第十章智能傳感器

第10章智能傳感器10.1智能傳感器及無線傳感器網絡

10.2物聯(lián)網及物聯(lián)網傳感器

10.3智能傳感器的結構框圖10.4信號處理與μP接口技術10.5智能傳感器中的數(shù)據處理10.6智能傳感器的設計

思考題與習題

10.1智能傳感器及無線傳感器網絡

迅速發(fā)展的微處理機技術推動和影響著其他技術領域的變革。把微處理機技術引入傳感器，可以使傳感器實現(xiàn)過去實現(xiàn)不了的功能，具有智能本領，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是構成智能傳感器的關鍵。圖10.1示出了這種設計的簡單框圖。圖10.1將微處理機引入傳感器的簡單框圖由圖10.1可見，傳感元件(這里一般包括對模擬量進行處理、修正、補償?shù)鹊碾娐?的輸出(一般是模擬量)進行數(shù)字變換后送入微處理機，微處理機按照這個輸入信號，通過預先編制的程序進行數(shù)據處理，并把輸出送到CRT顯示或送到磁盤、打印機進行記錄，或送到高一級計算機與其他數(shù)據一起進行綜合處理。此外，微處理機還可以把傳感元件框圖中包含的電路與輸入端斷開，通過微機進行漂移修正、零點或增益調整，或對環(huán)境條件的變動進行補償。如果把框圖中的各部分構成一個整體，組裝在同一殼體內，那么從整體來看，就是一個智能化的傳感器。如果把各部分通過超大規(guī)模集成電路集成在一起，那么就構成了更高級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構，它將智能傳感器的各部分通過一定的工藝，分層集成在一塊半導體硅片上。圖10.2集成一體化的智能傳感器的結構近幾年發(fā)展起來的無線傳感器網絡是智能傳感器的又一深層次研究，是又一個新的飛躍。

無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks,WSN)是計算機、通信和傳感器這三項技術相結合的產物。智能傳感器等信息獲取技術和傳送技術的進步為傳感器網絡的發(fā)展和應用創(chuàng)造了有利條件。無線傳感器網絡由于其展開快速、抗毀性強、監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點而應用前景廣闊，已成為當前信息領域的研究熱點之一。無線傳感器網絡將成為影響人類未來生活的重要技術之一，將應用到各個領域。在軍事上，無線傳感器網絡可用來建立一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)。無線傳感器網絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中損壞而導致整個系統(tǒng)崩潰，也正是基于這些特點，無線傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，通過聲敏、壓力、熱釋電紅外等傳感器偵探敵方陣地動靜，人員、車輛行動情況，實現(xiàn)戰(zhàn)場實時監(jiān)督、戰(zhàn)場損失評估等。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，則醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的情況，進行遠程監(jiān)控，掌握他們的身體狀況，如實時掌握體溫、血壓、血糖、脈搏等情況，一旦發(fā)生危急情況可在第一時間實施救助，也可實現(xiàn)在人體內植入人工視網膜(由傳感器陣列組成)，讓盲人重見光明，無線傳感器網絡將為未來的遠程醫(yī)療提供更加方便、快捷的技術實現(xiàn)手段。在商業(yè)上，無線傳感器網絡可實現(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)行機構組成的無線網絡與Internet連接在一起將會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，如工廠自動化生產線、倉儲管理、檢測監(jiān)控等方面都將有全新的設計和應用模式。在環(huán)境保護上，隨著人們對生存的自然環(huán)境日益重視，環(huán)境科學所涉及的范圍也越來越廣泛。通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據變得越來越困難，無線傳感器網絡為野外隨機性的研究數(shù)據獲取提供了方便，可以實現(xiàn)諸如野生動植物棲息地生態(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、水災預警等作用。在農業(yè)上，無線傳感器網絡可監(jiān)測農作物中的病蟲害、土壤的酸堿度、施肥狀況、土壤濕度以及實現(xiàn)灌溉等自動化?？梢灶A料，無線傳感器網絡技術將會不斷地產生新的應用模式，開辟新的應用領域，從各個方面將給人們的生活帶來深遠的影響。

無線傳感器網絡的簡略體系結構圖如圖10.3所示。圖10.3無線傳感器網絡的簡略體系結構圖無線傳感器網絡的研究正方興未艾，有興趣的讀者可參閱有關無線傳感器網絡文獻資料。

