傳感器設(shè)計(jì)論文大全11篇

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篇（1）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個(gè)重要組成部分。目前，世界各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國家都十分重視對(duì)MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世，正在向高精度發(fā)展。

1微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的簡要工作原理

陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動(dòng)力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)軸Z軸的簡諧角振動(dòng)。當(dāng)在振動(dòng)平面內(nèi)沿垂直于檢測(cè)軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時(shí)，在哥氏力的作用下，檢測(cè)質(zhì)量片便繞檢測(cè)軸（Y軸）上下振動(dòng)。這種振動(dòng)幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測(cè)，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號(hào)。

在科研及加工過程中，一個(gè)重要的內(nèi)容就是檢測(cè)陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個(gè)儀器包括兩大部分：驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分和表頭的輸出信號(hào)檢測(cè)部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分對(duì)待測(cè)的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號(hào)，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號(hào)檢測(cè)部分要求檢測(cè)出微小電容變化，經(jīng)過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機(jī)中，分析輸出信號(hào)，以確定慣性表的特性。

2微電容檢測(cè)技術(shù)

在MMG檢測(cè)技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗(yàn)質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動(dòng)角位移，獲取輸入角速率信號(hào)。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測(cè)量分辨率達(dá)到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對(duì)于微機(jī)械加速度計(jì)和向機(jī)械陀螺儀來說，檢測(cè)試驗(yàn)質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測(cè)方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1開關(guān)電容電路

其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測(cè)量電路包括一個(gè)電荷放大器、一個(gè)采樣保持電路以及控制開關(guān)的時(shí)序，如圖2所示。

在測(cè)量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時(shí)序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動(dòng)態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測(cè)電路的傳遞函數(shù)為：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2單位增益放大器電路

AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機(jī)械加速度計(jì)）采用了單位增益放大電路。

圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級(jí)輸入電容，Rgs為輸入電阻。當(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時(shí)，前置級(jí)輸入電阻可忽略不計(jì)。由圖3可午，前置級(jí)有用信號(hào)輸出為：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）

=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

Rgs∞

Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布電容Cp約為10pF，

輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標(biāo)稱電容C0(1pF左右)。可以看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測(cè)靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。

2.3電荷放大器電路

電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運(yùn)算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標(biāo)準(zhǔn)反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時(shí)間常數(shù)RfCf遠(yuǎn)大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便。可以使用小阻值的電阻組成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。

若運(yùn)算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點(diǎn)之間的電位差為零。因此，反相輸入端對(duì)地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對(duì)電路測(cè)量不會(huì)造成影響。電荷放大電路相對(duì)于單位增益放大電路來說，結(jié)構(gòu)要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)地的分布電容，即進(jìn)行合理的對(duì)地屏蔽，就能獲得較好的效果。

盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對(duì)地的分布電容，但是在檢測(cè)微小電容變化時(shí)，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當(dāng)載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時(shí)，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

3檢測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對(duì)慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)后，傳感器的動(dòng)片即處于振動(dòng)狀態(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號(hào)提取出來，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機(jī)中，觀察傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機(jī)械慣性傳感器的時(shí)域、頻域特性打下基礎(chǔ)。

3.1激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器

根據(jù)微機(jī)械輪式振動(dòng)陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)為正弦波，每兩路相位相反。為了測(cè)量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵(lì)信號(hào)的頻率。目前不同設(shè)計(jì)的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵(lì)信號(hào)也需要在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動(dòng)力矩等于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負(fù)的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。

表1交流相位和直流偏置組合

直流偏置：++--交流信號(hào)：+-+-

一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調(diào)節(jié)，不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。所以，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計(jì)數(shù)器。其包含3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)最高頻率可達(dá)8MHz，設(shè)計(jì)中輸入3MHz的時(shí)鐘，將2個(gè)計(jì)數(shù)器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產(chǎn)生的方波信號(hào)作為后面并行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入。并行計(jì)數(shù)器由2片74LS161組成8位二進(jìn)制循環(huán)計(jì)數(shù)器。74LS161計(jì)數(shù)到最大值時(shí)會(huì)自動(dòng)清零，重新開始計(jì)數(shù)，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號(hào)（即每個(gè)正弦周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為256個(gè)）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間為150ns。設(shè)計(jì)電路時(shí)將它的片選和讀信號(hào)均設(shè)為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采用DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電路輸出時(shí)間85ns，放大器采用高速高精度運(yùn)放OP-37，同理，D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開始信號(hào)總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉(zhuǎn)換速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此信號(hào)發(fā)生器完全可以生成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計(jì)數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調(diào)節(jié)。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就可以輸出任意形狀的周期波形。

3.2低通跟蹤濾波器

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是輸出信號(hào)不夠平滑，其中會(huì)有臺(tái)階波。在對(duì)信號(hào)要求比較高的場(chǎng)合，還需要進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)中信號(hào)的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進(jìn)一步提高信號(hào)質(zhì)量，采用AD633模擬乘法器構(gòu)成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。

通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：

fc=Ec/[(20V)πRC]

OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：

f1=1/(2πRC)

這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，沒有開關(guān)電容，噪聲小，一般采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制Ec，控制通帶頻率也比較容易。

3.3交流放大器

微機(jī)械慣性傳感器在施加激勵(lì)信號(hào)后，即處于振動(dòng)狀態(tài)。傳感器有差動(dòng)微電容量變化C0+ΔC和C0-

ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號(hào)仍然很彈，需要進(jìn)一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。

交流放大器由4個(gè)放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)組成，進(jìn)一步放大被測(cè)信號(hào)，同時(shí)調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開關(guān)選用ADG211模擬開關(guān)，通過控制模擬開關(guān)的開合，可以任意選擇某級(jí)或某幾級(jí)放大器參加工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)正負(fù)1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如，將模擬開關(guān)S0、S2、S8、S13閉合，其他開關(guān)全部打開，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。

3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

使用計(jì)算機(jī)總線，與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號(hào)采樣并存儲(chǔ)其中，然后成組地向主機(jī)傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設(shè)計(jì)也相對(duì)簡單。

3.4.1系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換器組、計(jì)算機(jī)接口。機(jī)通過接口啟動(dòng)邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請(qǐng)求開放，邏輯控制模塊發(fā)控制信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口RAM。當(dāng)RAM中的數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，邏輯控制模塊向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。主機(jī)接到請(qǐng)求后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，向邏輯控制模塊發(fā)出命令，決定是否繼續(xù)采樣，并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。

3.4.2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個(gè)端口都有獨(dú)立的控制信號(hào)、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號(hào)使得兩個(gè)端口可以像獨(dú)立的存儲(chǔ)器一樣使用。使用這種器件要注意當(dāng)兩個(gè)端口訪問同一個(gè)單元時(shí)，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出結(jié)果不正確。解決這個(gè)問題的方法有兩個(gè)：一種是監(jiān)測(cè)busy信號(hào)輸出，當(dāng)檢測(cè)到busy信號(hào)有效，就使訪問周期拉長，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個(gè)端口不同時(shí)訪問一個(gè)單元，即將雙端口RAM進(jìn)行分塊。本系統(tǒng)采用后者，將busy信號(hào)輸出通過上拉電阻接到電源正極。

在系統(tǒng)中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲(chǔ)、與計(jì)算機(jī)接口的核心。本系統(tǒng)為方便對(duì)采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊中采用了MCS-51單片機(jī)。這樣可以通過編程設(shè)定采樣速率。

與主機(jī)的信息交換包括：

（1）接收主機(jī)控制信號(hào)，以決定是否開始采樣；

（2）在存儲(chǔ)區(qū)滿后，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求。

本系統(tǒng)使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲(chǔ)單元，對(duì)其進(jìn)行寫操作，將采樣結(jié)果存入相應(yīng)的單元。

3.4.3軟件設(shè)計(jì)

篇（2）

本研究以病原菌為檢測(cè)對(duì)象，通過蛋白A將病原菌抗體固定于金叉指陣列微電極表面，制備了一種阻抗型傳感器。以Fe(CN)3－/4－6作為氧化還原對(duì)，經(jīng)過化學(xué)電阻抗譜表征電極表面修飾及抗原捕獲過程，采用等效電路闡述其阻抗譜的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，待測(cè)溶液中病原菌濃度的對(duì)數(shù)值與叉指陣列微電極的電子傳遞阻抗的變化值呈線性關(guān)系。傳感器系統(tǒng)將上面的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，然后由已知的定量檢測(cè)模型得出表征被測(cè)物含量的數(shù)值，并通過LCD裝置進(jìn)行顯示，且可在超過安全值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

