發布時間：2023-04-06 18:40:39
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的傳感器設計論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
關鍵詞：傳感器；AD轉換；控制器；硬件電路
引言
隨著微電子工業的迅速發展，單片機控制的智能型控制器廣泛應用于電子產品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓練充分激發學生分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。另外，液位控制在高層小區水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。通過對模型的設計可很好的延伸到具體應用案例中。
一、系統設計方案比較說明
對于液位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現如下：
(1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優點是結構簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現。
(2)復雜控制器控制方式。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，把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號，經過前置放大、多路切換、AD變換成數字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節參量；經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節電機轉速，以達到控制水箱液位的目的。
針對上述2種控制方式，以及設計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監控的系統。根據監控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機控制固態繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現場實時顯示測量值，從而實現對水箱液位的監控。
二、工作原理
基于單片機實現的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。
工作過程如下：水箱(水塔)液位發生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標準信號，送入AD轉換器，AD轉換器把模擬信號變成數字信號量，由單片機進行實時數據采集，并進行處理，根據設定要求控制輸出，同時數碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件設計
液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數碼顯示電路、AD轉換器和輸出控制電路等。
3.1單片機
單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片。
3.2傳感器
傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經過特殊加工處理，用堅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。水箱水位高度發生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到AD轉換器。
3.3鍵盤電路
P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。
3.4液位顯示電路
液位顯示采用數碼管動態顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發器，在單片機系統中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
3.5AD轉換電路及控制輸出
AD轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉換程序。控制輸出主要有上下限狀態顯示、超限報警。另外在設計過程中預留了串行口，供進一步開發使用。
四、軟件設計
4.1鍵盤程序
由于鍵盤采用的是4×4結構，因此可使用的鍵有16個，根據需要分別定義各鍵，0～9號為數字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復位鍵。
值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。
五、結束語
基于單片機實現液位控制器模型設計的關鍵在于硬件電路的正確構建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。
參考文獻：
[1]黃智偉.傳感器技術.2002，21（9）：31～33
關鍵詞：角度傳感器，C8051F005單片機，角度預置，步進電機，顯示聯動
0.引言：
傳感器在現代信息技術中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統提供進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的性能，本設計采用以單片機為控制單元，用單軸傾角傳感器檢測平衡板傾斜角度，采取步進電機控制平衡板角度自動旋轉目的。
1.硬件電路設計
角度傳感器硬件連接圖如圖1所示，當步進電機帶動平衡板傾斜到使角度傳感器SCA60C處于水平位置時，Vo端輸出+0.5V的模擬電壓。傳感器SCA60C僅可精確檢測到0~90度的角度范圍，當平衡板轉到使角度傳感器與水平面成90度的角度時，此時Vo端輸出+5V的模擬電壓。在0~90度的傾角范圍內，Vo端輸出的是正比于傾角大小的+0.5~+5V的模擬電壓信號，當平衡板轉動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，輸出端Vo輸出的是從+5V依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號[1][2]，因此通過測定傳感器SCA60C輸出端Vo電壓的大小即可確定平衡板與水平面的夾角。