智能傳感器與一般傳感器相比，具有以下幾個突出優(yōu)點。

(1)研究與開發(fā)傳感器的自由度大。

(2)精度高。

(3)具有一定的可編程自動化能力。

(4)輸出形式多。

(5)功能價格比大。

10.2物聯(lián)網及物聯(lián)網傳感器

目前，物聯(lián)網及物聯(lián)網傳感器已成為一個新的研究熱點。

物聯(lián)網(theInternetofThings)也稱傳感網，其定義是：通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”。如果說無線傳感器網絡(WSN)是計算機、通信和傳感器三項技術相結合的產物，那么物聯(lián)網就可看成是計算機、通信、射頻識別、全球定位系統(tǒng)、互聯(lián)網和物聯(lián)網傳感器多項技術相結合的產物。物聯(lián)網的概念自1999年提出以來，越來越受到世界各國特別是發(fā)達國家的高度重視?，F(xiàn)在，物聯(lián)網已被正式列為我國五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)(新能源；傳感網、物聯(lián)網；微電子、光電子、新型材料；運用生命科學推動農業(yè)和醫(yī)藥產業(yè)；空間、海洋、地球深部探索)之一，寫入政府工作報告。物聯(lián)網在我國受到了全社會極大的關注，許多高等學校相繼設置了物聯(lián)網工程等相關專業(yè)，著力培養(yǎng)國家物聯(lián)網等戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展急需的物聯(lián)網人才。

作為物聯(lián)網的重要組成部分，物聯(lián)網傳感器早已滲透到諸如工業(yè)自動化、智能家居、航天航空、海洋探測、環(huán)境保護、資源利用、醫(yī)學診斷、生物醫(yī)學工程甚至文物保護等等廣泛的領域。物聯(lián)網傳感器是在智能傳感器的基礎上進一步完善研制而成的。目前開發(fā)的物聯(lián)網傳感器有：無線幕簾控制器；無線調光器；紅外動作感應器；無線可燃氣體探測器；無線煙感探測器；無線有毒氣體探測器；電流監(jiān)測插座；無線溫度感應器；無線移動感應器；無線窗戶感應器；無線防盜報警器；無線光線感應器；無線門磁感應器；無線開關控制器；ZigBeeRF模塊；無線溫濕度傳感器；無線壓力傳感器；等等。

圖10.4所示為物聯(lián)網在智能家居中的簡單應用例子。圖10.4物連網在智能家居的簡單應用

10.3智能傳感器的結構框圖

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，但其結構模塊大致一樣。下面我們以智能壓力傳感器為例，介紹它的結構框圖。圖10.5示出了一種智能壓力傳感器的結構框圖。圖10.5智能壓力傳感器的結構框圖10.3.1

μP主機模板

μP主機模板主要由CPU、存儲器(ROM、RAM、EPROM)、串行通信接口、地址譯碼器、時鐘發(fā)生器、地址總線(AB)、數(shù)據總線(DB)、控制總線(CB)等組成。

μP是智能傳感器的神經中樞，其性能不但影響傳感器的硬件電路、接口設計、模塊數(shù)目，而且影響傳感器的成本高低。因此，在智能傳感器設計時，應參照如下原則來選擇μP。

(1)根據任務選機型。根據所研制的智能傳感器是用于數(shù)據處理完成某些測量任務，還是用于某種系統(tǒng)控制，對于不同的任務，應選擇不同的機型。例如，MCS-51系列單片機的指令系統(tǒng)比較豐富，具有較強的控制及處理能力，而MCS-96系列單片機則包括高性能的16位CPU、8KB的程序存儲器、232B的數(shù)據存儲器、功能豐富的I／O端口和10位A／D轉換器，數(shù)據處理能力更強。又如，權衡各方面，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。電子技術日新月異，32位的高性能處理器價格不斷下跌。嵌入式技術的發(fā)展速度隨著高性能且低價格的處理器芯片上市速度的加速而加速。