1．2基本結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)和自動(dòng)報(bào)警等功能，單片機(jī)是核心部件。本設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可滿足系統(tǒng)工作的要求。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，包括阻抗測(cè)試模塊、阻抗電壓轉(zhuǎn)換模塊、電壓放大電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和顯示及報(bào)警模塊。此系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)不僅便于擴(kuò)充不同測(cè)量單元，而且可防止各模塊間相互干擾，利于儀器穩(wěn)定。

2硬件選型及電路設(shè)計(jì)

2．1集成放大器選擇

A/D轉(zhuǎn)換電路所需的電壓幅值一般為2V，而叉指微電極輸出的電壓信號(hào)比較小，所以需要對(duì)叉指微電極輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。主放大電路采用放大器ICL7650，其電路具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在各種電路中。

2．2A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)放大電路輸出的電壓值是模擬信號(hào)，不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理，還必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)選擇ADC0809芯片作為AD轉(zhuǎn)換裝置，此芯片功能簡單，能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求。

2．3顯示及報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

2．3．1顯示電路設(shè)計(jì)

傳感器需要輸出液晶顯示結(jié)果，主要包括檢測(cè)物名及物質(zhì)濃度等。本系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示屏，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×2(16列2行，即32個(gè))字符，可滿足顯示檢測(cè)物名稱和濃度的要求。

2．3．2報(bào)警電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)超限自動(dòng)報(bào)警的功能，需要蜂鳴器接受單片機(jī)發(fā)出的超限報(bào)警信號(hào)發(fā)出警報(bào)，警示微生物的數(shù)量已經(jīng)超標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警的功能，可采用實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警。其接口電路較簡單，發(fā)音元件為壓電蜂鳴器，當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加3～15V直流工作電壓時(shí)，可產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡單、耗電少，更適于在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可在單片機(jī)一端口接一只三極管和電阻組成的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)。濃度超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)P3．6輸出高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提醒檢測(cè)者被測(cè)物超標(biāo)，并做相應(yīng)處理。

3軟件設(shè)計(jì)

為了便于程序修改和升級(jí)，軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要程序包括:主程序、鍵盤處理子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、液晶顯示子程序及報(bào)警子程序。系統(tǒng)工作流程為:檢測(cè)人員通過鍵盤輸入被測(cè)物種類，MCU通過判斷處理之后，阻抗測(cè)試儀測(cè)量獲得多個(gè)阻抗值，經(jīng)阻抗電壓轉(zhuǎn)換電路和放大電路，A/D轉(zhuǎn)換器處理，將得到的數(shù)字信號(hào)送入MCU;MCU對(duì)數(shù)字進(jìn)行計(jì)算、比較等處理，得到被測(cè)物濃度，判斷出濃度是否超限;接著，MCU將濃度送入LCD進(jìn)行顯示，判斷比較結(jié)果是否需要進(jìn)行報(bào)警，需要時(shí)則控制報(bào)警器報(bào)警。

篇（3）

引言

隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制器作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。通過對(duì)模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較說明

對(duì)于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下：

(1)簡單的機(jī)械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。

(2)復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。

針對(duì)上述2種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時(shí)考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控。

二、工作原理

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。

工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時(shí)，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件設(shè)計(jì)

液位控制器的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。

3.1單片機(jī)

單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片。

3.2傳感器

傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。

3.3鍵盤電路

P1口作為鍵盤接口，連接一個(gè)4×4鍵盤。

3.4液位顯示電路

液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號(hào)是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。

3.5AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出

AD轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報(bào)警。另外在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1鍵盤程序

由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。

值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時(shí)，相對(duì)會(huì)比較麻煩，如果用C語言編寫程序會(huì)簡單很多，這里就不再做具體說明。

五、結(jié)束語

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。

參考文獻(xiàn)：

篇（4）

引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們對(duì)觸覺傳感器提出了更高的要求。隨著觸覺陣列規(guī)模的擴(kuò)大，希望A/D轉(zhuǎn)換速度加快，而原先在小規(guī)模陣列觸覺傳感器系統(tǒng)中采用的共用A/D轉(zhuǎn)換器的方法，已不能滿足大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號(hào)采集實(shí)時(shí)性的要求。因此，要想實(shí)現(xiàn)高速、高分辨率并且對(duì)小信號(hào)敏感的大規(guī)模陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)，關(guān)鍵部件就是A/D轉(zhuǎn)換器。

本文利用混沌帳篷映射方法和開關(guān)電容（SC）技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器的電路具有調(diào)理放大、誤差補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能一體化的優(yōu)點(diǎn)，并且電路簡單、便于集成、功耗小；能以很高的性能價(jià)格比實(shí)現(xiàn)多路觸覺傳感器輸出信號(hào)的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。

1陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)的組成

模擬式陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)的原理電路見圖1。該系統(tǒng)由m×n陣列傳感器、列讀取電路、行掃描電路、n個(gè)ADC電路、時(shí)序控制電路和計(jì)算機(jī)等組成。在時(shí)序控制電路的控制下，行掃描電路對(duì)m行陣列觸覺傳感器發(fā)送周期性激勵(lì)信號(hào)；而列讀取電路則周期性地并行讀入n列輸出信號(hào)。讀n個(gè)信號(hào)經(jīng)n個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成格雷碼序列直接送到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)完成格雷碼向二進(jìn)制碼的轉(zhuǎn)換，接著在時(shí)序邏輯的控制下，讀取下一行的n列信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)在獲得1幀m×n觸覺傳感器信號(hào)后，就可以進(jìn)行信號(hào)處理了。圖1中除A/D轉(zhuǎn)換器需要特殊設(shè)計(jì)外，其余各電路都有現(xiàn)有的產(chǎn)品，沒有特殊要求。

2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

2.1混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換的原理

利用開關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)幕驹硎请姾傻脑俜峙洹ｋ娙菔湔`差利用開關(guān)轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存起來，結(jié)果由電容上電荷的再分配而得到補(bǔ)償。混沌帳篷映射是一種離散非線性系統(tǒng)，其映射關(guān)系為：

這一映射可以看到由兩步組成：先將區(qū)間[0,1]伸長2倍，然后再壓縮成原區(qū)間[0,1]。如此反復(fù)迭代操作，最終導(dǎo)致相鄰點(diǎn)的指數(shù)分離，從而進(jìn)入混沌狀態(tài)。這種映射對(duì)初始值（系統(tǒng)的輸入信號(hào)）的放大與通常的線性放大方法不同：線性放大倍數(shù)為一常數(shù)，而且受工作范圍限制；而處于混沌狀態(tài)的帳篷映射系統(tǒng)，是在有界的區(qū)間內(nèi)，迭代1次將信號(hào)放大2倍，反復(fù)有限次迭代后，可以將微弱信號(hào)放大到可觀測(cè)的水平，而不會(huì)出現(xiàn)溢出再現(xiàn)象。顯然，這是一種非線性放大。帳篷映射系統(tǒng)的輸入值Vin對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的初始狀態(tài)x0。x0可以二進(jìn)制小數(shù)表示：

為了得到離散帳篷映射的迭代輸出與x0的關(guān)系，引入另一種非線性映射——離散貝努利移位是映射：

這一映射的作用是每迭代一次，就將二進(jìn)制位t1、t2、t3、……向左依次移出一個(gè)二進(jìn)制位，即

對(duì)于貝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作為貝努利移位映射的第n次迭代輸出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一個(gè)二進(jìn)制序列；對(duì)于帳篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，則gi是與bi對(duì)應(yīng)的格雷碼序列，即

根據(jù)上述和初始時(shí)刻x0=x''''0=Vi，可得：

因此，通過將帳篷映射迭代輸出的格雷碼序列g(shù)i(i=0,1,2,…)，轉(zhuǎn)換成貝努利移位映射的二進(jìn)制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（輸入信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字量），即

式（7）中{Vin}表示輸入信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)字量。gi(i=0,1,2,…)就是經(jīng)過帳篷映射完成了對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換的格雷碼形式的數(shù)字量。

2.2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)

利用并關(guān)電容技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：電路的性能與電容無關(guān)，只取決于電容之比，兩個(gè)電容比值的誤差小于1/1000，因此電路運(yùn)算精度高；電路便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，因而電容體積小、工作可靠、成本低，功耗小（一個(gè)開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器功耗4mW）等。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)模擬式陣列觸覺傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)最有利，因此該系統(tǒng)需要大量的ADC。

圖2混沌開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路

基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。運(yùn)放A1、A2及周圍的電路完成帳篷映射，即完成對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換；C4、C5、A3及周圍的電子模擬開關(guān)組成保持電路，輸出信號(hào)V0為輸入信號(hào)的格雷碼形式的數(shù)字量。圖3為電路時(shí)序控制邏輯。

