【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)算機(jī)的管理下更好地發(fā)揮信息檢測(cè)功能，降 低對(duì)元器件的要求，從而降低成本 。另一方面在軟件的支持下使傳感器具有較強(qiáng)的信息處理和通訊能力，具備較高的智能，極大地提高傳感器系統(tǒng)的性能。因此，有認(rèn)為 :智能傳感器系統(tǒng)是指?jìng)鞲衅?(通過信號(hào)調(diào)理電路 )與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測(cè)、信息處理及通訊功能的傳感器系統(tǒng)。這些提法突破了傳感器與微處理器結(jié)合必須在工藝上集成在一塊芯片上的框框，而著重于兩者賦予智能的結(jié)合，使傳感器系統(tǒng)的功能由以往只起信息檢測(cè)作用擴(kuò)展到兼而具有信息處理功能。智能傳感器是帶微處理器、兼有信息檢測(cè)和信息處理功能的傳感器。其主要特征是將傳感器 的檢測(cè)信息功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)的融合在一起，具有一定的人工智能作用。智能傳感概念和智能傳感技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展始終伴隨著高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，比如運(yùn)動(dòng)對(duì)象的速度、位置、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及溫度、氣壓、加速度、空氣成分等環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的采集，機(jī)器人的推廣應(yīng)用中以更高級(jí)、更智能化的傳感器代替人工操作傳感器系統(tǒng) 。在環(huán)境測(cè)量中應(yīng)用智能化的遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)向有關(guān)人員及時(shí)通報(bào)環(huán)境危機(jī)等等，智能傳感器在多方面激發(fā)了新一輪的 技術(shù)革新 。智能傳感系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖 13 所示。 圖 13 智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)圖 頂層整體控制 中央集中處理（數(shù)字系列處理） 中間層（信息過程）中間控制 底層調(diào)節(jié)與優(yōu)化 傳感器信號(hào)合成與融合 底層（信號(hào)過程）傳感與信號(hào)規(guī)范化 智能傳感器分布并行過程（模擬） 6 信息處理過程 信息處理 過程主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)方面是傳感器采集到的信號(hào)可能比較弱，要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大后才能傳給微處理機(jī)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，顯示，控制。另一個(gè)方面是微處理機(jī)對(duì)信息的處理，既智能化處理。 集成運(yùn)算放大器 運(yùn)算放大器最初被用在模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它本質(zhì)上是一個(gè)性能優(yōu)良的高增益直流放大器，加上外部反饋網(wǎng)絡(luò)可以完成諸如加、減、乘、除、積分和微分等運(yùn)算功能，由此得名。運(yùn)算放大器自問世以來經(jīng)歷了由電子管、晶體管到單片集成電路（即集成運(yùn)算放大器）的發(fā)展過程，產(chǎn)品的性能價(jià)格比不斷提高。目前，集成運(yùn)算放大器已被廣泛用于儀器儀表、自動(dòng)控制、計(jì)算技術(shù)及電信無線電 等領(lǐng)域。 （ 1） 集成運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu) 輸出級(jí) (* 正文不少于 10 千 字 ； 或使用小四字體 圖 14 集成 運(yùn)算放大器 基本結(jié)構(gòu)圖 集成運(yùn)放一般包括差動(dòng)輸入級(jí)，中間放大增益級(jí)，輸出和偏置電路 ，如圖 14。輸人級(jí)一般為差動(dòng)放大電路，它由兩個(gè)特性相當(dāng)接近的晶體管（或復(fù)合管、超 R 管、場(chǎng)效應(yīng)管）組成，輸人級(jí)決定了整個(gè)集成運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓、失調(diào)電流、失調(diào)電壓漂移 、失調(diào)電流漂移、輸人阻抗、共模抑制比、共模輸人電壓范圍、差模輸人電壓范圍等。中間增益級(jí)是由一到兩級(jí)直接藕合共發(fā)或組合電路放大器組成，此級(jí)的主要功能是電壓放大 [6]。 （ 2） 集成運(yùn)算放大器的差模信號(hào)定義為幅值相等、相位相反的一對(duì)輸入信號(hào)。若設(shè)一端的差模輸 入 電壓信號(hào)為 iU? ，則另一端的差模輸人電壓信號(hào)為 iU? 。 放大器的性能參數(shù)主要包括差動(dòng)開環(huán)增益，共模增益，共模抑制比，輸入失調(diào)和熱漂移等 。 