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單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要:文章主要論述了單片機(jī)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及對其發(fā)展的影響。重點(diǎn)指出傳感器本身的穩(wěn)定性應(yīng)該放在研究工作的首位,單片機(jī)技術(shù)和傳感器相結(jié)合,改善了傳感器本身抗干擾能力和促進(jìn)了傳感器本身的智能化與標(biāo)準(zhǔn)化等。
  從傳感器的設(shè)計(jì)出發(fā),要盡可能提高傳感器本身的性能,嚴(yán)格控制其生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),以實(shí)現(xiàn)小型化、高性能、標(biāo)準(zhǔn)化輸出的目標(biāo)。但是,隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,尤其是單片機(jī)的系列化發(fā)展,其強(qiáng)大的運(yùn)算能力,微小的體積以及低廉的價格,對傳感器的傳統(tǒng)研究方式帶來了重大的變革。下面就傳感器研究中的一些體會,談些初步的看法。
1、單片機(jī)對提高傳感器穩(wěn)定性的作用:
   穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作下輸出量發(fā)生的變化,它作為傳感器的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo),目前在多方面已得到了越來越多的重視。而在智能傳感器的研究制造中,由于傳感器的其他一些性能指標(biāo),如靈敏度、分辨力、抗干擾能力等均可通過低程序加以修正,因此很多人把傳感器的長期穩(wěn)定性放在了工作的首位。
  為了提高傳感器的穩(wěn)定性,避免在長時間的工作下產(chǎn)生非線性的誤差,我們可利用單片機(jī)技術(shù)來修正非線性誤差從而提高傳感器的穩(wěn)定性。
  以我們常見的智能壓力傳感器為例,提出一種可提高其穩(wěn)定性的方法見圖1。 傳感器接收外界的壓力信號x并產(chǎn)生一個輸出信號y,再由接口電路和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進(jìn)行處理后,輸出可由單片機(jī)接收的數(shù)字信號Y,最后由單片機(jī)對其處理后,即可得到經(jīng)過修正的標(biāo)準(zhǔn)輸出Yc。一般在標(biāo)定傳感器的過程中,輸入校準(zhǔn)溫度和壓力點(diǎn),然后測出x~y的數(shù)據(jù),最后用二元函數(shù)插值法來修正傳感器的非線性誤差。
  修正過程:首先,在單片機(jī)中存儲關(guān)于x、Y、θ三者關(guān)系的公式,其中X為x的數(shù)字量。這些公式可以在
單片機(jī)存儲器的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)以表格形式存放,也可在底程序中用常數(shù)形式來體現(xiàn)。單片機(jī)接收經(jīng)接口電路輸出的未修正的數(shù)字量Y和環(huán)境溫度的數(shù)字量θ,然后計(jì)算出相對應(yīng)的被測數(shù)字量X,再與比例系數(shù)k相乘后,則可得到標(biāo)準(zhǔn)輸出Yc=kX。
2、單片機(jī)對減少傳感器干擾方面的作用:
  傳感器在實(shí)際工作中,常常會遇到外來干擾,有些為確定性的,有些為隨機(jī)性的,這也是在傳感器研究中常見問題之一。
  2.1 確定性的干擾:
  在實(shí)際工作中,傳感器常常會產(chǎn)生一個確定性的干擾,這是由于傳感器的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或者外界環(huán)境的影響決定的,而這種干擾通?捎蓡纹瑱C(jī)來解決。
  例如電渦流位移傳感器在實(shí)際的工作中,由于被測物體材料的均勻性和導(dǎo)磁性的不同,會給測量結(jié)果帶來一定的影響。軸承中軸的位置,需要進(jìn)行精確的測量,但是由于軸表面不均勻的材質(zhì)。會使測量變得困難。軸在轉(zhuǎn)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,這樣得到的測量結(jié)果會有很大的誤差。由于軸在每次轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的位移保持不變,所以這種干擾也可以說是確定性的。通過引用單片機(jī)技術(shù),傳感器在實(shí)際測量中,每當(dāng)軸轉(zhuǎn)動一周后,就對傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行定量修正,這樣就能基本解決由于被測物體材質(zhì)的不均勻性給測量結(jié)果帶來的確定性干擾。
     2.2 隨機(jī)干擾:
  傳感器的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的,其應(yīng)用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。所以,需要在工作中盡量減少干擾。提高輸出信號信噪比的問題,是傳感器研究中的最大難題之一。
  但是實(shí)際上在傳感器的使用中,單片機(jī)可利用軟件來部分消除隨機(jī)干擾,下面介紹一些在軟件抗干擾用到的方法。
  2.2.1 指令冗余法:
  單片機(jī)受到干擾后,往往會把操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行,引起整個程序的混亂和程序彈飛。如果程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時,就不會發(fā)生將操作數(shù)當(dāng)成指令的錯誤,而能自動納入正軌。當(dāng)彈飛到雙字節(jié)或三字節(jié)指令的操作時,程序?qū)⒗^續(xù)彈飛。因此,在程序中插人幾個單字節(jié)的空操作指令NOP,就可以保護(hù)其后面的指令不被拆散而被完整地執(zhí)行。
  2.2.2 軟件陷阱法:
  系統(tǒng)中未使用的單元用跳轉(zhuǎn)引導(dǎo)指令填滿,作為軟件“陷阱”,以捕獲“飛掉”的程序,并強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個特定的地址,由一段專站處理錯誤的程序進(jìn)行處理,以恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
  2.2.3 軟件“看門狗,(WATCH DOG)法”
  WATCH DOG即定時監(jiān)視器,俗稱“看門狗”,當(dāng)侵人的電磁干擾使系統(tǒng)程序彈飛,或進(jìn)入死循環(huán),或死機(jī)時,WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動恢復(fù)正常運(yùn)行。
3、在傳感器發(fā)展方面的應(yīng)用:
  目前。成熟的傳感器品種規(guī)格繁多,長期以來。由于傳感器的輸入輸出信號符不相同,其原理和電路也差別較大,使得傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)度較慢。給傳感器的用戶帶來了很多的麻煩。同時,也不利于傳感器及測試儀器的發(fā)展和在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用。但是,隨著
單片機(jī)成本逐漸的降低,運(yùn)算能力的提高以及體積的減小,會給傳感器機(jī)及測試儀器的發(fā)展帶來積極的影響。目前,中國也已開展了傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作,這也成為了目前傳感器研究的一個重要方向。
  標(biāo)準(zhǔn)化電路的傳感器應(yīng)具有的功能如下:①應(yīng)對傳感器信號進(jìn)行放大及標(biāo)準(zhǔn)化的輸出;②應(yīng)具有溫度補(bǔ)償技術(shù);③應(yīng)具有線性校正技術(shù);④應(yīng)具有信號存儲功能;⑤應(yīng)具有簡單的信號處理功能;⑥能連接在高一級的控制單元上,應(yīng)具有良好的互換性。
傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化工作在今后也會更好地推進(jìn)智能儀表的規(guī)范化,使其可以根據(jù)不同的測試對象及功能,設(shè)計(jì)為模塊化的結(jié)構(gòu),并根據(jù)需要進(jìn)行組合,這樣將會大大地提高測試儀器的可靠性并且降低其成本。

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