圖2電路，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，電子模擬開關(guān)指向“1”端，輸入信號(hào)Vi接通。延時(shí)t1時(shí)間后，D觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，這時(shí)，若0≤Vi≤0.5，則電子模擬開關(guān)S1指向“2”端，C1、C3和A2及有關(guān)的電子模擬開關(guān)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)電容比例延時(shí)器，如圖4所示。在（n-1）T時(shí)，Vi給C1充電，充電電荷為C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT時(shí)，C1中電荷轉(zhuǎn)移到C3中，充電電荷為C3V02（n），由電荷守恒原理，其差分方程為：

C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)

式（8）經(jīng)過Z變換可得該電路Z域傳遞函數(shù)：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)

若取C3=0.5C1，則有：

H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)

可見，圖4的電路具有起放大作用的比例延時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的翻倍，即實(shí)現(xiàn)了y=2x的運(yùn)算；同時(shí)對(duì)C4充電，當(dāng)下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時(shí)開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號(hào)Vo反饋到輸入端，給C1充電，實(shí)現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號(hào)入大，直到可觀測(cè)為止。

同理，當(dāng)0.5≤Vi≤1時(shí)，Vi向C2充電，電子模擬開關(guān)S2指向“2”端，這時(shí)，C2、C3和A2構(gòu)成另一個(gè)開關(guān)電容比例延時(shí)器，把式（9）中的C1換成C2，就是這個(gè)比例延時(shí)器的Z域傳遞函數(shù)。“e”脈沖為高電平時(shí)，C2中電荷Q=C2Vi轉(zhuǎn)換到C3中，若取C3=0.5C2,就實(shí)現(xiàn)了y=2(1-x)的運(yùn)算；當(dāng)下一個(gè)“o”脈沖為高電平時(shí)，C4中電荷轉(zhuǎn)移到C5中，這時(shí)開關(guān)S0指向“2”端，把輸出信號(hào)Vo反饋到輸入端，給C2充電，實(shí)現(xiàn)迭代運(yùn)算。經(jīng)過n次迭代后，使Vi信號(hào)放大到可觀測(cè)為止。

這樣，經(jīng)過一個(gè)周期T，完成了對(duì)Vi一個(gè)樣點(diǎn)的采集。如此周而復(fù)始地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換工作。D觸發(fā)器輸出的信號(hào)就是格雷碼序列：

將gk序列和初始條件b0=Q0代入式（6）中，就得到貝努利二進(jìn)制序列bk（k=0,1,2,…）。當(dāng)然，只要把ADC的輸出信號(hào)Vo(格雷碼序列)送入計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量的工作，可由計(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用圖4的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)5×7應(yīng)變式微型陣列傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行非線性放大和A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中為第4行7個(gè)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于帳篷映射的開關(guān)電容A/D轉(zhuǎn)換器可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的放大和A/D轉(zhuǎn)換。

4結(jié)論

本文利用混沌電路對(duì)小信號(hào)敏感及它具有的非線性變換的獨(dú)特性能，設(shè)計(jì)了混沌帳篷映射開關(guān)電容新型A/D轉(zhuǎn)換器。這種A/D轉(zhuǎn)換器適用于機(jī)器人模擬陣列觸覺傳感器輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。它集調(diào)理放大和A/D轉(zhuǎn)換于一體，具有電路簡單、易于集成及功耗小的特點(diǎn)。開關(guān)電容電路只有二相時(shí)鐘，電路性能只取決于兩個(gè)電容之比而與電容絕對(duì)值無關(guān)，因而電路運(yùn)算精度高、成本低。利用該A/D轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)多路觸覺信號(hào)的并行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，以滿足大規(guī)模陣列傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本方法的有效性。

表1A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）

測(cè)量值/mV0806718824617025

計(jì)算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7

格雷碼

篇（5）

互聯(lián)網(wǎng)iso論文參考文獻(xiàn)：

[1]任剛.新媒體時(shí)代的傳統(tǒng)媒體如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)[J].科技信息.2013（04）

[2]牟宗友.互聯(lián)網(wǎng)傳媒與文化傳承的關(guān)系研究[J].中國市場(chǎng).2016（15）

[3]鄔政.傳統(tǒng)媒體如何成為“互聯(lián)網(wǎng)+”的受益者——淺析傳統(tǒng)媒體融媒時(shí)代的轉(zhuǎn)型定位[J].中國地市報(bào)人.2015（05）

[4]候金鳳.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)下手機(jī)用戶使用行為特征的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（7）.

[5]曾青菲.基于用戶體驗(yàn)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品差異化設(shè)計(jì)探究[J].藝術(shù)教育，2016（7）.

[6]周鴻祎.我的互聯(lián)網(wǎng)方法論[M].北京：中信出版社，2015.

互聯(lián)網(wǎng)iso論文參考文獻(xiàn)：

[1]中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中心(CNNIC).第29次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R]}2012年1月.

[2]淘寶網(wǎng).淘寶公告，http：//bbs.taobao.com.

[3]百度百科.http：//baike.baidu.com/view/5052997.htm.

[4]魏宏.我國B2C電子商務(wù)現(xiàn)狀及問題分析.標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)[J].2004(8)：52-54.

[5]黎軍，李瓊.基于顧客忠誠度B2C的網(wǎng)絡(luò)營銷探.討中國商貿(mào)[J].2011(5)：34-35.

[6]沃德·漢森.網(wǎng)絡(luò)營銷原理[M].北京：華夏出版社，2001：5.

[7]RaftA.M}Robertj.&FishersB.InternetMarketingBuilding[J].QuarterlyJournalofEconomics2004，9(12)：49-68.

[8]戴夫，查菲.網(wǎng)絡(luò)營銷戰(zhàn)略、實(shí)施與實(shí)踐[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006：4.

[9]王耀球，萬曉.網(wǎng)絡(luò)營銷[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：2.

[10]凌守興，王利鋒.網(wǎng)絡(luò)營銷實(shí)務(wù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009：4.

互聯(lián)網(wǎng)iso論文參考文獻(xiàn)：

[1]張軍國.面向森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2010.

[2]葉僉昱.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息壓縮與路由技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2009.

[3]王懌.水下傳感網(wǎng)時(shí)鐘同步與節(jié)點(diǎn)定位研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

[4]高峰.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].，2009.

[5]許華杰.無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不確定性數(shù)據(jù)處理研究[D].華中科技大學(xué)，2008.

[6]馬奎.無線傳感網(wǎng)移動(dòng)接入與信息獲取優(yōu)化策略研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[7]李莉.無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2008.

[8]李石堅(jiān).面向目標(biāo)跟蹤的自組織傳感網(wǎng)研究[D].浙江大學(xué)，2006.

篇（6）

 

0.引言：

傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的性能，本設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為控制單元，用單軸傾角傳感器檢測(cè)平衡板傾斜角度，采取步進(jìn)電機(jī)控制平衡板角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)目的。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

角度傳感器硬件連接圖如圖1所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平衡板傾斜到使角度傳感器SCA60C處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測(cè)到0~90度的角度范圍，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)到使角度傳感器與水平面成90度的角度時(shí)，此時(shí)Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0~90度的傾角范圍內(nèi)，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5~+5V的模擬電壓信號(hào)，當(dāng)平衡板轉(zhuǎn)動(dòng)到使角度傳感器與水平面間的角度從90度到180度的范圍變化時(shí)，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號(hào)[1][2]，因此通過測(cè)定傳感器SCA60C輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，我們選擇4相5線步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電路主要由L297+L298組成，該驅(qū)動(dòng)電路集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)于一體。L297是脈沖分配器，只要步進(jìn)電機(jī)A、B、C、D四項(xiàng)依次連接到J1的1、2、3、4各點(diǎn)，且將剩下的一條線接地，L297就會(huì)自動(dòng)的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進(jìn)電機(jī)的各個(gè)相序，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)便可轉(zhuǎn)動(dòng)[3][4]。控制電機(jī)時(shí)只需單片機(jī)通過I/O口向L297的cw/ccw和clock端發(fā)送控制信號(hào)即可控制它的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖2。論文參考。論文參考。

圖1角度傳感器硬件連接圖圖2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、角度檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤模塊和顯示器模塊等部分組成，系統(tǒng)連接圖如圖3所示：

圖3系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)分為兩個(gè)工作模式，工作于模式一時(shí)，可通過鍵盤模塊預(yù)置一個(gè)角度，主控制器接收到此信息后，通過控制電機(jī)控制模塊來使角度檢測(cè)模塊做出轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作以使平衡板按輸入角度完成傾斜動(dòng)作。同時(shí)，角度傳感器輸出的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入主控制器，主控制器據(jù)此輸入判定平衡板是否已傾斜到預(yù)置的角度，并據(jù)此來控制電機(jī)控制模塊，并且主控制器模塊通過控制顯示模塊實(shí)時(shí)的顯示平衡板的傾斜角度。通過按鍵模塊可將系統(tǒng)切換到模式二，模式二的功能是能始終保持平衡板的水平，且能使顯示模塊顯示的內(nèi)容與平衡板聯(lián)動(dòng)，兩種工作可通過按鍵來切換。系統(tǒng)使用c8051f00作為控制核心，128*64作為顯示器，4*4鍵盤來輸入需要預(yù)置的角度。程序具有角度預(yù)置和自動(dòng)尋找平衡點(diǎn)兩種模式，根據(jù)不同需要選擇，具有友好人機(jī)界面，操作簡單易懂。軟件流程圖如下圖4所示：

