【正文】 自補(bǔ)償功能 智能傳感器在工作中可通過軟件對(duì)非線性、溫度漂移、響應(yīng)時(shí)間等，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。在內(nèi)部出現(xiàn)操作問題時(shí)，能夠立即通知系統(tǒng)，通過輸出信號(hào)表明傳感器發(fā)生故障，并可診斷發(fā)生故障的部件。例如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、剔除異常數(shù)據(jù)等。 ⑥ 信息存儲(chǔ)和記憶功能 ⑦ 數(shù)字信號(hào)輸出功能 智能傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，很方便地和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。如：利用量子力學(xué)效應(yīng)研制高靈敏度傳感器；利用核磁共振吸收效應(yīng)研制的磁敏傳 感器，可將檢測(cè)范圍擴(kuò)展到 地 磁場(chǎng)強(qiáng) 度 的 千萬分子一；利用約瑟夫效應(yīng)研制的熱噪聲溫度傳感器，可測(cè)超低溫；利用光子滯后效應(yīng)研制快速紅外傳感器等。 （ 3） 向多維化與靈巧化方向發(fā)展 多維化傳感器是把多個(gè)傳感器單元 合 做在一起，則可識(shí)別空間和復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)， X射線的 CT即為此種傳感器。 隨著微電子 技術(shù)的發(fā)展，可將十分復(fù)雜的信號(hào)處理和控制電路集成到單塊芯片中去。還可以遠(yuǎn)在千里之外，隨時(shí)隨地瀏覽現(xiàn)場(chǎng)工況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)操作 等 。 第 二 章 硬件電路 設(shè)計(jì) 2. 1 單片機(jī)定義 計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管到大規(guī)模集成電路等幾個(gè) 發(fā)展階段，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)向性能穩(wěn)定可靠、微型化、廉價(jià)方向發(fā)展，從而出現(xiàn)了單片微型計(jì)算機(jī)?？傮w來講，單片機(jī)可用 如 下“表達(dá)式”來表示： 單片機(jī) =CPU+ROM+RAM+I/O+功能部件 2． 2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 一、單片機(jī)的特點(diǎn) 隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)科技技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的集成度越來越高， CPU 的位數(shù)也越來越高，已能將所有主要部件都集成在一塊芯片上，使其應(yīng)用模式多、范圍廣，并具有以下特點(diǎn)： （ 1） 低電壓，低功耗，優(yōu)異的性能價(jià)格比，重量輕，易于產(chǎn)品化。 （ 3） 抗干擾能力強(qiáng)，適用溫度范圍寬。 （ 4） 雖然單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器的容量不可能很大，但存儲(chǔ)器和 I/O 接口都易于擴(kuò)展。 二、單片機(jī)的應(yīng)用 單片機(jī)的應(yīng)用具有面廣 、量大的特點(diǎn)，目前 廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新起著重要作用。 （ 2） 單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)可以用于各種不太復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。 （ 3） 單片機(jī)在機(jī)電 一體化中的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)有利于機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、汽車設(shè)備等。 （ 5） 單片機(jī)在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)廣泛應(yīng)用于打印機(jī)等多種計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備，特別是用于智能終端，可大大減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 （ 7） 單片機(jī)在通信中的應(yīng)用：?jiǎn)纹瑱C(jī)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，使移動(dòng)電話的功能更強(qiáng)大，操作更方便。 8051 主要包含以下功能部件： （ l） 一個(gè) 8位 CPU； （ 2） 4KB 片內(nèi) ROM 程序存貯器； （ 3） 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 數(shù)據(jù)存貯器； （ 4） 2個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； （ 5） 4個(gè) 8位 的并行口 P0、 P P2和 P3； （ 6） 1個(gè)全雙工的串行口； （ 7） 5個(gè)中斷源、 2級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器； （ 8） 21個(gè)專用寄存器（ SFR）。 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 時(shí)鐘引腳 (1 19腳 )外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器 。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。 XTAL2(18 腳 )：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至 反相放大器的輸出端。 圖 22 電源、時(shí)鐘引腳、控制引腳以及輸入 /輸出引腳 （ 2） 控制引腳，如圖 22所示 : （ 3） 輸入／輸出引腳，如圖 22 所示 : 輸入／輸出 (I／ O)口引腳包括 P0 口、 P1口、 P2 口和 P3口。它是地址總線低 8 位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。 P0 端口的每一位都有一個(gè)為鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)輸入數(shù)據(jù)緩沖器。當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)， P0端口具有外部地址 /數(shù)據(jù)總線的分時(shí)復(fù)用功能，既是外部地址總線的低 8 位地址，又是片外數(shù)據(jù)總線。如果是 用作輸出口，則需要外接上拉電阻才能驅(qū)動(dòng)負(fù)載；而用作 輸 入口時(shí)，必須保證 P0 端口鎖存器的初始狀態(tài)是 1，否則在讀操作之前，應(yīng)先向 P0 端口鎖存器寫入 1（單片機(jī)復(fù)位后， P0～ P3 端口的鎖存器狀態(tài)都是 1）。