步進電機驅動電路的設計本系統中，我們選擇4相5線步進電機，其驅動電路主要由L297+L298組成，該驅動電路集驅動與保護于一體。L297是脈沖分配器，只要步進電機A、B、C、D四項依次連接到J1的1、2、3、4各點，且將剩下的一條線接地，L297就會自動的將輸入到端口CW/CCW的脈沖分配給步進電機的各個相序，此時步進電機便可轉動[3][4]。控制電機時只需單片機通過I/O口向L297的cw/ccw和clock端發送控制信號即可控制它的轉速和正反轉。驅動電路原理如下圖2。論文參考。論文參考。
圖1角度傳感器硬件連接圖圖2步進電機驅動電路原理圖
本系統主要由主控制器模塊、角度檢測模塊、A/D轉換模塊、鍵盤模塊和顯示器模塊等部分組成，系統連接圖如圖3所示：
圖3系統框圖
系統分為兩個工作模式，工作于模式一時，可通過鍵盤模塊預置一個角度，主控制器接收到此信息后，通過控制電機控制模塊來使角度檢測模塊做出轉動動作以使平衡板按輸入角度完成傾斜動作。同時，角度傳感器輸出的模擬量經A/D轉換模塊轉換后送入主控制器，主控制器據此輸入判定平衡板是否已傾斜到預置的角度，并據此來控制電機控制模塊，并且主控制器模塊通過控制顯示模塊實時的顯示平衡板的傾斜角度。通過按鍵模塊可將系統切換到模式二，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容與平衡板聯動，兩種工作可通過按鍵來切換。系統使用c8051f00作為控制核心，128*64作為顯示器，4*4鍵盤來輸入需要預置的角度。程序具有角度預置和自動尋找平衡點兩種模式，根據不同需要選擇，具有友好人機界面，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.系統測試與分析
表1系統性能測試
基本要求測試 發揮部分測試 輸入角度大小 平衡時角度 誤差 起始傾斜角度 平衡時角度 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
0.17 121 o
關鍵詞：傳感器，發展，新趨勢
作為模擬人體感官的“電五官”（傳感器）是獵取所研究對象信息的“窗口”，它為系統提供賴以進行處理和決策所必須的對象信息，它是高度自動化系統乃至現代尖端技術必不可少的關鍵組成部分。未來的社會，將是充滿傳感器的世界。有人認為支配了傳感器技術，就能把握住新時代。因此，傳感器技術是21世紀人們在高新技術發展方面爭奪的一個制高點，各發達國家都將傳感器技術視為現代高新技術發展的關鍵。從20世紀80年代起，日本就將傳感器技術列為優先發展的高新技術之首，美國等西方國家也將此技術列為國家科技和國防技術發展的重點內容，我國從20世紀80年代以來也已將傳感器技術列入國家高新技術發展的重點。21世紀是人類全面進入信息化的時代，作為現代信息技術的三大支柱之一的傳感器技術必將有長足的發展。
“電五官”落后于“電腦”的現狀，已成為新型計算機的進一步開發和應用的一大障礙，傳感器的發展遠遠不能滿足計算機應用和開發的需要；許多有競爭力的新產品開發和卓有成效的技術改造，都離不開傳感器。如：工廠自動化中的柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）、幾十萬千瓦的大型發電機組、連續生產的軋鋼生產線、無人駕駛的自動化汽車、多功能裝備指揮系統、直至宇宙飛船或各種探測器等等，其開發與傳感器密不可分；傳感器的應用提高了機器設備的自動化程度，提高了產量和質量，產生了巨大的經濟效應。同時，推動了科學技術的進步，促進了生產力的發展，產生了巨大的社會效應；傳感器普及于社會各個領域，從茫茫太空到浩瀚海洋、從各種復雜的工程系統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發展的強大動力，隨著現代科學技術，特別是大規模集成電路技術的飛速發展和電腦的普及，傳感器在新的技術革命中的地位和作用將更為突出，一股競相開發和應用傳感器的熱潮已在世界范圍內掀起。
目前的傳感器，無論在數量上、質量上和功能上，遠遠不適應社會多方面發展的需要。當前，人們在充分利用先進的電子技術條件，研究和采用合適的外部電路以及最大限度地提高現有傳感器的性能價格比的同時，正在尋求傳感器技術發展的新途徑。特別是電子設計自動化（EDA）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、數字信號處理（DSP）、專用集成電路（ASIC）及表面貼裝技術（SMT）等技術的發展，極大地加速了傳感器技術的發展。下面探討傳感器發展的新趨勢：
1．開發新型傳感器
鑒于傳感器的工作機理是基于物理學、化學等各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感材料，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。目前發展最迅速的新材料是半導體、陶瓷、光導纖維、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技術研制成功高溫超導磁傳感器，是傳感器技術的重大突破。其靈敏度比霍爾器件高，僅次于超導量子干涉器件，而其制造工藝遠比超導量子干涉器件簡單。它可用于磁成像技術，具有廣泛推廣價值。此外，當前控制材料性能的技術已取得長足的進步，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，利用量子力學諸效應研制的高靈敏閾傳感器，用來檢測極微信號，是傳感器發展的新方向之一。
2．結構型傳感器的發展
結構型傳感器主要向高穩定性、高可靠性和高精度方向發展。論文參考。目前，結構型傳感器在國防和工業控制等領域還大量使用，但其在原理、材料和結構形式等方面都不斷發生變化，并且向有源化方向發展，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。結構型傳感器由于采用新結構、新材料和新工藝，可大幅提高傳感器的性能。如采用微細加工技術（半導體技術中氧化、光刻、擴散、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電路的集成化。前者是在同一芯片上，或將眾多同一類型的單個傳感器件集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，使傳感器的檢測參數由點到面到體多維圖像化，甚至能加上時序，變單參數檢測為多參數檢測；后者是將傳感器與調理、補償等電路集成一體化，使傳感器由單一的信號變換功能，擴展為兼有放大、運算、干擾補償等多功能——實現了橫向和縱向的多功能。如日本豐田研究所開發出同時檢測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，即可同時快速檢測出其中Na+、K+和H+的濃度，對醫院臨床非常方便實用。