表10.1是32位ARM內核處理器與C51單片機性能比較情況。表10.1

32位ARM內核處理器與單片機性能比較比較之后我們會發(fā)現(xiàn)，32位ARM處理器的性能較傳統(tǒng)的51單片機高，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，在很多場合都可以用一個芯片包容用戶所需要的全部資源，根本不用擴展其他資源。它們不但電路簡單易行，風險較小，而且產品價格也能控制在最理想狀態(tài)。

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

(3)依據用途定速度。μP的處理速度取決于時鐘頻率、執(zhí)行給定指令所用周期數(shù)、指令系統(tǒng)。應依據智能傳感器的實際用途，確定μP的處理速度。如果傳感器用于動態(tài)測量,則μP的處理速度不能低于傳感器的響應速度，而當用于靜態(tài)測量時可降低一些要求。10.3.2模擬量輸入模板

傳感器的輸出一般為毫伏數(shù)量級模擬量。要滿足A／D轉換電路的要求，還必須經過模擬量輸入模板上有關電路的放大、處理，再經A／D轉換電路傳輸?shù)街鳈C板上。

10.3.3

IEEE-488標準總線模板

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標準總線(GeneralPurposeInterfaceBus，GP-IB)，能使智能傳感器從機械上、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)或自動測試系統(tǒng)。

IEEE-488標準總線共有16根信號線：8根雙向數(shù)據總線；3根掛鉤線，即數(shù)據有效線DAV、未準備好接收數(shù)據線NRFD、未收到數(shù)據線NDAC；5根管理線，即注意線ATN、接口清除線IFC、實行遠控線REN、服務請求線SRQ、結束與識別線EOI。IEEE-488標準總線如圖10.6所示。該總線可以與帶有IEEE-488標準接口的計算機、電壓表、電源、信號源等智能儀器相連，完成各種功能。IEEE-488標準接口中的收發(fā)器采用Intel8291、Intel8292、Intel8293等芯片，詳細內容可參閱自動測試系統(tǒng)方面的相關資料。圖10.6

IEEE-488標準總線10.3.4接口模板

1.數(shù)字顯示

通過數(shù)字顯示可以直接讀出智能傳感器輸出量的大小。為了符合人們的習慣，通常用七段發(fā)光二極管(LED)按十進制計數(shù)方式顯示測量結果。LED顯示器有共陽極型和共陰極型，所加電壓一般是1.6V或2.4V，使用時要調整驅動電路以及限流電阻(100～800Ω)，使工作電流不超過正常范圍(10～20mA)。傳感元件的輸出經轉換電路加到μP，再通過μP的輸出端口，經譯碼器、驅動電路，使LED顯示。液晶顯示器(LCD)近年來發(fā)展很快，目前已有標準段式LCD模塊、內藏驅動與控制器的標準段式LCD模塊、標準字符點陣式LCD模塊、標準圖形點陣式LCD模塊等多個品種面市。LCD具有平板顯示、結構輕薄、電壓低、功耗小等優(yōu)點。點陣式LCD已廣泛應用于筆記本式計算機、臺式計算機和智能傳感器中。

2.打印輸出

必要時應配備打印機。打印輸出可以作為永久性記錄保存，還可記錄瞬時測量值、累加值、周期、批號等用戶感興趣的信息。打印機的選用應從性能價格比等方面考慮。

3.接口電路

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

10.4信號處理與μP接口技術

10.4.1傳感器輸出信號的類型

在智能傳感器系統(tǒng)中，接收傳感器的輸出信號并進行加工處理的是微處理機。微處理機常常要求輸入信息的形式是一定字長的并行脈沖信號，即一組二進制數(shù)字信息。然而，傳感器的輸出電信號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形式不同，因此必須采用不同的處理和轉換方法，把這些信號經過某些預處理并轉換為便于微處理機接收的數(shù)字信號。圖10.7傳感器輸出信號的類型如果傳感器輸出的是數(shù)字信號，則微處理機接收之前的預處理和轉換就方便得多。在數(shù)字信號中，開關信號是最簡單的形式，它有觸點式與無觸點式兩種。觸點式開關信號可采用隔離電路，使電平輸出端與觸點一側在電氣上完全絕緣，以防干擾的引入，同時可用硬件或軟件的方法來消除機械觸點的抖動，以增加可靠性；無觸點式開關信號一般為電壓信號，可用積分電路或施密特電路來提高輸出的抗干擾能力。在考慮了電平、阻抗等匹配問題以后，開關信號可直接引入微處理機的某些端口。其他數(shù)字輸出信號與微處理機的連接也很方便，這里不再介紹。10.4.2傳感器輸出的模擬信號的處理