圖4 程序流程圖

2.系統(tǒng)測(cè)試與分析

表1系統(tǒng)性能測(cè)試

 

基本要求測(cè)試 發(fā)揮部分測(cè)試 輸入角度大小 平衡時(shí)角度 誤差 起始傾斜角度 平衡時(shí)角度 誤差 30o　 29.07 o

0.70% 14 o

0 o

0 65 o

65.6 o

0.90% 32 o

0.3 o

0.90% 94 o

94.2 o

0.20% 80 o

0.3 o

0.38% 110 o

110.4 o

0.36% 76 o

0.7 o

0.92% 176 o

175.7 o

篇（7）

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2007)18-31739-01

Experimental Teaching Reform of Sensors Course

ZHANG Huai,Chen Fu-jun,YANG Yong,LIANG Feng

(Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

Abstract:Sensors is a most practical course, the students can verify theories through an experiment, and can strengthen the cultivation of the student’s innovation and practice ability. Aimed at the present situation of the experimental teaching for sensor of our university, we do some beneficial reform and the aim is to improve the practice ability of students and cultivate the innovative talents.

Key words:sensor experiment;teaching reform;cultivation of innovative talents

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代三大信息技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中，是測(cè)控過程中反映被測(cè)對(duì)象、保證控制質(zhì)量的重要一環(huán)，也是自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械電子等專業(yè)的一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與應(yīng)用也飛速發(fā)展，而傳統(tǒng)的傳感器教學(xué)尤其是實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)迫切需要改革創(chuàng)新。為此，針對(duì)我校傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀做一些有益的改革，旨在提高學(xué)生對(duì)傳感器原理及特性的理解并進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)和應(yīng)用的目的，培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才。

1 我國傳感器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展及需求

傳感器及智能儀器儀表自上個(gè)世紀(jì)60年代以來一直作為自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程，特別是進(jìn)入80年代后，國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”：日本把傳感器技術(shù)列為80年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代的關(guān)鍵技術(shù)，我國把傳感器技術(shù)列為“八五”、“九五”的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一；并且2003年3月國家教育部緊跟國際科技發(fā)展步伐，已將傳感器的教學(xué)納入到普通高級(jí)中學(xué)物理課程的教學(xué)體系中。由此可見，傳感器在當(dāng)今科技發(fā)展及國民教育體系中所處的重要地位。而對(duì)于傳感器本身又是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，而且傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要子系統(tǒng)，因此，加強(qiáng)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)以適應(yīng)我國高等教育的任務(wù)――培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的需求。

2 傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

長期以來，理論教學(xué)重于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的觀念根深蒂固，影響了傳感器教學(xué)的效果。傳統(tǒng)的傳感器教學(xué)尤其是實(shí)踐性環(huán)節(jié)迫切需要改革創(chuàng)新。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題主要反映在以下幾個(gè)方面：

2.1教學(xué)中存在不重視實(shí)驗(yàn)的傾向

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、間接經(jīng)驗(yàn)與直接經(jīng)驗(yàn)、抽象思維和形象思維、傳授知識(shí)與訓(xùn)練技能相結(jié)合的過程。但是，對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果表明，目前很多高校在教育觀念上，仍存在著重理論、輕實(shí)踐，重理論知識(shí)傳授、輕動(dòng)手能力培養(yǎng)的傾向，在課程體系上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)少有獨(dú)立的教學(xué)體系以及相應(yīng)的學(xué)分評(píng)價(jià)體系，實(shí)驗(yàn)課從屬于理論課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容含在理論課程中，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)與內(nèi)容的開設(shè)隨意性強(qiáng)，隨意削減實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)成為普遍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)課時(shí)同理論課時(shí)比例不太合理等問題，從而大大影響了學(xué)生對(duì)傳感器特性的理解及在傳感器應(yīng)用中解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

2.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證型多于設(shè)計(jì)型

目前，我系使用的傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是由浙江高聯(lián)科技開發(fā)公司提供的CSY2000D型傳感器檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，它所提供的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然各傳感器透明式封裝比較直觀，但缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性要求，與工程實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重。

2.3教學(xué)方式單調(diào)枯燥

傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)是注入式的，從實(shí)驗(yàn)原理、步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，甚至連實(shí)驗(yàn)結(jié)果都面面俱到地由老師講解，然后由學(xué)生“按方抓藥”地操作。這使學(xué)生處于消極被動(dòng)的地位，影響其學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的全面綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

2.4實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入不足

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)對(duì)各高校來說是一項(xiàng)重要的投資，特別是對(duì)于一般的普通高校在資金有限的情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入更少；而傳感器又是精密測(cè)量儀器，一般單個(gè)售價(jià)都在50元以上，我系于2003年購置的6臺(tái)CSY2000D型傳感器檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)就高達(dá)1.83萬元/臺(tái)。因此，在資金緊張的情況下，使得高校擴(kuò)招后由原來的一名學(xué)生一臺(tái)設(shè)備，改為2～3人一組，這樣在實(shí)驗(yàn)過程中往往一個(gè)學(xué)生做，同組人旁觀，教學(xué)效果很不理想。

3 改革與探討

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)的重要組成部分，是對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的直觀認(rèn)識(shí)和拓展應(yīng)用，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要途徑，它在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。因此傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須從理論教學(xué)中解脫出來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與本課程特點(diǎn)緊密結(jié)合，做一次全面的改革：

3.1深化傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，著力培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力

為推進(jìn)我國全面的素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，根據(jù)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和面臨的問題，充分調(diào)研，對(duì)目前的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行全面改革：從本科培養(yǎng)計(jì)劃的約束，到實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施；從教師的教學(xué)觀念，到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的目的等各方面都要充分認(rèn)識(shí)到傳感器實(shí)驗(yàn)在傳感器教學(xué)中的重要性，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的操作動(dòng)手能力。

總體上說，注重引導(dǎo)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)考核，使學(xué)生普遍對(duì)實(shí)驗(yàn)重視程度提高，能主動(dòng)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，甚至帶著問題進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生的動(dòng)手能力明顯增強(qiáng)。

3.2切實(shí)加強(qiáng)傳感器實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)和科學(xué)管理制度

實(shí)驗(yàn)器材是開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，雖然傳感器實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格相對(duì)較貴，但也應(yīng)逐漸增加傳感器實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的投入，除了確保正常的教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需各項(xiàng)經(jīng)費(fèi)外，還要投入一定經(jīng)費(fèi)改進(jìn)和完善現(xiàn)有儀器設(shè)備。同時(shí)，還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)管理制度的建設(shè)，現(xiàn)在各高校的實(shí)驗(yàn)室管理專職人員緊缺，一般由理論課老師來擔(dān)任實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理，其間存在管理漏洞，儀器損壞無法及時(shí)維修，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。因此，傳感器實(shí)驗(yàn)室要根據(jù)本學(xué)科的特點(diǎn)和自身?xiàng)l件建立切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室管理制度和實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，逐漸形成較為完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和保證體系。

3.3加快傳感器實(shí)驗(yàn)教材的編寫

實(shí)驗(yàn)教材是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳感器實(shí)驗(yàn)是近幾年才在各高校普遍開設(shè)，據(jù)調(diào)查現(xiàn)階段各高校采用的傳感器實(shí)驗(yàn)教材都是在廠家提供的儀器使用指南的基礎(chǔ)上編寫的講義，缺乏規(guī)范性、普適性。根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和本學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀更新充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，編寫配套的、高水平的傳感器實(shí)驗(yàn)教材是刻不容緩的。

3.4改革傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容及方法

3.4.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

為了突出實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用意識(shí)、工程實(shí)踐能力，使學(xué)生“消化理論、發(fā)展能力”我們對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了較大改革：一方面保留了一些基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如電阻應(yīng)變、電渦流位移特性、光纖傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)等，使學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)，理解傳感器的基木原理和特性，消化教學(xué)內(nèi)容；另一方面開設(shè)一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，如我們利用電阻應(yīng)變片設(shè)計(jì)了數(shù)字電子秤，以及結(jié)合單片機(jī)知識(shí)設(shè)計(jì)出自動(dòng)避障小車和全自動(dòng)洗衣機(jī)控制器等，通過學(xué)生自己制作出一些小產(chǎn)品模型，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到課堂中學(xué)過的傳感器在其中的限位、距離檢測(cè)等作用。在教學(xué)過程中除了要求學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告外還要求撰寫設(shè)計(jì)論文，這樣更能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時(shí)還可鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。