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，利用微機械加工技術在單晶硅上加工出各種彈性元件。當今，發達國家正在把傳感器與電路集成在一起進行研究。
4．傳感器的智能化
將傳統的傳感器和微處理器及相關電路組成一體化的結構，就是傳感器的智能化。智能傳感器具有自校準、自補償、自診斷、數據處理、雙向通信、信息存儲和記憶、數字信號輸出等功能。智能傳感器按其結構分為模塊式、混合式和集成式三種。模塊式智能傳感器是初級的，是由許多互相獨立的模塊組成，其集成度不高、體積較大，但比較實用；混合式智能傳感器是將傳感器、微處理器和信號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用；集成式智能傳感器是將一個或多個敏感元件與微處理器、信號處理電路集成在同一芯片上，其結構一般是三維器件（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、執行器和通信/接口單元等組成。它可從需要觀測與控制的對象中獲取光、聲、壓力、溫度等信息，轉換成電信號并要求處理、提取信息，通過執行器對目標實施控制或顯示；同時，系統通過通信/接口單元以光、電或磁的形式與其它微系統保持信息聯系。
今后,隨著傳感器技術的發展,還將研制出更高級的集成式智能傳感器,它完全可以做到將檢測、邏輯和記憶等功能集成在一塊半導體芯片上。同時，冷卻部分也可以制作在立體電路中，利用帕耳帖效應使電路進行冷卻。目前，集成式智能傳感技術正在起飛，它勢必在未來的傳感器技術中發揮重要的作用。
5．傳感器的虛擬化和網絡化
5．1虛擬化。自20世紀90年代以來，一種全新概念“虛擬化”正獲得愈來愈廣泛的應用。虛擬傳感器是傳感器、計算機和軟件這三者的有機結合，構成軟硬結合、實虛共體的新一代傳感器。這種傳感器是基于計算機平臺并且完全通過軟件開發而成，利用軟件來建立傳感器模型、標定參數及標定模型，以實現最佳性能指標。如美國B＆K公司最近已開發一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并附帶一張軟盤，軟盤上存儲著該傳感器進行標定的有關數據。使用時，傳感器通過數據采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號，再從軟盤上讀出有關數據，然后自動完成對傳感器的檢查，傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。此外，專供開發虛擬傳感器產品的軟件工具也已面市了。
5．2網絡化。網絡傳感器是包含數字化傳感器、網絡接口和處理單元的新一代智能傳感器。這里講的網絡已不限于傳感器總線，還應包括現場總線、局域網和因特網。數字傳感器首先將被測參數轉換成數字量，再送給微處理器做數據處理，最后將測量結果傳輸給網絡，以便實現各傳感器之間、傳感器與執行器之間，傳感器與系統之間的數據交換及資源共享。
6．研究生物感官，開發仿生傳感器
大自然是生物傳感器的優秀設計師。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，而且還設計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（主動型生物雷達——超聲波傳感器）；蛇的接近覺（分辯率達0.001℃的紅外測溫傳感器）等等.這些生物的感官性能,是當今傳感器技術所望塵莫及的.研究它們的機理,開發仿生傳感器（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展。
傳感器技術在廣泛應用于工業自動化、軍事國防和以宇宙開發為代表的尖端科學與工程等重要領域的同時，正以自己的巨大 力，向著與人們生活密切相關的方面滲透。論文參考。現代科學技術的飛速發展以及社會對高性能、高適用性傳感器的迫切需要，極大地推動了傳感器技術的發展。生物工程、醫療衛生、環境保護、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：
〔1〕 單成祥.傳感器的理論與設計基礎及其應用〔M〕.北京：國防工業出版社，1999。
〔2〕 何希才.傳感器及其應用電路〔M〕.北京：電子工業出版社，2001。
〔3〕 黃長藝.機械工程測試技術基礎〔M〕.北京：機械工業出版社，2001。
〔4〕 王元慶.新型傳感器原理及應用〔M〕.北京：機械工業出版社，2002。
〔5〕 沙占友.智能化集成溫度傳感器原理及應用〔M〕.北京：機械工業出版社，2002
〔6〕 何勇 王生澤.光電傳感器及其應用〔M〕.北京：化學工業出版社，2004
摘 要
近年來，基于對礦井生產系統安全的監測，國內外先后研制出多種類型的計算機監測系統，但由于現有監測系統具有成本高、功耗高和設備龐大等特點，不適應大多數中小型煤礦特別是小型煤礦的需求，而當前礦難大多數發生在中小型煤礦特別是小型煤礦中。因此，為了滿足大多數中小型煤礦的需求，本論文設計了1種關于煤礦瓦斯濃度測試的新型傳感器。
針對目前情況設計1種井下便攜式瓦斯探測器，當瓦斯氣體濃度接近危險值時，自動發出報警，提醒井下人員立刻離開。該設備同時還具備靈敏度調節和檢測強度調節開關，有簡單、方便、準確、實用等特點。該設計是1種基于單片機控制的瓦斯探測器，具有簡單實用、可控性強等特點。從組成框圖、硬件設計以及程序流程及代碼等幾方面對其進行了介紹。
本文采用了氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環境中某種氣體及其濃度的1種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關的信息轉換成電信號，從而可以進行檢測、監控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。目前，人們對氣敏傳感器的測試方法主要停留在用人工手動的方式來操作，開發出1種實用高效的智能化傳感器測試裝置是極為必要的。而語音信號是信息的又1主要載體，如果在這些測量場合能用語音直接報出結果，將給操作人員帶來極大方便，本文就介紹1種新型的氣敏傳感器測試系統。