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

1.電壓信號的預處理

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

儀表(數(shù)據)放大器具有很高的輸入阻抗(一般高達109Ω以上)、較低的失調電壓(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120dB)、穩(wěn)定的增益以及低的輸出阻抗。目前國內外不少廠家有產品供應，如國產型號有749廠的ZF604、ZF605、ZF606，北京半導體器件研究所的BG004等，國外型號有AD605等。所謂隔離，就是在信號傳輸電路中，在保證信號傳輸通暢的同時，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如下：

(1)由于具有內部保護裝置，因此能抵抗輸入端點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)或設備隔離保護。隔離放大器的耦合方式可以是熱、磁、光等。目前國內外已生產出許多專用的隔離放大器，如國產型號有北京半導體器件一廠的GF289、B-GF01等，國外同類產品型號有AD289、AD275等。

2.電壓信號的模/數(shù)轉換

1)采樣保持(S／H)

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

以8位分辨率的ADC0809芯片來說，設其輸入電壓幅度UFS為0～5V，轉換時間為100μs，它允許的輸入電壓最大變化率為

當Ux為正弦變化的信號，即Ux=Um

sinωt，其最大變化率發(fā)生在過零時，有

于是有

因此，Ux的最高頻率f'max受到限制。當Um=UFS時，可得

則ADC0809芯片的f'max=6.22Hz。

顯然，直接用ADC對模擬電壓進行采樣與量化的方法只適合于直流與低頻信號。當輸入ADC的電壓變化率較大時，必須采取措施，在ADC之前加入一個S／H。S／H在某個規(guī)定的時刻接收輸入電壓，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轉換。這樣，上述問題就可得到解決。參考文獻［10］中進行了詳細計算，在ADC0809前加入AD582采樣保持芯片時，f'max可提高到約4kHz?？梢姡猛环NADC芯片，在其前插入S／H后，允許輸入信號的頻率將大大提高。

在模擬信號采集系統(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實驗來確定的。對工業(yè)過程的參數(shù)，如流量、壓力、溫度等，采樣周期的選取可參考表10.2所列出的經驗數(shù)據來確定。表10.2工業(yè)過程某些物理量的采樣周期選取范圍

2)A／D轉換器

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

(1)雙積分A／D轉換器。精度高，抗干擾性能好，價格便宜，但轉換速度較低。

(2)計數(shù)比較A／D轉換器。結構簡單，成本低，轉換速度慢，對于變化較快的輸入模擬量，會出現(xiàn)跟蹤不上的現(xiàn)象。

(3)逐次逼近A／D轉換器。精度與價格均適中，轉換速度較快。

(4)并行A／D轉換器。硬件復雜，價格高，是一種用編碼技術實現(xiàn)的快速A／D轉換器。

A／D轉換器的主要性能指標有：輸入條件、分辨力、轉換速度、線性、穩(wěn)定性、輸出代碼和附加功能等。下面簡單介紹前四項指標的定義及內涵。

①輸入條件。輸入條件就是模擬信號轉換成數(shù)字信號時，模擬信號的輸入條件。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轉換速度。轉換速度就是將模擬輸入信號轉換成數(shù)字信息的速度。嚴格地說，轉換速度是轉換所需時間的倒數(shù)，但習慣上卻大多直接用轉換所需的時間來表示。A／D轉換器的工作原理不同，轉換速度差別很大，如以轉換所需時間表示，一般為幾十納秒到幾百毫秒。

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

A／D轉換器的線性關系微分(非)線性的定義表示各個通道的通道寬度的誤差大小，其數(shù)學表達式為

以圖10.9(b)為例，假定平均通道寬度為1.0，則

可見，微分(非)線性是極壞的。(10.1)