3.4.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

實(shí)驗(yàn)課是驗(yàn)證理論、應(yīng)用理論、鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的方法上,我們進(jìn)行了一些改革探索，在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中,注意因材施教,采用啟發(fā)式教學(xué)方法,提示學(xué)生是否有更好的改進(jìn)方法等等。如電阻應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中對(duì)電子秤標(biāo)定時(shí)反復(fù)調(diào)節(jié)Rw3、Rw4直至托盤空時(shí)電壓表顯示為0v、200g砝碼時(shí)顯示為0.2v。反復(fù)調(diào)節(jié)最終是可以達(dá)到要求，當(dāng)學(xué)生反復(fù)調(diào)節(jié)幾次沒達(dá)到預(yù)期要求時(shí)可能不耐煩了，這時(shí)提示學(xué)生根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)力原理及輸入輸出特性――線性關(guān)系，分析電路中Rw3、Rw4的作用可以看出Rw3起調(diào)節(jié)放大倍數(shù)――即線性關(guān)系中的斜率、Rw4起零點(diǎn)參考電壓調(diào)節(jié)――線性關(guān)系中的初始值的作用，經(jīng)過這樣比較對(duì)應(yīng)后，很快可以得出這樣的快速調(diào)節(jié)方法：當(dāng)托盤空時(shí)，調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為零；然后將10個(gè)砝碼全放入托盤，調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v；然后去掉全部砝碼記下此時(shí)電壓表讀數(shù)v0 (如0.002v)；再將砝碼全放入托盤調(diào)節(jié)Rw4使電壓表顯示為0.2-v0（如0.198v）；最后再調(diào)節(jié)Rw3使電壓表顯示為0.2v即可。通過像這個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革,我們認(rèn)識(shí)到如果在每次實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中都能夠采用啟發(fā)式的方法啟迪學(xué)生，發(fā)展學(xué)生的發(fā)散思維能力，那么一定能使學(xué)生舉一反三，達(dá)到學(xué)以致用的目的，同時(shí)還可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。

3.5建立科學(xué)的實(shí)驗(yàn)考核方案

成績?cè)u(píng)定方式對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分重要，它是這次傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施的總體指揮棒。學(xué)生最關(guān)心的就是成績，我們要充分利用這一法寶設(shè)計(jì)較為合理的考核方案，既能達(dá)到考察的目的，同時(shí)使學(xué)生通過試驗(yàn)不僅能很好理解理論知識(shí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、創(chuàng)新能力。為此，將成績?cè)u(píng)價(jià)定位在是否理解并靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，以及鼓勵(lì)創(chuàng)新思想和創(chuàng)新實(shí)踐過程，而不僅僅是結(jié)果正確與否。在總結(jié)多年實(shí)驗(yàn)課經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用兩種結(jié)果驗(yàn)收相結(jié)合的形式，一種形式是當(dāng)面驗(yàn)收，通過演示和口頭介紹展示實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)效果，并完成高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括利用VC、vb、matlab等軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析及相應(yīng)的改進(jìn)措施和仿真），這種方式是學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)結(jié)果的直觀體現(xiàn)；另一種形式是提交撰寫設(shè)計(jì)論文，相對(duì)與前者，這種形式更能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)思想、方案論證、技術(shù)路線等一些列創(chuàng)造性工作反映出來，同時(shí)還可鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，為將來撰寫科技論文奠定基礎(chǔ)。學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績是這兩部分成績的綜合。

4 結(jié)束語

關(guān)于傳感器實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革涉及面廣，環(huán)節(jié)多，是個(gè)比較復(fù)雜的問題。我們只是在這方面做了一些有益的嘗試，并取得了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。我們改革的目的很明確，就是要讓學(xué)生感覺到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都是一次挑戰(zhàn)，要想取得成功必須要有充分的準(zhǔn)備、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、細(xì)致的操作和靈活的思維。每一次實(shí)驗(yàn)的完成，不僅要讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ玫匠浞值挠?xùn)練和提高，更重要的是要激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。只有這樣才能為國家培養(yǎng)出具有較高的全面素質(zhì)的一流人才。

參考文獻(xiàn)：

篇（8）

 

1 引言

目前，水資源的管理和節(jié)約成為世界性的難題。在控制人們意識(shí)上浪費(fèi)的同時(shí)，各種節(jié)水設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。目前大多都是著眼于用水節(jié)約和效率，卻忽視了廢水的循環(huán)使用。為此，本文基于“綠色設(shè)計(jì)”的原則，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的家庭智能節(jié)水系統(tǒng)，最大限度的做到“水盡其用”。

2 智能節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

該設(shè)計(jì)用MCS-51單片機(jī)作為控制電路的核心控制部件來構(gòu)成控制器,單片機(jī)輸出不同程序信息，經(jīng)過移位寄存器74LS164驅(qū)動(dòng)，使得數(shù)碼管顯示相應(yīng)內(nèi)容，紅外傳感器以及混濁度傳感器和水位傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)過8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)寫入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理再把數(shù)字信號(hào)經(jīng)過8255A送給電磁閥電路和繼電器電路，控制其工作與否。從結(jié)構(gòu)來說該設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展I/O口。輸入部分包括按鍵設(shè)置、水位傳感器、渾濁度傳感器和紅外傳感器。輸出部分包括LED顯示、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和發(fā)光二極管。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 智能節(jié)水系統(tǒng)硬件選擇

家庭節(jié)水系統(tǒng)通常包括4個(gè)主要構(gòu)成部分，分別是收集器、處理器、儲(chǔ)存器和供給器。系統(tǒng)中要用水位傳感器和渾濁度傳感器及多個(gè)電磁閥、繼電器等，既有模擬量又有數(shù)字量。

3.1單片機(jī)的選取

ATMEL公司的89系列單片機(jī)也稱Flash單片機(jī)是以8031為核心構(gòu)成，它和 INTEL公司的MCS-S1系列單片機(jī)完全兼容，擴(kuò)展了它的功能。89系列單片機(jī)存在下列很顯著的優(yōu)點(diǎn):

(1)內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器;(2)和AT80C51插座兼容;(3)靜態(tài)時(shí)鐘方式;

(4)錯(cuò)誤編程亦無廢品產(chǎn)生;(5)可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。

鑒于以上的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過分析比較，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用ATMEL公司89系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)AT89C51。其片內(nèi)含有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)和4K字節(jié)的可電擦電寫閃爍程序存儲(chǔ)器E2PROM，這足以滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能。

3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

在眾多的轉(zhuǎn)換器中以逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的性價(jià)比最高，應(yīng)用最廣泛，國內(nèi)使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它包括一個(gè)高阻抗斬波比較器；一個(gè)帶有256個(gè)電阻分壓器的樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)邏輯控制環(huán)節(jié)和8 位逐次比較寄存器(SAR)；一個(gè)8位三態(tài)輸出緩沖器。

該系統(tǒng)中ADC0809與AT89C51單片機(jī)的連接如圖2所示，采用等待延時(shí)方式。論文大全。ADC0809的時(shí)鐘頻率范圍要求在10-1280kHz。ADC0809的CLOCK腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，因此當(dāng)單片機(jī)的時(shí)鐘頻率采用6MHz。ADC0809輸入時(shí)鐘頻率即為CLOCK=1MHz，發(fā)生啟動(dòng)脈沖后需延時(shí)100μs才可讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3.3 按鍵的識(shí)別和輸出顯示

常用的鍵盤有陣列式鍵盤、獨(dú)立式鍵盤。本設(shè)計(jì)中有4個(gè)按鍵，不必采用陣列式，而采用獨(dú)立式鍵盤鍵接一個(gè)上拉電阻與P1口的一個(gè)管腳連接。對(duì)于按鍵的識(shí)別，有動(dòng)態(tài)掃描和中斷兩種方式，在該設(shè)計(jì)中，按鍵的使用并不是很頻繁，所以采用了中斷的方式進(jìn)行按鍵的識(shí)別．

對(duì)于輸出，有動(dòng)態(tài)并行輸出、LCD液晶顯示屏和靜態(tài)譯碼輸出三種方式。水箱中的液位要提供給用戶，采用了最簡單的八段數(shù)碼管作為顯示部分的硬件電路。該設(shè)計(jì)中只用到兩個(gè)數(shù)碼管顯示，不會(huì)占用很多硬件資源，所以采用了靜態(tài)顯示。這樣在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下，顯示器的亮度大，而且顯示穩(wěn)定。在輸出方式上，由于對(duì)數(shù)碼管響應(yīng)速度不高，采用了串行移位的方式。這里采用74LS164進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)。