由于各種條件的限制和現有的能力，本論文只進行了該系統的基本原理設計，要形成產品進入市場銷售，還需做大量的后期工作。
關鍵詞:瓦斯; 氣敏傳感器；單片機；
Based on the control of the microcontroller gas concentration sensor design
Abstract
In recent years, based on to the mine pit production system security monitor, domestic and foreign successively developed the many kinds of types the computer monitor system, but because the existing monitor system had the cost high, the power loss high and the equipment is huge and so on the characteristic, the unsuitable majority middle and small scale coal mine specially was the small coal mine demand, but the current ore difficult majority to occur in the middle and small scale coal mine specially is in the small coal mine. Therefore, in order to satisfy the majority middle and small scale coal mine the demand, the present paper has designed one kind about the coal mine gas density test new sensor.
Designs one kind of mine shaft portable gas detector in view of the present situation, when the gas gas density approaches the dangerous value, automatically sends out reports to the police, the reminder mine shaft personnel leaves immediately. At the same time this equipment also has the sensitivity adjustment and the examination intensity regulating cock, has simply, convenient, accurate, is practical and so on the characteristic. This design is one kind the gas detector which controls based on the monolithic integrated circuit, has simply practical, Controllable nature is strong and so on the characteristic. From the composition diagram, the hardware design as well as the procedure flow and the code and so on several aspects have carried on the introduction to it.
This article used had been mad the sensitive sensor, was mad the sensitive sensor was can in the sensation environment some kind of gas and its the density one kind of sensitive component, it the gaseous component, the density and so on the related information transformed the electrical signal, thus was allowed to carry on the examination, the monitoring, reports to the police; Also may through the connection electric circuit and the computer composition automatic detection, controls and the alarm system. At present, the people to were mad the sensitive sensor the test method mainly pauses is using the artificial manual way to operate, develops one kind of practical highly effective intellectualized sensor testing device is extremely essential. But the pronunciation signal is an information main carrier, if can use the pronunciation in these survey situations directly to send out the result, will give the operator to bring enormously is convenient, this article introduced one kind will have the new function the new gas sensitive sensor test system.
