多功能傳感器信號(hào)采集與控制技術(shù)研究.pdf

1、氣象測(cè)量在很多領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用,如天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境檢測(cè)和控制、運(yùn)動(dòng)休閑、戶外活動(dòng)等方面。國(guó)內(nèi)外的很多科學(xué)家都致力于該方面的研究,某些傳感器已接近于商業(yè)化生產(chǎn)。利用成熟的集成電路(IC)CMOS工藝結(jié)合MEMS后處理工藝能夠制作各種微傳感器,但是這類傳感器靈敏度非常低,輸出信號(hào)極其微弱,所有這些弱點(diǎn)都必須通過(guò)外部電路來(lái)彌補(bǔ)。本文針對(duì)傳感器的工作原理,詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)了傳感器控制電路和微弱信號(hào)檢測(cè)電路,最終實(shí)現(xiàn)了兩種片上系統(tǒng)(SOC)。

2、 本文研制的第一種微系統(tǒng)是利用C8051F單片機(jī)的二維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng),傳感器是本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的鉑電阻風(fēng)速計(jì)。采用恒溫差電路控制傳感器,將其表面加熱,使之高于環(huán)境一定溫度。在控制電路中,通過(guò)測(cè)量加熱條上的電壓反應(yīng)風(fēng)速的大小,通過(guò)測(cè)量風(fēng)向?qū)ΨQ點(diǎn)處由于風(fēng)速的影響而產(chǎn)生的片上溫差而得到風(fēng)速信息。該系統(tǒng)基于請(qǐng)求式測(cè)量,具有面積小(2cm×2cm),功耗低,通用性強(qiáng)(采用5V電壓,10位二進(jìn)制輸出),兩線制數(shù)字接口全標(biāo)定輸出(可直接送LCD顯示或

3、掛接到I2C總線上使用),自動(dòng)休眠功能的特點(diǎn)。整個(gè)流速范圍可以達(dá)到20m/s以上,偏差不大于0.5m/s,風(fēng)向測(cè)試為360度內(nèi)方向敏感,誤差小于4°,且回滯特性比較好,封裝后的傳感器功耗最大值小于500mW。從測(cè)試結(jié)果看,該傳感器的性能基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),進(jìn)一步證明了控制和信號(hào)檢測(cè)方案的可行性。同時(shí),本文提出了一種自動(dòng)調(diào)零的方法,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化、商業(yè)化提供了一種實(shí)踐依據(jù)。 本文研制的第二種微系統(tǒng)是溫濕度微系統(tǒng),溫度傳感器采用風(fēng)

4、速風(fēng)向傳感器的一個(gè)測(cè)溫電阻。濕度傳感器有兩類：一類采用電容型設(shè)計(jì),相對(duì)濕度與電容型濕度傳感器的電容值存在函數(shù)關(guān)系。由于電容基值及其變化量都很小(pF級(jí)),因此必須借助測(cè)量電路檢測(cè)出這一微小電容及增量,通過(guò)檢測(cè)電路測(cè)量電容值可以計(jì)算出環(huán)境濕度。在其中的一個(gè)方案中,我們通過(guò)555振蕩電路把電容轉(zhuǎn)化為頻率,利用C8051F單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)實(shí)現(xiàn)邊沿觸發(fā)的捕捉,從而測(cè)量這個(gè)頻率。在另一個(gè)方案中,我們借助CAV424芯片把

5、電容轉(zhuǎn)化為電壓,把電壓信號(hào)輸入到C8051F片內(nèi)自帶的AD進(jìn)行處理；另一類濕度傳感器采用壓阻型設(shè)計(jì),壓阻型濕度傳感器上集成了四個(gè)壓阻,呈電橋式分布,采用典型的電橋放大電路和加熱條控制電路,使檢測(cè)工作變得簡(jiǎn)單。兩種溫濕度微系統(tǒng)軟硬件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)功能,可以像風(fēng)速風(fēng)向傳感器系統(tǒng)一樣兩線制輸出,溫度測(cè)試范圍為-40℃～90℃,分辨率為0.1度；濕度測(cè)試范圍為10％RH～90％RH,分辨率為2％RH。但是因?yàn)闈穸葌鞲衅魅匀淮嬖谝恢滦圆?、溫漂較大、回滯