛系統(tǒng)主要有環(huán)境感知模塊、分析模塊、控制模塊等部分組成。環(huán)境感知傳感系統(tǒng)主要由機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、超聲波傳感器和紅外線傳感器組成。
（一）機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)
機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)是指智能車輛利用CCD等成像元件從不同角度全方位拍攝車外環(huán)境，根據(jù)搜集到的視覺信息，識(shí)別近距離內(nèi)的車輛、行人、交通標(biāo)志等。機(jī)器視覺也有其弱點(diǎn)，容易受到環(huán)境的影響，在能見度較低時(shí)效果不理想，因此，在傳感器類別中屬于被動(dòng)型。與雷達(dá)系統(tǒng)相比較，視覺識(shí)別系統(tǒng)價(jià)格低廉，一輛車上可以安裝多處，監(jiān)測(cè)范圍更大，搜集道路信息更為全面，通過對(duì)其所得的圖像進(jìn)行處理可以識(shí)別、檢測(cè)周圍路況，這些也是主動(dòng)型傳感器無法替代的。所以越來越多的人對(duì)利用機(jī)器視覺感知車輛行駛環(huán)境產(chǎn)生很大的興趣，該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見，普及率最高，機(jī)器視覺在智能車輛研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用， 成為最受歡迎的傳感器之一。
（二）雷達(dá)系統(tǒng)
雷達(dá)系統(tǒng)是一種主動(dòng)型傳感器，利用微電磁波探測(cè)目標(biāo)距離、速度、方位等。雷達(dá)不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)與繁復(fù)的計(jì)算。雷達(dá)系統(tǒng)的使用不受光線、天氣等因素干擾，無論是白天還是黑夜，晴天或者下雨，雷達(dá)系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于雷達(dá)是靠電磁波反射原理來工作的，這會(huì)導(dǎo)致相近的不同雷達(dá)間電磁波相互干擾而影響工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷達(dá)在準(zhǔn)確提供遠(yuǎn)距離的車輛和障礙物信息方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此在車輛的防碰撞系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
（三）超聲波傳感器
顧名思義，超聲波傳感器是指利用超聲波為檢測(cè)方法的傳感器。使用超聲波探測(cè)得來的的數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、快速，超聲波傳感器可以發(fā)射定向長(zhǎng)生波，能夠在較小范圍內(nèi)檢測(cè)到物置。這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上比較廣泛和成熟。汽車工業(yè)上的利用首見于在歐洲銷售的的BMW 車上的超聲波停車裝置。這種系統(tǒng)利用一片單片機(jī)進(jìn)行控制，超聲波遇到障礙反射回傳后，根據(jù)傳感器探測(cè)距離發(fā)出不同的提示音。
（四）紅外線傳感器
紅外線傳感器是利用紅外線來進(jìn)行測(cè)量工作的傳感器，技術(shù)更加先進(jìn)。紅外線傳感器不受黑暗、風(fēng)、沙、雨、雪、霧的阻擋，環(huán)境適應(yīng)性好，且功耗低。這些特點(diǎn)使它遠(yuǎn)超其他傳感器。與超聲波傳感器相比，反應(yīng)速度更快，探測(cè)范圍更廣，由于其探測(cè)視角小，方向性和測(cè)量精度有所提高。與機(jī)器視覺結(jié)合使用，紅外線傳感器可以增強(qiáng)機(jī)器視覺識(shí)別的可靠性，使黑夜如同白晝，因此常被用于智能汽車中的夜視系統(tǒng)中。
三、多傳感器的綜合利用
在復(fù)雜的路況環(huán)境下，單一傳感器都有其局限性，僅僅安裝單一傳感器難以提供路況環(huán)境的全面描述，因此設(shè)計(jì)智能車輛必須配置多種傳感器。例如夜間行駛時(shí)紅外線傳感器是必不可少的；而停車、倒車時(shí)主要使用超聲波、雷達(dá)探測(cè)周邊障礙物的遠(yuǎn)近；機(jī)器視覺除日常應(yīng)用外與其他傳感器結(jié)合起來可以使得智能車輛駕駛安全性更加可靠。
隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)步，智能車輛技術(shù)研究中多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用取得了許多令人振奮的成果。如車載系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)、歐洲的Peugeo系統(tǒng)、美國(guó)的IVHS系統(tǒng)等。Tsai-Hong Hong等利用激光傳感器采集圖像獲得車輛前方的距離信息，在正常的路況環(huán)境下，采用彩色攝像機(jī)與激光傳感器聯(lián)合感知道路表面和定位道路邊界。這些技術(shù)經(jīng)過不斷改進(jìn)，相信在不久的將來引起汽車工業(yè)的革命。
四、結(jié)語
在智能車輛的環(huán)境感知模塊技術(shù)研究中，傳感器是智能車輛控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。如何使傳感器技術(shù)更好的應(yīng)用到汽車行業(yè)上來，未來將成為傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。
整合各種類型的傳感器技術(shù)，使其為智能車輛提供更加真實(shí)可靠的路況環(huán)境信息，對(duì)智能汽車技術(shù)的發(fā)展來說是至關(guān)重要的。由于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境所得到信息大多數(shù)都是不確定信息，傳感器回饋信息融合還原真實(shí)路況還有很大的困難。
縱觀全球，我國(guó)的智能車輛研究工作還處于起步階段，同歐美日等相比還很落后。但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量不斷膨脹，嚴(yán)峻的交通現(xiàn)狀迫使我們把發(fā)展智能交通盡早提到日程上來，只要我們勇于創(chuàng)新，結(jié)合我國(guó)具體國(guó)情，不斷進(jìn)行深入、細(xì)致的研究，我國(guó)智能化交通必能早日實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞： CPLD；正交磁通門傳感器；水平定向?qū)Ш?/p>
中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2013）17-0037-02
0 引言
磁通門傳感器是一種利用磁飽和法測(cè)量弱磁場(chǎng)的傳感器，廣泛應(yīng)用于地磁測(cè)量、空間磁場(chǎng)測(cè)量、飛行器控制等[1]。以往的磁通門傳感器電路復(fù)雜，分立元件使用量大，這使得電路參數(shù)受溫度影響較大且調(diào)試?yán)щy。為了解決這種問題，本文設(shè)計(jì)了一種采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的正交磁通門傳感器，減少了電路的復(fù)雜程度，并且易于調(diào)試，取得很好的效果。
1 磁通門二次諧波法原理
磁通門現(xiàn)象，簡(jiǎn)單的說就是一種變壓器效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)與變壓器類似，但是與普通電器設(shè)備中變壓器效應(yīng)不同的是磁通門探頭的變壓器效應(yīng)是對(duì)被測(cè)量的磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制。磁通門直接檢測(cè)目標(biāo)的方式十分簡(jiǎn)單，即探頭感應(yīng)測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)在其軸向的分量[2]。磁通門探頭的鐵心通常都是由高導(dǎo)磁材料如坡莫合金制成的[3]，在其外部纏繞勵(lì)磁線圈以及測(cè)量線圈。磁通門鐵心可以采用柱形、跑道型或環(huán)形的形狀。
由以上分析可以看出：待測(cè)磁場(chǎng)的感應(yīng)電壓大小只與偶次諧波有關(guān)，且高次諧波是逐級(jí)衰減的，因此采用二次諧波來測(cè)量磁場(chǎng)。
2 磁通門傳感器測(cè)角原理
如果取二次諧波，采用環(huán)形鐵心，正交的測(cè)量線圈方式，則e為測(cè)量線圈法線方向與被測(cè)磁場(chǎng)平行時(shí)的大小。若有夾角，如圖2所示。
電動(dòng)勢(shì)相位差？茲即為線圈與地磁場(chǎng)夾角，度量出它就可以度量方位角。