輸入級(jí) 增益級(jí) 輸出級(jí) 偏置電路 輸出 差動(dòng)信號(hào) 7 微處理機(jī) 單片機(jī)由于體積小，功能強(qiáng)大，而且具有存儲(chǔ)控制功能而得到廣泛的應(yīng)用，尤其在工業(yè)控制，儀器儀表，計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口等方面。單片機(jī)又稱微 處理機(jī) ，它是把中央處理器，存儲(chǔ)器，中斷系統(tǒng)，定是器 /計(jì)數(shù)器，串行接口，輸入 /輸出接口等功能部件集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)種類繁多，性能各異，有四位單片機(jī)，八位單片機(jī)，十六位單片機(jī)和三十二位單片機(jī)，由于 8 位單片機(jī)資源豐富，性價(jià)比高，目前應(yīng)用最廣泛 [7]。 單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了由 4 位到 32 位的發(fā)展，發(fā)展歷史雖然不長(zhǎng)，但卻在許多領(lǐng)域得到很廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)槠渥吭降男阅芎屯怀龅奶攸c(diǎn) ： （ 1）體積小，成本低，使用靈活，易于產(chǎn)品化。使得能用單片機(jī)方便的組成各種智能化的控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電一體化。 （ 2）單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)都帶有很強(qiáng)的控制色彩，可以用單片機(jī)有針對(duì)性的解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)。而且抗干擾能力比較好，其適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都可以可靠的工作 。 （ 3）在單片機(jī)內(nèi)部的各種功能部件不能滿足需要時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展（如擴(kuò)展 ROM， RAM， I/O 接口，中斷系統(tǒng)等）由于它與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大的方便和靈活性。 常用的單片機(jī)有 Intel公司生產(chǎn)的 MCS48,MCS51,MCS96,存儲(chǔ)器采用哈佛 結(jié)構(gòu) ,即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立尋址 .此外還 有 Motorola 生產(chǎn)的 MC68HC11 系列 ,Microchip 公司生產(chǎn)的 PIC 單片機(jī)系列等 。 方案設(shè)計(jì) 本研究主要是設(shè)計(jì)一個(gè)壓力測(cè)控系統(tǒng) ,包括壓力信號(hào)采集 ， 壓力信號(hào)傳輸 ,信號(hào)處理和顯示 。 設(shè)計(jì)過程本著系統(tǒng)最大化簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的誤差較小 ， 使用的范圍比較廣的原則 。 本文將從以下幾個(gè)方面開展工作 ： 1. 信息采集 ,主要是通過傳感器采集環(huán)境中的因素 ,即測(cè)壓電路的實(shí)現(xiàn) ； 2. 微處理機(jī)的核心電路設(shè)計(jì) ； 8 3. 單片機(jī)通信接口的設(shè)計(jì) 。 整體設(shè)計(jì)流程 如 圖 15 所示。 圖 15 設(shè)計(jì)流程圖 系統(tǒng)流程圖 壓力傳感器 放大器 A/D 轉(zhuǎn)換 微處理機(jī) 個(gè)人 PC終端顯示 9 第二章 壓力測(cè)量電路設(shè)計(jì) 傳感器概述 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成 可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適用于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。傳感器的輸出 輸入的關(guān)系特性是傳感器的基本特性。輸出 輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)有密切關(guān)系，因?yàn)椴煌膬?nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了他具有不同的內(nèi)部特性。傳感器測(cè)量的物理量基本上有兩種形式：一種是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）的形式，這種信號(hào)不隨時(shí)間變化（或變化很緩慢），另一種是動(dòng)態(tài)（周期變化或瞬態(tài)）的形式，這種信號(hào)是隨時(shí)間變化而變化的， 因此，存在所謂的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。一個(gè)高精度的傳感器必須具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，這樣才能完成信號(hào)的無失真轉(zhuǎn)換。 