關鍵詞：溫度傳感器，濕度傳感器，GSM，遠程監測
1、引言
高級別的質量檢測需要在高質量的環境中進行。溫度和濕度是環境的重要參數，對溫濕度的監測是實現優質環境的重要手段。為了避免人為干擾環境和提高效率，遠程監測是一種有效的方法。目前的遠程監測系統大多采用以太網絡、無線數據傳輸模塊或zigbee無線網絡傳輸數據[ 1-6]。但是，以太網是有線傳輸，需布線，受地理環境影響較大；無線數據傳輸模塊的傳輸誤碼率高，可靠性差；zigbee是專用協議無線網絡，成本高，開發難，而且覆蓋范圍有限。本文提出一種基于GSM的溫濕度遠程監測系統，具有傳輸誤碼率低、成本低及覆蓋范圍廣等優點，并且可與監測人員的手機綁定，實現隨時、隨地，移動監測。
2、傳感器的數學模型
2.1 半導體溫度傳感器原理
根據PN結理論，在一定的電流模式下，PN結的正向電壓與溫度具有很好的線性關系。對于理想二極管，只要正向電壓VF大于幾個KT/q，其正向電流IF與正向電壓VF和溫度T之間的關系可表示為
(1)
式中IS 為二極管反向飽和電流， K 為波爾茲曼常數（1.38×10-23J/K），T 為絕對溫度（K）， q為電子電荷（1.602×10-19庫侖），
整理后，得
(2)
如前所述，晶體管的基極一發射極電壓在其集電極電流恒定條件下，可以認為與溫度呈線性關系[7]。
2.2 阻抗型高分子濕度傳感器原理
阻抗型高分子濕度傳感器的感濕原理如下：高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移速度增加；同時吸附的水分子使解離的離子增多，膜電阻隨濕度增加而降低，由電阻變化可測知環境濕度。阻抗型高分子濕度傳感器復阻抗與空氣相對濕度、材料配方和電極結構都有關系： 與我有關系
(3)
其中m為叉指對數，b為單個叉指長度，n為電化學反應電子轉移數，f為法拉第常數，c*為氧化劑濃度，D為擴散系數[8]。
但由于傳感器的材料配方、電極結構等方面的不同，導致各種不同的阻抗型高分子濕度傳感器的特性曲線有較大差別，不能用統一的曲線來概括。
3、遠程監測系統
本系統采用先進的GSM無線通信技術、配合以嵌入式解決方案和數據采集等先進技術，構建了一種基于GSM的溫濕度遠程監測系統。
3.1 系統組成及功能
系統分為監測中心站和遠程監測終端兩個部分:監測中心站主要有PC主機、GSM通信模塊TC35i組成（或用戶手機）；遠程監測終端主要是由LPC2148ARM內核控制器、GSM通信模塊TC35i、信號調理電路、人機接口和通信接口電路組成。監測中心站通過GSM網絡與監測終端進行無線遠程通信,實現了基于GSM的遠程監測。系統結構圖如圖1所示。
圖1 遠程監控系統框圖
系統實現的功能主要包括數據采集、數據傳送、報警、實時控制和數據處理。遠程監測終端主要負責采集溫度、濕度、2項數據，根據監測中心的命令進行實時上傳數據。中心對收到的采集數據進行處理，報警，實現實時監控。
3.2 溫度檢測電路
本系統采用AD公司生產的單片半導體集成模擬型溫度傳感器AD590。它具有線性度高、精度高、體積小、響應快、價格低等優點,測溫范圍為-55~+150℃。具有良好的互換性,非線性誤差為±0.3℃。此外,AD590的抗干擾能力強,信號的傳輸距離可達100 m以上[9]。
流過器件AD590的電流(μA)等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文)度數：
(4)
式中，—流過器件(AD590)的電流，單位K
AD590的靈敏度為1μA/K,0℃時輸出273μA電流,每上升1℃輸出電流增加1μA ,每下降1℃輸出電流減小1μA。AD590基本測溫電路如圖2所示。
圖2 溫度檢測電路
3.3 濕度監測電路
系統采用CHR-01型阻抗型高分子濕度傳感器，其復阻抗與空氣相對濕度成指數關系。其基本特性為：工作電壓1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），檢測范圍20%～ 90% RH，檢測精度±5%，工作溫度范圍0℃～＋85℃，特征阻抗范圍21 ～ 40.5KΩ。濕度傳感器阻抗變化與溫度有關，其關系見規格書中濕度阻抗特性數據表，通常先檢測溫度，然后按阻抗查表獲得濕度值。由于直流電壓可使水分子電離，加速老化，所以采用交流電壓測試其阻抗[10]。
將CHR-01與555構成多諧振蕩器，通過檢測頻率，進而獲得阻抗。濕度檢測電路如圖3所示。
圖3 濕度檢測電路
低電平表達式：
高電平表達式：
輸出頻率表達式：
(5)
利用單片機的定時器/計數器進行頻率測量，假設計時時間為T(s)，此期間計數值為N，則被測頻率f=N/T
則CHR-01的阻抗為
(6)
其中R1與C的選擇很關鍵，電容C要選擇高精度電容，一是保證其充放電的能力，二是為了其電容值精確，更方便計算濕敏電阻的返回值。
3.4 GSM模塊