3.4電磁閥與繼電器的控制

為使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，采用了24V電磁閥和12V 繼電器。由于電磁閥不能直接與單片機(jī)相連，采用了光電隔離，再通過IRF 530進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。繼電器的驅(qū)動(dòng)采用的是最簡單的方法，即三極管驅(qū)動(dòng)，通過I/O腳電平的翻轉(zhuǎn)來對(duì)電磁閥進(jìn)行開/關(guān)控制。論文大全。電磁閥開關(guān)動(dòng)作的控制脈沖寬度可選為30ms。其控制電路如圖3所示。

圖3 電磁閥控制電路

3.5渾濁度傳感器、液位傳感器和紅外傳感器

APMS-10G渾濁度傳感器可以根據(jù)溶液含有的雜質(zhì)、灰塵的顆粒大小、密度不同，產(chǎn)生光電經(jīng)濾波后輸出即得到渾濁度檢測(cè)信號(hào)。采用AT89C51單片機(jī)與APMS-10G渾濁度傳感器通信,讀出渾濁度值,再將數(shù)據(jù)通過串行口傳給主機(jī)，采用可控三態(tài)門74LS125將兩路串行通道隔離,通過可控端分時(shí)使用，當(dāng)P17輸出高電平時(shí),與APMS-10G的通道導(dǎo)通；當(dāng)P17引腳低電平時(shí),與主機(jī)的通信回路導(dǎo)通。從機(jī)串口平時(shí)與主機(jī)保持通信暢通,將串口設(shè)為中斷狀態(tài),隨時(shí)可以接收主機(jī)發(fā)來的指令。

眾多的的傳感器當(dāng)中。諧振式水位傳感器采用了先進(jìn)的傳感原理,高Q值的諧振電路,具有較強(qiáng)的抗干擾能力、結(jié)構(gòu)靈巧、精密、簡單易于制造。該設(shè)計(jì)中采用了諧振式水位傳感器作為中位水箱和低位水箱中的水位檢測(cè)裝置。

紅外傳感器安裝在水龍頭內(nèi),當(dāng)人手觸發(fā)傳感器時(shí),信號(hào)傳遞給單片機(jī)。對(duì)于紅外傳感器，則利用熱釋電紅外傳感器直接接收運(yùn)動(dòng)人體的信號(hào)，使用574S紅外探頭。此電路只需要接收系統(tǒng)，不需要發(fā)射系統(tǒng)，通過技術(shù)處理，可以只接受運(yùn)動(dòng)的人體信號(hào)，比常規(guī)紅外光接收器抗干擾性強(qiáng)。論文大全。

4 智能節(jié)水系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。設(shè)計(jì)的思路是首先初始化，讓所有芯片都恢復(fù)最開始的設(shè)置，等所有芯片都準(zhǔn)備好了之后，則讀取E2PROM內(nèi)的數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行A/D采樣，讀取水位傳感器和渾濁度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若有數(shù)據(jù)輸入，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序并顯示水位的高度；沒有數(shù)據(jù)輸入則繼續(xù)下面的按鍵判斷。有鍵按下時(shí)，判斷是哪個(gè)按鍵按下，然后再轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序；若無按鍵按下，則轉(zhuǎn)回A/D采樣子程序，重復(fù)上述的程序，如此往復(fù)進(jìn)行下去。

5 結(jié)束語

提出了家庭智能節(jié)水系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)方案、硬件電路和主程序流程圖。

（1）從人性化、性價(jià)比方面綜合考慮器件的優(yōu)略，為該系統(tǒng)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

（2）紅外感應(yīng)水龍頭、LED顯示和延時(shí)可調(diào)開關(guān)不僅方面使用，便于監(jiān)控，而且方便自如的調(diào)節(jié)水流時(shí)間，達(dá)到了節(jié)約用水的目的。

（3）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建鋼. 模糊控制洗衣機(jī)渾濁度檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào),2002(1)

[2] 肖景和、趙健 紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M],人民郵電出版社，2003

[3] 張 偉. 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M],機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1

篇（9）

 

作為模擬人體感官的“電五官”（傳感器）是獵取所研究對(duì)象信息的“窗口”，它為系統(tǒng)提供賴以進(jìn)行處理和決策所必須的對(duì)象信息，它是高度自動(dòng)化系統(tǒng)乃至現(xiàn)代尖端技術(shù)必不可少的關(guān)鍵組成部分。未來的社會(huì)，將是充滿傳感器的世界。有人認(rèn)為支配了傳感器技術(shù)，就能把握住新時(shí)代。因此，傳感器技術(shù)是21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，各發(fā)達(dá)國家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國等西方國家也將此技術(shù)列為國家科技和國防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，我國從20世紀(jì)80年代以來也已將傳感器技術(shù)列入國家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。21世紀(jì)是人類全面進(jìn)入信息化的時(shí)代，作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一的傳感器技術(shù)必將有長足的發(fā)展。

“電五官”落后于“電腦”的現(xiàn)狀，已成為新型計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用的一大障礙，傳感器的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足計(jì)算機(jī)應(yīng)用和開發(fā)的需要；許多有競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品開發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造，都離不開傳感器。如：工廠自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、幾十萬千瓦的大型發(fā)電機(jī)組、連續(xù)生產(chǎn)的軋鋼生產(chǎn)線、無人駕駛的自動(dòng)化汽車、多功能裝備指揮系統(tǒng)、直至宇宙飛船或各種探測(cè)器等等，其開發(fā)與傳感器密不可分；傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高了產(chǎn)量和質(zhì)量，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時(shí)，推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效應(yīng)；傳感器普及于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，從茫茫太空到浩瀚海洋、從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，將造成良好的銷售前景。這些都是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和電腦的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競(jìng)相開發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起。

目前的傳感器，無論在數(shù)量上、質(zhì)量上和功能上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會(huì)多方面發(fā)展的需要。當(dāng)前，人們?cè)诔浞掷孟冗M(jìn)的電子技術(shù)條件，研究和采用合適的外部電路以及最大限度地提高現(xiàn)有傳感器的性能價(jià)格比的同時(shí)，正在尋求傳感器技術(shù)發(fā)展的新途徑。特別是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、專用集成電路（ASIC）及表面貼裝技術(shù)（SMT）等技術(shù)的發(fā)展，極大地加速了傳感器技術(shù)的發(fā)展。下面探討傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)：

1．開發(fā)新型傳感器

鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于物理學(xué)、化學(xué)等各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。目前發(fā)展最迅速的新材料是半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料以及所謂的“智能材料”（如形狀記憶合金，具有自增殖功能的生物體材料等）。如日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破。其靈敏度比霍爾器件高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件，而其制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡單。它可用于磁成像技術(shù)，具有廣泛推廣價(jià)值。此外，當(dāng)前控制材料性能的技術(shù)已取得長足的進(jìn)步，不久的將來人們將可按照傳感要求來合成所需的材料。其中，利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測(cè)極微信號(hào)，是傳感器發(fā)展的新方向之一。

2．結(jié)構(gòu)型傳感器的發(fā)展

結(jié)構(gòu)型傳感器主要向高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度方向發(fā)展。論文參考。目前，結(jié)構(gòu)型傳感器在國防和工業(yè)控制等領(lǐng)域還大量使用，但其在原理、材料和結(jié)構(gòu)形式等方面都不斷發(fā)生變化，并且向有源化方向發(fā)展，即將敏感元件和電路組裝在一起,減小裝置體積,提高信噪比和精度。結(jié)構(gòu)型傳感器由于采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，可大幅提高傳感器的性能。如采用微細(xì)加工技術(shù)（半導(dǎo)體技術(shù)中氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝、各向異性腐蝕以及蒸鍍、濺射薄膜等加工工藝），可制造出各式各樣的新型傳感器。

3．傳感器的集成化和多功能化

傳感器的集成化分為傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。前者是在同一芯片上，或?qū)⒈姸嗤活愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，使傳感器的檢測(cè)參數(shù)由點(diǎn)到面到體多維圖像化，甚至能加上時(shí)序，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)；后者是將傳感器與調(diào)理、補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w化，使傳感器由單一的信號(hào)變換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、干擾補(bǔ)償?shù)榷喙δ?mdash;—實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發(fā)出同時(shí)檢測(cè)Na+、K+和H+等多種離子的傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2.5mm×0.5mm，僅用一滴液體，如一滴血液，即可同時(shí)快速檢測(cè)出其中Na+、K+和H+的濃度，對(duì)醫(yī)院臨床非常方便實(shí)用。

目前集成化傳感主要使用硅材料，它可以制作電路，又可制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件。在制作敏感元件時(shí)要采用單硅的各向同性和各向異性腐蝕、等離子刻蝕 、離子注入等工藝，利用微機(jī)械加工技術(shù)在單晶硅上加工出各種彈性元件。當(dāng)今，發(fā)達(dá)國家正在把傳感器與電路集成在一起進(jìn)行研究。

