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單片機技術在傳感器設計中的應用

摘要:文章主要論述了單片機技術在傳感器設計中的應用以及對其發展的影響。重點指出傳感器本身的穩定性應該放在研究工作的首位,單片機技術和傳感器相結合,改善了傳感器本身抗干擾能力和促進了傳感器本身的智能化與標準化等。
  從傳感器的設計出發,要盡可能提高傳感器本身的性能,嚴格控制其生產的各個環節,以實現小型化、高性能、標準化輸出的目標。但是,隨著計算機和微電子技術的高速發展,尤其是單片機的系列化發展,其強大的運算能力,微小的體積以及低廉的價格,對傳感器的傳統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、單片機對提高傳感器穩定性的作用:
   穩定性是指傳感器在長時間工作下輸出量發生的變化,它作為傳感器的一項重要的技術指標,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,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定性放在了工作的首位。
  為了提高傳感器的穩定性,避免在長時間的工作下產生非線性的誤差,我們可利用單片機技術來修正非線性誤差從而提高傳感器的穩定性。
  以我們常見的智能壓力傳感器為例,提出一種可提高其穩定性的方法見圖1。 傳感器接收外界的壓力信號x并產生一個輸出信號y,再由接口電路和A/D模數轉換器對其進行處理后,輸出可由單片機接收的數字信號Y,最后由單片機對其處理后,即可得到經過修正的標準輸出Yc。一般在標定傳感器的過程中,輸入校準溫度和壓力點,然后測出x~y的數據,最后用二元函數插值法來修正傳感器的非線性誤差。
  修正過程:首先,在單片機中存儲關于x、Y、θ三者關系的公式,其中X為x的數字量。這些公式可以在
單片機存儲器的數據區內以表格形式存放,也可在底程序中用常數形式來體現。單片機接收經接口電路輸出的未修正的數字量Y和環境溫度的數字量θ,然后計算出相對應的被測數字量X,再與比例系數k相乘后,則可得到標準輸出Yc=kX。
2、單片機對減少傳感器干擾方面的作用:
  傳感器在實際工作中,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:
  在實際工作中,傳感器常常會產生一個確定性的干擾,這是由于傳感器的自身結構特點或者外界環境的影響決定的,而這種干擾通常可由單片機來解決。
  例如電渦流位移傳感器在實際的工作中,由于被測物體材料的均勻性和導磁性的不同,會給測量結果帶來一定的影響。軸承中軸的位置,需要進行精確的測量,但是由于軸表面不均勻的材質。會使測量變得困難。軸在轉動過程中,雖然其位置保持不變,但傳感器仍會有電壓的輸出,這樣得到的測量結果會有很大的誤差。由于軸在每次轉動中產生的位移保持不變,所以這種干擾也可以說是確定性的。通過引用單片機技術,傳感器在實際測量中,每當軸轉動一周后,就對傳感器的輸出特性曲線進行定量修正,這樣就能基本解決由于被測物體材質的不均勻性給測量結果帶來的確定性干擾。
     2.2 隨機干擾:
  傳感器的工作環境往往是比較惡劣和復雜的,其應用的可靠性、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。
  但是實際上在傳感器的使用中,單片機可利用軟件來部分消除隨機干擾,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:
  單片機受到干擾后,往往會把操作數當作指令碼來執行,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指令上時,就不會發生將操作數當成指令的錯誤,而能自動納入正軌。當彈飛到雙字節或三字節指令的操作時,程序將繼續彈飛。因此,在程序中插人幾個單字節的空操作指令NOP,就可以保護其后面的指令不被拆散而被完整地執行。
  2.2.2 軟件陷阱法:
  系統中未使用的單元用跳轉引導指令填滿,作為軟件“陷阱”,以捕獲“飛掉”的程序,并強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行處理,以恢復系統的正常運行。
  2.2.3 軟件“看門狗,(WATCH DOG)法”
  WATCH DOG即定時監視器,俗稱“看門狗”,當侵人的電磁干擾使系統程序彈飛,或進入死循環,或死機時,WATCHDOG能夠幫助系統自動恢復正常運行。
3、在傳感器發展方面的應用:
  目前。成熟的傳感器品種規格繁多,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,使得傳感器的標準化工作進度較慢。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展和在更廣闊領域的應用。但是,隨著
單片機成本逐漸的降低,運算能力的提高以及體積的減小,會給傳感器機及測試儀器的發展帶來積極的影響。目前,中國也已開展了傳感器的標準化工作,這也成為了目前傳感器研究的一個重要方向。
  標準化電路的傳感器應具有的功能如下:①應對傳感器信號進行放大及標準化的輸出;②應具有溫度補償技術;③應具有線性校正技術;④應具有信號存儲功能;⑤應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,應具有良好的互換性。
傳感器的標準化工作在今后也會更好地推進智能儀表的規范化,使其可以根據不同的測試對象及功能,設計為模塊化的結構,并根據需要進行組合,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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