单片机技术在传感器设计中的应用

摘要：文章主要论述了单片机技术在传感器设计中的应用以及对其发展的影响。重点指出传感器本身的稳定性应该放在研究工作的首位，单片机技术和传感器相结合，改善了传感器本身抗干扰能力和促进了传感器本身的智能化与标准化等。
　　从传感器的设计出发，要尽可能提高传感器本身的性能，严格控制其生产的各个环节，以实现小型化、高性能、标准化输出的目标。但是，随着计算机和微电子技术的高速发展，尤其是单片机的系列化发展，其强大的运算能力，微小的体积以及低廉的价格，对传感器的传统研究方式带来了重大的变革。下面就传感器研究中的一些体会，谈些初步的看法。
1、单片机对提高传感器稳定性的作用：
　　稳定性是指传感器在长时间工作下输出量发生的变化，它作为传感器的一项重要的技术指标，目前在多方面已得到了越来越多的重视。而在智能传感器的研究制造中，由于传感器的其他一些性能指标，如灵敏度、分辨力、抗干扰能力等均可通过低程序加以修正，因此很多人把传感器的长期稳定性放在了工作的首位。
　　为了提高传感器的稳定性，避免在长时间的工作下产生非线性的误差，我们可利用单片机技术来修正非线性误差从而提高传感器的稳定性。
　　以我们常见的智能压力传感器为例，提出一种可提高其稳定性的方法见图1。传感器接收外界的压力信号x并产生一个输出信号y，再由接口电路和A／D模数转换器对其进行处理后，输出可由单片机接收的数字信号Y，最后由单片机对其处理后，即可得到经过修正的标准输出Yc。一般在标定传感器的过程中，输入校准温度和压力点，然后测出x～y的数据，最后用二元函数插值法来修正传感器的非线性误差。
　　修正过程：首先，在单片机中存储关于x、Y、θ三者关系的公式，其中X为x的数字量。这些公式可以在单片机存储器的数据区内以表格形式存放，也可在底程序中用常数形式来体现。单片机接收经接口电路输出的未修正的数字量Y和环境温度的数字量θ，然后计算出相对应的被测数字量X，再与比例系数k相乘后，则可得到标准输出Yc=kX。
2、单片机对减少传感器干扰方面的作用：
　　传感器在实际工作中，常常会遇到外来干扰，有些为确定性的，有些为随机性的，这也是在传感器研究中常见问题之一。
　　2.1　确定性的干扰：
　　在实际工作中，传感器常常会产生一个确定性的干扰，这是由于传感器的自身结构特点或者外界环境的影响决定的，而这种干扰通常可由单片机来解决。
　　例如电涡流位移传感器在实际的工作中，由于被测物体材料的均匀性和导磁性的不同，会给测量结果带来一定的影响。轴承中轴的位置，需要进行精确的测量，但是由于轴表面不均匀的材质。会使测量变得困难。轴在转动过程中，虽然其位置保持不变，但传感器仍会有电压的输出，这样得到的测量结果会有很大的误差。由于轴在每次转动中产生的位移保持不变，所以这种干扰也可以说是确定性的。通过引用单片机技术，传感器在实际测量中，每当轴转动一周后，就对传感器的输出特性曲线进行定量修正，这样就能基本解决由于被测物体材质的不均匀性给测量结果带来的确定性干扰。
2.2　随机干扰：
　　传感器的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题。所以，需要在工作中尽量减少干扰。提高输出信号信噪比的问题，是传感器研究中的最大难题之一。
　　但是实际上在传感器的使用中，单片机可利用软件来部分消除随机干扰，下面介绍一些在软件抗干扰用到的方法。
　　2.2.1　指令冗余法：
　　单片机受到干扰后，往往会把操作数当作指令码来执行，引起整个程序的混乱和程序弹飞。如果程序弹飞到某一条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令的错误，而能自动纳入正轨。当弹飞到双字节或三字节指令的操作时，程序将继续弹飞。因此，在程序中插人几个单字节的空操作指令NOP，就可以保护其后面的指令不被拆散而被完整地执行。
　　2.2.2　软件陷阱法：
　　系统中未使用的单元用跳转引导指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序，并强行将捕获的程序引向一个特定的地址，由一段专站处理错误的程序进行处理，以恢复系统的正常运行。
　　2.2.3　软件“看门狗，(WATCH DOG)法”
　　WATCH DOG即定时监视器，俗称“看门狗”，当侵人的电磁干扰使系统程序弹飞，或进入死循环，或死机时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。
3、在传感器发展方面的应用：
　　目前。成熟的传感器品种规格繁多，长期以来。由于传感器的输入输出信号符不相同，其原理和电路也差别较大，使得传感器的标准化工作进度较慢。给传感器的用户带来了很多的麻烦。同时，也不利于传感器及测试仪器的发展和在更广阔领域的应用。但是，随着单片机成本逐渐的降低，运算能力的提高以及体积的减小，会给传感器机及测试仪器的发展带来积极的影响。目前，中国也已开展了传感器的标准化工作，这也成为了目前传感器研究的一个重要方向。
　　标准化电路的传感器应具有的功能如下：①应对传感器信号进行放大及标准化的输出；②应具有温度补偿技术；③应具有线性校正技术；④应具有信号存储功能；⑤应具有简单的信号处理功能；⑥能连接在高一级的控制单元上，应具有良好的互换性。
传感器的标准化工作在今后也会更好地推进智能仪表的规范化，使其可以根据不同的测试对象及功能，设计为模块化的结构，并根据需要进行组合，这样将会大大地提高测试仪器的可靠性并且降低其成本。

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