4．傳感器的智能化

將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)，就是傳感器的智能化。智能傳感器具有自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷、數(shù)據(jù)處理、雙向通信、信息存儲(chǔ)和記憶、數(shù)字信號(hào)輸出等功能。智能傳感器按其結(jié)構(gòu)分為模塊式、混合式和集成式三種。模塊式智能傳感器是初級(jí)的，是由許多互相獨(dú)立的模塊組成，其集成度不高、體積較大，但比較實(shí)用；混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號(hào)處理電路制作在不同的芯片上。目前，其作為智能傳感器的主要類型而被廣泛應(yīng)用；集成式智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一芯片上，其結(jié)構(gòu)一般是三維器件（立體器件），具有類似于人的五官與大腦相結(jié)合的功能，并且智能化程度隨著集成化程度的提高而不斷提高。如美國圖尼爾公司的ST—3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作CPU，EPROM和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。論文參考。另外還有MEMS，MEMS通常是由傳感器、信息單元、執(zhí)行器和通信/接口單元等組成。它可從需要觀測(cè)與控制的對(duì)象中獲取光、聲、壓力、溫度等信息，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并要求處理、提取信息，通過執(zhí)行器對(duì)目標(biāo)實(shí)施控制或顯示；同時(shí)，系統(tǒng)通過通信/接口單元以光、電或磁的形式與其它微系統(tǒng)保持信息聯(lián)系。

今后,隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,還將研制出更高級(jí)的集成式智能傳感器,它完全可以做到將檢測(cè)、邏輯和記憶等功能集成在一塊半導(dǎo)體芯片上。同時(shí)，冷卻部分也可以制作在立體電路中，利用帕耳帖效應(yīng)使電路進(jìn)行冷卻。目前，集成式智能傳感技術(shù)正在起飛，它勢(shì)必在未來的傳感器技術(shù)中發(fā)揮重要的作用。

5．傳感器的虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化

5．1虛擬化。自20世紀(jì)90年代以來，一種全新概念“虛擬化”正獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。虛擬傳感器是傳感器、計(jì)算機(jī)和軟件這三者的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成軟硬結(jié)合、實(shí)虛共體的新一代傳感器。這種傳感器是基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)并且完全通過軟件開發(fā)而成，利用軟件來建立傳感器模型、標(biāo)定參數(shù)及標(biāo)定模型，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。如美國B＆K公司最近已開發(fā)一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并附帶一張軟盤，軟盤上存儲(chǔ)著該傳感器進(jìn)行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再從軟盤上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查，傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。此外，專供開發(fā)虛擬傳感器產(chǎn)品的軟件工具也已面市了。

5．2網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)傳感器是包含數(shù)字化傳感器、網(wǎng)絡(luò)接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網(wǎng)絡(luò)已不限于傳感器總線，還應(yīng)包括現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)和因特網(wǎng)。數(shù)字傳感器首先將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送給微處理器做數(shù)據(jù)處理，最后將測(cè)量結(jié)果傳輸給網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間，傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換及資源共享。

6．研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器

大自然是生物傳感器的優(yōu)秀設(shè)計(jì)師。它通過漫長的歲月，不僅造就了集多種感官于一身的人類本身，而且還設(shè)計(jì)了許許多多的功能奇特、性能高超的生物傳感器。如狗的嗅覺（靈敏閾為人的10 倍）；鳥的視覺（視力為人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的聽覺（主動(dòng)型生物雷達(dá)——超聲波傳感器）；蛇的接近覺（分辯率達(dá)0.001℃的紅外測(cè)溫傳感器）等等.這些生物的感官性能,是當(dāng)今傳感器技術(shù)所望塵莫及的.研究它們的機(jī)理,開發(fā)仿生傳感器（包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺傳感器等）,也是引人注目的方向。目前只有視覺與觸覺傳感器得到了比較好的發(fā)展。

傳感器技術(shù)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、軍事國防和以宇宙開發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域的同時(shí)，正以自己的巨大 力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透。論文參考。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會(huì)對(duì)高性能、高適用性傳感器的迫切需要，極大地推動(dòng)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、安全防范、家用電器等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。我們有理由相信，傳感器這顆璀璨的明珠，必將放射出更加耀眼的光芒。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用〔M〕.北京：國防工業(yè)出版社，1999。

〔2〕 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路〔M〕.北京：電子工業(yè)出版社，2001。

〔3〕 黃長藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001。

〔4〕 王元慶.新型傳感器原理及應(yīng)用〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002。

〔5〕 沙占友.智能化集成溫度傳感器原理及應(yīng)用〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

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生產(chǎn)實(shí)踐表明測(cè)量裝置失效是導(dǎo)致連續(xù)工業(yè)過程控制間斷的重要因素之一[1]。因此，對(duì)連續(xù)工業(yè)過程進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估尤為重要。目前常用的方法有貝葉斯估計(jì)法、DS證據(jù)推理法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理方法(ANFIS)和人工免疫網(wǎng)絡(luò)法等[2，3]。其中，連續(xù)生產(chǎn)過程中的物質(zhì)能量流模型和人工免疫網(wǎng)絡(luò)傳播模型相類似，所以利用這種關(guān)系進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估已成為近年來自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前基于人工免疫網(wǎng)絡(luò)的傳感器置信度評(píng)估方法主要有:以Ishida為代表的動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)和以Leonard M.Adleman為代表的基于DNA的陰性選擇[4-6]。而前者已成功地應(yīng)用于水泥生產(chǎn)過程的設(shè)備傳感器置信度評(píng)估。但是Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別方法中只能處理傳感器關(guān)系確定的情況。因此，本文引入了傳感器關(guān)系的非確定性約束，用于連續(xù)生產(chǎn)過程傳感器之間為非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評(píng)估。