傳感器的靜態(tài)特性 ： （ 1）線性度 傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系。但實(shí)際遇到的傳感器大多都是非線性，在不考慮遲滯，蠕變，不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用多項(xiàng)式代數(shù)方程 21 表示 20 1 2 + nny a a x a x a x? ? ? ?… （ 21） 式中 y— 輸出信號(hào) 。 x— 輸入信號(hào) 。 0a 無輸入時(shí)的輸出 ,即零位輸出 ； 1a 傳感器的線性靈敏度 ； 2a , 3a ,… na 非線性項(xiàng)的待定系數(shù) ,各項(xiàng)系數(shù)不同 ,決定了特性曲線的具體形式不相同 。 通過理論分析建立的傳感器數(shù)學(xué)模型往往非常復(fù)雜 ,甚至難以實(shí)現(xiàn) 。 在實(shí)際使用中，為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便 ,希望得到線性關(guān)系 ,因此引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié) ,如采用補(bǔ)償電路或用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處理 。 在傳感器輸入量變化范圍較小時(shí) ,可用一條直線近似的代表實(shí)際曲線的一段 ,使傳感器的輸出 輸入特性線性化 ,所采用的直 10 線為擬合直線 ， 常用方法有端點(diǎn)直線法 ， 最小二乘法 [3]等 。 (2)靈敏度 靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵龅淖兓?y? 與引起該變化量的輸入變化量 x? 之比 ， 即特性曲線在某處的斜率 。 有公式 22 /S y x?? ? (22) S— 靈敏度 對(duì)于線性傳感器 ,它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，而非線性傳感器的靈敏度為一變量 .實(shí)際中 ,由于有源傳感器的輸出與電源有關(guān) ,所以其靈敏度表達(dá)式中還考慮電源的影響 。 (3)遲滯性 在相同工作條件下 作 全量程范圍校準(zhǔn)時(shí) ， 正行程 (輸入量由小到大 )和反行程 (輸入量由大到小 )所得輸出輸入特性曲線往往不重合 。 即對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào) ,傳感器正反行程 的輸出信號(hào)大小不相等 ,即是遲滯現(xiàn)。 .遲滯是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合的程度 。 遲滯的大小 he 常用正反行程最大輸出差值 maxy? 對(duì)滿量程輸出 y 的百分比來表示 ,其表達(dá)式為 23 m a x / *10 0%he y y? ?? (23) (4)重復(fù)性 重復(fù)性是指在相同工作條件下 ,輸入量按同一方向作 全量程多次測(cè)試時(shí) ,所得傳感器特性曲線不一致的程度 。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線）將能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線），即具有相同的時(shí)間函數(shù)。但實(shí)際上，除了具有理想的比例特性的環(huán)節(jié)外，輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的實(shí)際函數(shù)，這就是動(dòng)態(tài)誤差。研究動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)法來分析。 （ 1） 傳感器數(shù)學(xué)模型 [4] 傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的通道。理想情況下，輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，輸出量能立即隨之無失真的變化。但是實(shí)際的傳感器總是存在著諸如彈性，慣性和阻 11 尼等元件。此時(shí)，輸出 y 不僅與輸入 x 有關(guān)，而且還與輸入量的變化速度 /dxdt ，加速度 22/d x dt 等有關(guān)。在數(shù)學(xué)上常用常系數(shù)線性微分方程表示傳感器輸出量 y 與輸入量 x 的關(guān)系， 如： 111 1 0/ / .. . /n n n nnna d y dt a d y dt a dy dt a y???? ? ? ? 111 1 0/ / .. . /m m m mmmb d x d t b d x d t b d x d t b x???? ? ? ? ? （ 24） 式中 na ， 1na? ， … ， 0a 和 mb ， 1mb? ， … ， 0b 為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。 傳遞函數(shù)：在工程上采用拉普拉斯變換來研究線性微分方程。如果 ()yt 是時(shí)間變量 t 的函數(shù) ,并且當(dāng) t ? 0 時(shí) , ()yt =0,則其拉氏變換 ()ys 定義為 25： 0( ) ( )sty s y t e dt??? ? (25) 其中 s 是復(fù)變量 , s = ,0j? ? ???； 傳遞函數(shù) ()Hs就定義為 26： ()Hs = ()ys / ()xs (26)