3)與微機的接口

各種型號的A／D轉換器芯片均設有數(shù)據輸出引腳、啟動轉換引腳、轉換結束引腳等。在使用時，要正確處理好上述引腳與CPU之間的硬件連線。A／D轉換器的某些產品注明能直接和CPU配接，這是指A／D轉換器的數(shù)據輸出線可直接掛到CPU的數(shù)據總線上，說明該轉換器的數(shù)據輸出寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，轉換結束，CPU可用輸入指令讀取數(shù)據。一般8位A／D轉換器均屬此類。而10位以上的A／D轉換器，為了能和8位的CPU直接配接，輸出數(shù)據寄存器增加了讀數(shù)控制邏輯電路，把10位以上的數(shù)據分時讀出。對于內部不包含讀數(shù)控制邏輯電路的A／D轉換器，則在它和8位CPU相連時，應增加三態(tài)門，以控制10位以上數(shù)據分兩次進行讀取。A／D轉換器需外部控制啟動轉換信號，方能進行轉換，這一啟動信號由CPU提供。不同型號的A／D轉換器對啟動轉換信號的要求不同，分脈沖啟動和電平控制啟動兩種。轉換結束信號的處理是由內部轉換結束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉換結束標志電平，通知CPU讀取轉換結果的數(shù)字量。CPU從A／D轉換器讀取數(shù)據的聯(lián)絡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轉換器的轉換速度和用戶程序的安排。圖10.10給出了單片機8031與逐次逼近式ADC0809轉換器的硬件連接圖。由于ADC0809轉換器內部設有三態(tài)輸出鎖存器，因此可以直接與MCS-51單片機相連接。圖10.10單片機與ADC0809的硬件連接

3.D／A轉換器

當需要傳感器起控制作用時，D／A轉換器是必不可少的。目前商品化的D／A轉換器多數(shù)采用R-2RT型解碼網絡和MOS或TTL型電流開關結構，其輸出量與數(shù)字輸入量成正比。數(shù)字輸入量常為二進制式，有純二進制編碼、二的補碼及BCD碼等。D／A轉換器的種類很多,按其能否直接與CPU相連接而分為兩類。一類不帶輸入數(shù)據寄存器，如AD7520(10位分辨力)、AD7521(12位分辨力)和DAC0808等。這類D／A轉換器結構簡單，價格便宜，但與CPU相連接時，必須設置數(shù)據鎖存器，以便使輸入的數(shù)據保持一定時間。另一類則在芯片內部集成有輸入數(shù)據寄存器及片選信號、寫信號等電路，如AD7524、DAC0832等。它們可以直接與CPU相連，可作為MCS-51系列單片機的一個外部I／O擴展口，使用起來十分方便。通常D/A轉換器的輸出電壓范圍有：0～5V、±2.5V、±5V、±10V。對于控制中所要求的某些非標準范圍的輸出，可采用增益可調的運算放大器，對DAC轉換器的輸出進行調整。

在D／A轉換器選定以后，輸出電壓就可以根據要求確定。現(xiàn)以8位D／A轉換器，要求輸出電壓從0到1V為例加以說明(采用8位純二進制編碼)。因為有8位，可提供0～255種不同的值，所以輸出可分為256個不同的級，每級為0.00390V或3.9mV，即可根據D／A轉換器任一輸入值x確定輸出電壓的大?。?/p>

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

D／A轉換器的輸出電壓圖10.11為MCS-51系列單片機8031與DAC0832連接的示意圖。DAC0832是由輸入數(shù)據寄存器、DAC寄存器和D／A轉換器所組成的CMOS器件。其最大特點是片內設有兩個獨立的8位寄存器(輸入數(shù)據寄存器和DAC寄存器)，因而具有雙緩沖作用。被轉換的數(shù)據寄存在DAC寄存器中，下一組輸入數(shù)據又可裝入輸入數(shù)據寄存器中，這就可根據需要快速修改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)據處理

10.5.1查表與搜索

1.線性搜索

這是一種對無序表進行搜索的最簡單、最慢的方法。搜索開始后，按順序掃描表中的每一項，逐個比較，逐個查對，直到找到所要求的記錄為止。若有一含N個數(shù)的數(shù)組，線性搜索的平均搜索次數(shù)D=N／2，則當N很大時，搜索次數(shù)就很多，搜索時間就很長。