3 正交磁通門傳感器的硬件設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)的總體思路是：通過分頻激勵(lì)磁通門探頭， 磁通門探頭輸出測(cè)磁場(chǎng)軸向的分量相關(guān)的信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過放大、移相、求和、濾波等電路，再經(jīng)過基于CPLD的整形、鑒相電路的處理，將其轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號(hào)，其整體的框圖如圖3所示。
3.1 激勵(lì)發(fā)生電路 采用有源晶體振蕩器作為頻率源，因其具有非常穩(wěn)定的固有頻率，可以保證頻率的穩(wěn)定性。分頻器對(duì)晶振信號(hào)分別進(jìn)行360分頻和720分頻，得到頻率為f的方波信號(hào)作為鑒相基準(zhǔn)信號(hào)，以及頻率為f/2的方波信號(hào)作為磁通門傳感器的激勵(lì)信號(hào)。
3.2 功率放大電路 由于從CPLD出來的方波信號(hào)功率較小，不足以激勵(lì)線圈使磁芯達(dá)到周期性的過飽和狀態(tài)。因此，在CPLD產(chǎn)生穩(wěn)定的方波信號(hào)后面，需要配置功率放大電路，可采用集成運(yùn)放構(gòu)成的放大電路。
3.3 移相電路 由設(shè)計(jì)思路可知，磁環(huán)次級(jí)的兩個(gè)測(cè)量繞組產(chǎn)生的二次電壓分量，一路需要經(jīng)移相器移相90°與另一路信號(hào)合成，此處移相90°由一階全通網(wǎng)絡(luò)完成。
其振幅頻率特性和相位頻率特性分別為：
3.4 求和放大電路 磁環(huán)次級(jí)的兩個(gè)測(cè)量繞組產(chǎn)生的二次電壓分量，一路經(jīng)移相器移相90°與另一路信號(hào)合成，兩路信號(hào)輸入至求和電路。求和電路采用同相求和運(yùn)算電路。
3.5 帶通濾波電路 由求和放大電路輸出的合成信號(hào)包含有二次諧波分量和其他諧波分量，其中有用的是二次諧波分量，而其他諧波分量可看做噪聲信號(hào)，其中幅度最大的是基波和三次諧波，其頻率分布在探頭輸出信號(hào)幅值最大的二次諧波兩邊。所以采用二階有源帶通濾波器，其中心頻率為15KHz。帶通濾波器提取并放大了二次諧波分量，有效地除去了噪聲信號(hào)。
3.6 其他電路 電路中分頻器電路、鑒相器電路、計(jì)數(shù)輸出電路及其他數(shù)字電路部分均集成在CPLD芯片 EPM7128S上，通過仿真測(cè)試，符合電路要求。CPLD分頻器仿真波形如圖4所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測(cè)試過程為對(duì)磁通門傳感器的水平測(cè)試，記錄脈沖讀數(shù)。本實(shí)驗(yàn)需要用到一種無磁轉(zhuǎn)臺(tái)作為角度基準(zhǔn)[6]。首先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)，將其調(diào)至水平了，將磁通門傳感器放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)節(jié)磁通門位置，使磁通門傳感器的輸出計(jì)數(shù)值為0。以60°為轉(zhuǎn)動(dòng)間隔，分別正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)無磁轉(zhuǎn)臺(tái)一周，通過示波器讀出脈沖個(gè)數(shù)（即航向角數(shù)值），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可以看出，磁通門傳感器存在零誤差，該誤差主要來源于激勵(lì)磁場(chǎng)的電壓或者電流中不對(duì)稱分量引起的，即偶次諧波成分的影響或外部雜散磁場(chǎng)。因此為了提高激勵(lì)的對(duì)稱度，我們要采用高穩(wěn)定度、電源去耦的振蕩器。外部雜散磁場(chǎng)主要由周圍環(huán)境中的鐵磁材料的干擾所引起。因此，探頭可以采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧褂弥羞h(yuǎn)離外界磁場(chǎng)及鐵磁物質(zhì)，減小外磁場(chǎng)的影響。
5 結(jié)論
測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器航向角最大誤差為1°，分辨率最低0.1°，精度1°，所設(shè)計(jì)的磁通門傳感器具有良好的性能，滿足設(shè)計(jì)要求。利用CPLD進(jìn)行電路整合，具有調(diào)試方便，誤差小，成本低等特點(diǎn)。
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