與 P0 端口不同的是它具有上拉電阻，失準(zhǔn)雙向通用 I/O 端口。作為輸入口時(shí)，應(yīng)該先向 P1 端口寫入 1，以關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，這時(shí)端子可被內(nèi)部上拉電阻拉為高電平，同樣也 可以由外部信號(hào)拉為低電平。 P2 口為 8位準(zhǔn)雙向 I／ O 口，當(dāng)作為 I/O 口使用時(shí)，可直接連接外部 I/O 設(shè)備。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高 8位使用。當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)， P2 是外部地址總線的高 8位地址線。 P3 口為 8位準(zhǔn)雙向 I／ O 端口，同時(shí)還具有第二功能。用作 I/O 端口時(shí) ，與 P1 端口一樣是準(zhǔn)雙向 I/O 端口。 通常把 100181。 P1～ P3 端口輸出電流都不小于 400181。P1～ P3 端口內(nèi)部都有上拉電阻，因此作為輸入時(shí)，無需加上拉電阻。A，所以它的一位輸出可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。當(dāng)輸出 MOS 驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，也應(yīng)加上拉電阻。這些直流電除了少數(shù)直接利用電池和直流發(fā)電機(jī) 外 ，大多數(shù)是采用把交流電（市電）轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷闹绷鞣€(wěn)壓電源。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的電源部分采用的是單 相 橋式整流電路，通過電容濾波、集成三端穩(wěn)壓器來完成電源部分的設(shè)計(jì)。電網(wǎng)供給的交流電壓（ 220V， 50HZ）經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓 U2,然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時(shí)間變交流 輸入 電源 變壓器 整流 電路 濾波 電路 穩(wěn) 壓 電路 直流 輸出 化的脈動(dòng)電壓 U3,再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓Uo. 一、單相橋式整流電路的設(shè)計(jì) 單 相 橋式整流電路如圖 24 所示。設(shè)變壓器的二次繞組電壓為 tUu ?sin2 22 ? 當(dāng)變壓器的 2u 電壓為正半周時(shí)，變壓器的極性為上正下負(fù)。當(dāng)變壓器的 2u 為負(fù)半周時(shí)，變壓器的極性為上負(fù)下正，二極管 VD VD4 受正向電壓而導(dǎo)通， VD VD3 受反向電壓而截止。整流電路在一個(gè)周期內(nèi)， 4個(gè)二極管分為兩組，輪流導(dǎo)通，輪流截止，這樣不斷重復(fù)，負(fù)載上就能得到單一方向的全波脈動(dòng)電壓和電流。 橋式整流電路克服了半波整流電路輸出電壓脈動(dòng)性大和變壓器利用率低的缺點(diǎn)，所以得到廣泛應(yīng)用。為此在為傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的電源部分增加了濾波環(huán)節(jié)，通過濾波作用，將脈動(dòng)的直流電變?yōu)槠交闹绷麟姟４藶閱?相橋式整流電路。在電壓波形中， 21~tt 這段時(shí)間內(nèi)，變壓器的電壓 2u 正向升高，二極管 VD 導(dǎo)通，變壓器一方面給負(fù)載供電，一方面給電容器充電，電容器兩端的電壓 cu （即負(fù)載兩端的電壓）隨電壓 2u 上升到 2u 的最大值。當(dāng)放電到 3t 時(shí)，電壓 2u 大于cu ，二極管導(dǎo)通變壓器又一方面給負(fù)載 電阻供電，一方面給電容器充電，重復(fù)上述過程。如果濾波電容器的容量比較大，負(fù)載電阻的阻值也比較大，電容器兩端電壓下降的就慢，反之下降的就快，電容器兩端電壓下降的越慢，反之兩端的電壓越平滑，濾波效果越好。從濾波后的波形可知，當(dāng) τ 值足夠大時(shí)，負(fù)載上電壓的平均值 oU 可接近 2u 的最大值 2 2U 。在工程上橋式整流濾波電容一般按照下式計(jì)算 LR C ≥ (3～ 5)T/2 式中， T為電壓 U2的周期。一般濾波電容在幾百微法到幾千微法。 整流電路加入濾波電容之后，其輸出電壓的平均值可按下面公式計(jì)算 UUo ? 電容濾波整流電路中，當(dāng)交流電源接通的瞬間，由于電容器兩端電壓的初始值為零，電容相當(dāng)于短路，整流二極管此時(shí)通過的沖擊電流很大，可能會(huì)造成二極管的損壞。電容濾波適用于負(fù)載較小且基本不變的電路，因?yàn)樨?fù)載很大（即負(fù)載電阻小，負(fù)載電流大），電容器放電很快，濾波效果差；如果負(fù)載變化很大，不但濾波效果差，而且負(fù)載兩端的電壓波動(dòng)大。集成穩(wěn)壓電路具有穩(wěn)壓功能，作為使用者在此我們不必深究它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只要掌握了它的外部引腳功能的正確使用就可以了。 7800 系列三端固定穩(wěn)壓器是正電壓穩(wěn)壓器，其輸入電壓為正值。它的輸出電壓有很多種規(guī)格，輸出電壓值由型號(hào)后面的數(shù)字來表示。 圖 26 W7800 系列穩(wěn)壓電源在檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用 2. 4. 1 氣敏傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 氣敏傳感器是用來測(cè)量氣體的類型、濃度和成分的傳感器，是一種能把氣體（空氣）中的特定成分檢測(cè)出來，并將成分參量裝換成電信號(hào)器件或裝置，以便提供有關(guān)待測(cè)氣體的存在及其濃度大小的信息。目前實(shí)際中使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。后來推廣應(yīng)用于有毒氣體的檢測(cè)，容器或管道泄露的檢測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)（粉塵、油霧）等。 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體敏感元件表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件電阻值、電阻率或電容發(fā)生變化而制成的，借此測(cè)定氣體的成分或濃度。按半導(dǎo)體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型。表 21 為半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類。圖 27 是煙霧傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)圖。一組鉑絲為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。 表 22煙霧氣敏電阻的主要特性 測(cè)量回路電壓 /V 9177。 加熱電流 /mA 160～ 180 環(huán)境溫度 /℃ 10～ +50 環(huán)境濕度 /RH 當(dāng)半導(dǎo)體的表面在高溫下遇到離解能較小（易失去電子）的煙霧氣體時(shí)，氣體分子