1　傳感器置信度評(píng)估算法Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)是在N.K.Jerne系統(tǒng)級(jí)識(shí)別方法基礎(chǔ)上提出的。N.K.Jerne認(rèn)為在免疫網(wǎng)絡(luò)理論中，免疫系統(tǒng)由識(shí)別集合組成，識(shí)別集合中的一些抗原可以被其他抗原激活，并產(chǎn)生抗體;而這些抗體又可以激活其他的抗原。通過這種方式，刺激可以從一個(gè)抗原傳播到另外一個(gè)抗原，直至影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)刺激信號(hào)的辨識(shí)不是一個(gè)抗原單獨(dú)完成的，而是通過抗原相互連接的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的[7，8]。Ishida動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)方法利用傳感器之間的約束條件為每個(gè)傳感器建立測(cè)試單元。在用動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器置信度評(píng)估時(shí)，網(wǎng)絡(luò)主體與傳感器相對(duì)應(yīng)，免疫細(xì)胞的濃度與傳感器的可靠性相對(duì)應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)與傳感器正常狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，外部刺激信號(hào)和測(cè)試單元的測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)。因此，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)傳感器不僅測(cè)量工業(yè)過程的物理量，還要評(píng)估其他傳感器的可靠性。在同一工業(yè)過程中，溫度、壓力、流量等傳感器的測(cè)量值之間既互相獨(dú)立又互相聯(lián)系;只要利用簡單的工業(yè)過程知識(shí)就能建立起這些傳感器之間具有確定性的約束，所以這種方法實(shí)現(xiàn)起來較為簡單。這種模型可用圖1的結(jié)構(gòu)表示。圖1　動(dòng)態(tài)人工免疫網(wǎng)絡(luò)圖中是一個(gè)包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)的人工免疫網(wǎng)絡(luò)Nais(p(i)ais)，i =1，…，n。其中p(i)ais是網(wǎng)絡(luò)的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)， p(i)ais= {Aais，I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais}，Aais表示網(wǎng)絡(luò)中的抗體，I(i)ais表示第i個(gè)抗體的獨(dú)特位。在Ishida的方法中，p(i)ais與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的第i個(gè)傳感器的邏輯位置相對(duì)應(yīng)，抗體Aais與傳感器實(shí)體相對(duì)應(yīng)，抗體Aais的濃度與傳感器的可信度對(duì)應(yīng)，獨(dú)特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais對(duì)應(yīng)m個(gè)測(cè)試單元。對(duì)Aais(Aais∈p(i)ais)的刺激由第i個(gè)傳感器和其他傳感器建立的測(cè)試單元對(duì)應(yīng)的獨(dú)特位I(1)ais，I(2)ais，…，I(m)ais產(chǎn)生。但是，測(cè)試單元存在如下缺點(diǎn)[3]:測(cè)試單元的結(jié)果只能用0，1，-1來表示，不能利用人工經(jīng)驗(yàn)等一些非確定知識(shí)。針對(duì)這些缺點(diǎn)本文進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新型的測(cè)試單元。針對(duì)Ishida測(cè)試單元存在的不足，本文設(shè)計(jì)了模糊測(cè)試單元，使其能夠反應(yīng)傳感器數(shù)值間的非確定性關(guān)系。在動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)中，獨(dú)特位Iais實(shí)際上就是傳感器數(shù)值Sj和Sk的關(guān)系的體現(xiàn)，而這種關(guān)系用在模糊論域可分為5個(gè)等級(jí):{Sj小于Sk，Sj小于等于Sk，Sj在Sk的附近變化，Sj大于等于Sk，Sj大于Sk}。Sj和Sk之間的模糊關(guān)系則代表了動(dòng)態(tài)識(shí)別免疫網(wǎng)絡(luò)中抗體之間刺激的強(qiáng)度。設(shè)在t時(shí)刻，抗體Aais對(duì)應(yīng)的傳感器j通過獨(dú)特位I(jk)ais收到來自k傳感器的刺激為I(jk)ais(t)，則其隸屬度為I(jk)ais(t) =∪5l=112πσaisle-(sj-sk-μaisl)22σ2aisl(1)式中I(jk)ais(t)∈(0，1)，兩個(gè)數(shù)列之間的關(guān)系是互易的，所以I(jk)ais(t)=I(kj)ais(t);ηaisl，σaisl(l=1，2，3，4，5)是不同等級(jí)的隸屬度函數(shù)的中的常數(shù)，由Sj和Sk之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系決定。由外部刺激引起抗體濃度ri產(chǎn)生變化，可表示為dr(i)aisdt=∑nj=1R(i)aisI(ij)ais∑ni=1R(i)aisξais+r(i)ais(1-ξais) (2)R(i)ais=2arctan(qais·r(i)ais)π(1-Rd)+Rd(3)式中Rd∈(0，1)，經(jīng)驗(yàn)值取0.001;R(i)ais表示節(jié)點(diǎn)p(i)ais對(duì)應(yīng)的第i個(gè)傳感器的可信度，R(i)ais越大，傳感器的可信度越高，由于qais·rais>0，所以Rais∈(Rd，1);ξais為靈敏度系數(shù);qais是網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)系數(shù)，主要作用是傳感器網(wǎng)絡(luò)在正常時(shí)的可信度調(diào)節(jié)在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)貼于 2　參數(shù)確定的方法在本算法中，需要確定的參數(shù)有兩類:一類是式(1)影響對(duì)獨(dú)特位刺激程度的參數(shù)μais和σais，另一類是影響網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)的參數(shù)ξais和qais。參數(shù)μais和σais主要表征了和獨(dú)特位對(duì)應(yīng)的測(cè)試單元中兩個(gè)傳感器之間的關(guān)系。這種關(guān)系通常是生產(chǎn)工藝所要求的(或者工業(yè)過程特性決定的)。要確定參數(shù)μais和σais，首先要獲取這兩個(gè)傳感器大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后以它們相同時(shí)刻測(cè)量值的差作為樣本。μais是該樣本的正態(tài)分布的均值，σais是該樣本的正態(tài)分布的均方差。參數(shù)ξais和qais影響網(wǎng)絡(luò)的平衡狀態(tài)，如圖2所示。從圖中可以看出:ξais越大，網(wǎng)絡(luò)對(duì)外界的反映就越靈敏，但容易產(chǎn)生誤報(bào)。qais越大Rais正常狀態(tài)下就越大;但是，qais過大會(huì)造成測(cè)量失效狀態(tài)下的可信度變大，容易發(fā)生漏報(bào)。參數(shù)ξais和qais可以通過學(xué)習(xí)得到。在傳感器正常工作狀態(tài)下，qais可通過以下公式得到qais(t+1) = qais(t)+αais(Rais-R0) (4)式中αais為步長系數(shù);R0為qais調(diào)節(jié)時(shí)傳感器正常狀態(tài)下置信度的平均值，一般可取0.7。在某個(gè)時(shí)刻，1732傳　感　技　術(shù)　學(xué)　報(bào)2008年能比較試驗(yàn)。ANFIS結(jié)構(gòu)如圖4所示，酵罐三個(gè)溫度傳感器，兩個(gè)作為輸入，另外一個(gè)作為輸出，對(duì)傳感器輸入值的隸屬度劃分為兩個(gè)區(qū)間:正常和異常。經(jīng)過訓(xùn)練以后和分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)輸入傳感器的“標(biāo)準(zhǔn)可信度”。圖4　ANFIS的結(jié)構(gòu)例如，當(dāng)對(duì)于罐頂傳感器的置信度評(píng)估時(shí)，建立2個(gè)ANFIS:ANFIS-1:輸入為罐頂傳感器和罐中部傳感器，輸出為罐底傳感器，w(1)top表征罐頂傳感器的置信度。ANFIS-2:輸入為罐頂傳感器和罐底傳感器，輸出為罐中部傳感器，w(2)top表征罐頂傳感器的置信度。那么，罐頂傳感器的置信度為w(1)top和w(2)top的平均值。其余兩個(gè)傳感器的評(píng)估方法也同樣。AN-FIS實(shí)驗(yàn)使用和人工免疫網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)窗口大小為30 ks。由于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的置信度沒有可比性，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法中的置信度來源于人工經(jīng)驗(yàn)，ANFIS的標(biāo)準(zhǔn)的可信度來源于歸一化的權(quán)系數(shù)。因此，論文比較的是:傳感器“故障”引起的其置信度變化率ηt，ηt=| Rm-Ra|Rm(6)式中:Rm表示正常狀態(tài)下的置信度，Ra表示異常情況下的置信度。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，從中可以看出，兩種方法結(jié)果是一致的，而當(dāng)偏差數(shù)據(jù)較大時(shí)，ANFIS方法ηt的較大，對(duì)故障數(shù)據(jù)比較敏感，在偏差較小時(shí)，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法的ηt較大，對(duì)故障數(shù)據(jù)比較敏感。因此，人工免疫網(wǎng)絡(luò)算法適用的數(shù)值范圍更廣一些。表2　對(duì)比實(shí)驗(yàn)的ηt結(jié)果傳感器偏差數(shù)據(jù)/℃人工免疫網(wǎng)絡(luò)方法ANFIS方法罐頂傳感器-0.50 34.6% 57.7%罐中部傳感器-0.30 18.1% 4.8%罐底傳感器-0.15 6.4% 0.2%

3　結(jié)論論文研究了連續(xù)過程中傳感器具有非確定關(guān)系情況下的傳感器置信度評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明:①具有模糊測(cè)試單元的人工免疫網(wǎng)絡(luò)能夠使用人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)置信度進(jìn)行評(píng)估;②具有模糊測(cè)試單元的參數(shù)物理意義明顯、確定方法簡單易行。但是，論文中的算法在某些情況下抗干擾能力較弱。例如，圖3(c)所示情況應(yīng)用單條件的閥值比較的方法輸出的結(jié)果不穩(wěn)定，論文將用復(fù)合的判決條件的方法在此深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]　李雄杰，周東華，陳良光.一類非線性時(shí)滯過程的傳感器主動(dòng)容錯(cuò)控制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(5):980-984.

[2]　房方，魏樂.傳感器故障的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合診斷方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，13(4):272-276.

[3]　趙志剛，趙偉.基于動(dòng)態(tài)不確定度理論的多傳感器系統(tǒng)傳感器失效檢測(cè)方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2006， 19(6): 2723-2736.

[4]　Mizessyn F，Ishida Y.Immune Networks for Cement Plants[C]// IEEE: International Symposium on Autonomous Decen-tralized Systems. IEEE， 1993.282-288.

[5]　Costa Branco P J.Using Immunology Principles for Fault De-tection[J]，IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003，50(2):362-373.

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0引言

血壓是人體重要的生理參數(shù)之一，對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量，有利于早期發(fā)現(xiàn)和鑒別高血壓類型醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)論文，提出合理的治療建議。目前，臨床上對(duì)普通病人主要采用無創(chuàng)檢測(cè)的方法，它大致分為人工柯氏音法和示波法兩類，人工柯氏音法雖然比較準(zhǔn)確，但操作困難，受主觀因素影響較大，而示波法雖然操作簡單醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)論文，但穩(wěn)定性和個(gè)體適應(yīng)性都比較差，不利于其在臨床應(yīng)用上的普及和推廣。本文在示波法的基礎(chǔ)上，從硬件實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，改進(jìn)了原來的測(cè)量方法，并進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試

在研究國內(nèi)外已有產(chǎn)品或設(shè)計(jì)構(gòu)思的基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與智能控 制技術(shù)，盡量消除脈搏提取處理中的噪聲干擾與非線性失真醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)論文，提高血壓測(cè)量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，并提高了測(cè)量的自動(dòng)化和智能化論文開題報(bào)告。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)