2.對分搜索

對分搜索是一種較常用的方法，它可以大大減少搜索次數(shù)，縮短搜索時間。但要求表格中數(shù)據(或字符)的排列是有次序的。例如，對于數(shù)，要求它按大小排列；對于字符，則要求按其ASCII碼值的大小排列。因此，對一個無次序的表格，首先要設法加以排列(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參數(shù)隨時間變化不太快，同時，后一次的測量值絕大部分又都在前一次測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始，而是從前一次測量值所對應的表格地址開始搜索。這便是跟蹤搜索法的設想。其搜索步驟是：一個輸入量首先與前一次測量值所

對應的表格數(shù)據進行比較。若相等，則此搜索值被找到；若不等，則把前一次測量值對應的表格地址作為起始地址，再把表格中的數(shù)據從上到下(或從下到上)依次取出，與輸入量進行比較，直到找到數(shù)據為止。所以，跟蹤搜索的數(shù)據更新率高，總搜索次數(shù)最多為兩次，與表格數(shù)目N無關，速度最快，程序簡單。

上述幾種搜索的程序流程圖和編程在有關微機原理及其程序設計的書籍、文獻中都可以找到。我們不難想到，傳感器數(shù)據表格法只能在校準點上得到全補償，而測量校正曲線時校準點數(shù)總是有限的，因此，實際測量的數(shù)值不一定正好在校準點上，有可能介于兩個校準點之間，這樣，必然會產生殘余誤差。為了節(jié)約內存空間，在有限校準點內獲得較高精度，應采用插值法。10.5.2分段插值法

插值法是數(shù)值計算中的一個基本方法。分段插值法是插值法中算法簡單、收斂性和穩(wěn)定性較好的一種。這種方法是把傳感器的測量范圍劃分成若干個分段，然后在每個分段內進行線性插值或拋物線插值。在插值點數(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雜一些，因而在精度要求滿足時應盡量采用分段線性插值法。

分段線性插值法就是用m段通過插值結點的直線來代替?zhèn)鞲衅鬏敵龊瘮?shù)y=f(x)的值，其插值計算公式為(10.3)在微處理機計算時，若xi、xi－1、yi、yi－1均取小于215的雙字節(jié)正數(shù)，則一般說來，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算框圖。實際設計中，把每段的yi、xi值按大小順序列成相應的數(shù)據表格，并預先放在存儲器中。只要輸入量x在函數(shù)區(qū)間內，在完成表格搜索后便可利用上述插值計算公式(10.3)，通過程序進行三次減法、一次加法、一次除法及一次乘法運算。分段數(shù)目由給定的允許誤差和實際曲線而定，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)據的全部測試誤差，如果個別測量點的測量精度很低，則將影響到修正結果。曲線擬合法是能反映出數(shù)據變化趨勢的一種方法。

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

(10.4)根據曲線擬合的經驗公式

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

應用曲線擬合修正法時，可先根據曲線擬合精度或實際需要，通過試探法或誤差檢驗法，用計算機高級語言計算確定擬合多項式的階次，再由實驗測得的不同物理量的一組數(shù)據(xi，yi)(i=0,1,2,…,n),按上述經驗公式，用高級語言程序設計求出擬合多項式的系數(shù)，得到任意x值(敏感元件的經由A／D轉換送到微處理機的輸入量x值)所對應的值y(最終要求得的被測物理量)的多項式，最后編制出計算這個多項式的程序。10.5.4數(shù)字濾波

在智能傳感器中，隨機噪聲干擾總是存在的。如果通過數(shù)字濾波器對測量結果進行數(shù)字濾波，則可以很好地抑制隨機噪聲干擾。這里所說的數(shù)字濾波主要是指通過軟件來實現(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)字序列通過一定的運算后，轉變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列。將所需要的運算編成程序，通過智能儀器中的單片機執(zhí)行計算，即可實現(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，抑制隨機噪聲的能力也不同。例如，線性濾波器對白噪聲有較強的抑制能力，中值濾波器則對脈沖型噪聲有很強的抑制能力。

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

濾波器的輸出為而中值濾波的結果為

yM(4)=x(2)

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

10.6智能傳感器的設計

10.6.1智能壓力傳感器的設計思路

1.智能壓力傳感器的結構設計

智能壓力傳感器由半導體力敏元件(制作力敏元件時，同時制作兩只溫敏二極管)、放大器、轉換開關、雙積分A／D轉換器、單片機、接口電路、IEEE-488標準接口、存儲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.敏感元件設計

利用集成電路工藝，根據圓形平膜片上各點應力分布，在半導體圓形基片上擴散出四個電阻，同時生成兩個溫敏二極管。這四個電阻通常接成電橋形式，使輸出信號與測量壓力成正比，并將阻值增加的兩個電阻對接，將阻值減小的兩個電阻對接，使電橋的靈敏度最大。

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

P型硅π44與溫度T的關系

3.傳感器工藝設計

傳感器中的微處理機采用MCS-51系列8031單片機，它通過鎖存器74LS373等與外部存儲器EPROM相連?？蛇x用2716(2K×8)、2732(4K×8)、2764(8K×8)等不同芯片作存儲器，用來存放控制程序、修正值、數(shù)據等。其他電路(放大器、A／D轉換器、D／A轉換器、IEEE-488標準接口、接口電路等)可合理分布在不同的模板上，組裝進一個殼體內。注意連線要盡可能短，模擬地與數(shù)字地徹底分開，各個模板電源分別濾波等。為減小體積，其他電路應盡可能利用可編程器件PLD及其集成電路工藝中的焊接、封裝等技術把這些電路的芯片做在一塊基座上，構成混合集成式信號處理電路。

4.軟件設計

用8031單片機構成的智能壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據處理程序及輔助程序。

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

智能傳感器還有自校、跟蹤、越限報警、輸出打印、鍵盤、顯示、D／A轉換等電路及接口。為保證整機有條不紊地工作，可依據圖10.16所示的源程序流程圖，設計可靠的管理程序。圖10.16智能傳感器源程序流程圖整個智能傳感器裝成以后，要進行標定。對我們列舉的這種簡單智能壓力傳感器，可把它的溫度特性曲線、非線性曲線轉換成數(shù)字碼，存入EPROM中，對測試數(shù)據通過編制的修正程序進行修正，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，將帶有感溫二極管的硅力敏元件與單片機、A／D轉換器、接口電路等部分混合集成、連接在一起，使整個系統(tǒng)具有程控、運算、處理等功能，對測試輸出信號自動進行修正和補償，長期穩(wěn)定地工作在環(huán)境溫度變化的場合。圖10.17智能壓力傳感器修正、顯示流程圖10.6.2簡單智能溫度傳感器設計實例

1.要求

設計一簡單智能溫度傳感器，其技術指標如下：

·測量范圍：36℃～41℃。

·測試精度：±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、查詢、報警等功能。

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。

·外部中斷服務子程序。

·T0中斷服務子程序。

·圖形處理子程序、圖形顯示子程序。

·數(shù)據顯示子程序及初始化、濾波、延時等子程序。

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

中斷服務子程序流程圖10.6.3智能有害氣體傳感器設計

1.要求

設計CO智能氣體傳感器，其主要技術指標如下：

·測量范圍：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、光報警功能。

·具有二級報警功能。

·具有自檢功能。

2.參考電路

CO氣體傳感器直接與環(huán)境中的被測氣體反應，產生線性變化的微弱電流信號。此輸出信號經過濾波放大，并被轉換為電壓信號后送給Microchip公司的PIC單片機，PIC單片機對其進行模/數(shù)轉換、模型運算等處理，直接在液晶屏上顯示被測氣體的濃度值。

CO氣體傳感器可設置二級報警，當氣體濃度達到預置的報警值時，將依據報警的級別不同，發(fā)出不同頻率的聲、光報警信號。另外，該儀器還具有自檢、電池欠壓指示、調零和標定等功能。

1)硬件電路設計概述

PIC16F877芯片自身集成了很多在單片機應用系統(tǒng)中常用的電路，如上電復位電路、10位多通道A/D轉換器、數(shù)據EEPROM等，因此采用PIC16F877(整機如采用便攜式，用兩節(jié)1.5V電池供電，則可選PIC16LF877)可簡化硬件電路部分的設計，硬件部分簡單明了。

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、光報警電路。

(5)液晶顯示電路。

(6)A/D轉換基準電壓。

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運放ICL7650(整機如采用便攜式，用兩節(jié)1.5V電池供電，運放可選T