本系統采用西門子公司工業級GSM模塊TC35i進行遠程數據傳輸。TC35i支持中英文短消息，自帶異步串行通信接口，方便與PC機和單片機接口，可傳輸語音和數據信號，通過AT命令可實現雙向傳輸指令和數據，波特率可達300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，電源范圍為直流3.3～4.8V，電流消耗為空閑狀態為25mA，發射狀態平均為300mA。
3.5 微控制器LPC2148
現場監測站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 內核的微控制器LPC2148作為主控制器，完成現場監測站的全局控制。論文參考網。LPC2148內嵌32KB 的片內靜態RAM 和512 KB 的片內Flash 存儲器，片內集ADC、DAC 轉換器，實時時鐘RTC，2 UART ,及USB2.0等多種接口。具有JTAG調試接口、方便在線調試，而且應用電路相對簡單，開發和生產的成本低。芯片可以實現最高60 MHz 的工作頻率，能夠滿足嵌入式系統μC/OS-II 及人性化的人機界面的要求。大容量的內存，方便了收發短消息時的數據緩沖。
4、系統的軟件設計
系統采用GSM無線通信模塊TC35i實現遠程數據通信，TC35i通過AT命令來進行控制，采用短消息方式進行數據傳輸。系統軟件包括現場監測站軟件和監測中心站軟件兩部分。現場監測站軟件主要完成短消息收發、PDU數據協議分析、A/D轉換、串口通信及人機接口的功能，其中重點是短消息收發和PDU數據協議分析，這是解決現場監測站與監測中心站之間遠程無線通信的關鍵。論文參考網。監測中心站的短消息收發及PDU數據協議分析與現場監測站軟件流程基本相同，不再贅述。
4.1 發送短消息
發送短消息的過程:首先將短消息中心號碼、對方號碼、短消息內容編碼成PDU格式;然后計算出短消息的長度,發送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回車即ASCⅡ碼0x0D。等待TC35i模塊返回ASCⅡ字符“〉”,則可以將PDU數據輸入,PDU數據以〈Z〉作為結束符。短消息發送結束后模塊返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。發送短消息流程圖如圖4所示。
圖4 發送短消息流程圖
4.2 接收短消息
接收短消息使用定時器進行周期性串口查詢的方式。短消息到達后,計算機可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存儲位置)〈CRLF〉。讀取PDU數據的AT命令為AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,執行此命令后模塊返回剛剛收到的PDU格式的短消息內容。收到PDU格式的短消息后,將這個短消息進行解碼,解碼出短消息發送方的手機號碼、短消息發送時間、發送的短消息內容。接收短消息流程圖如圖5所示。論文參考網。
圖5 接收短消息流程圖
6、結論
為了實現質檢所需的優質環境，本文研究一種基于GSM的溫濕度遠程監測系統。設計了以LPC2148為核心的現場監測終端系統，實現溫濕度的采集，短消息收發及人機接口等功能，并通過GSM模塊TC35i與監測中心站通信，接受指令并實時上傳信息，實現了監測中心對現場溫濕度的遠程監測。實驗表明，本系統傳輸誤碼率低，通信可靠，具有很好市場前景，也為高效率遠程監測系統的實現提供了一種新方法。
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Abstract： We present the capacitance detection circuit which based on the structure analysis of capacitive corn moisture sensor and the relationship between capacitance of capacitive sensor and dielectric constant of corn. In addition， different operating modes of detection circuit are analyzed. The relationship between corn moisture content and sensor capacitance is obtained through experiment and binary cubic equation is obtained by the least square fitting method.
關鍵詞：玉米水分；水分測量；電容式傳感器；檢測電路
Key words： corn moisture；moisture measurement；capacitive sensor；detection circuit
中圖分類號：TM930.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）03-0194-02
0 引言
玉米水分含量是玉米細胞的必要組成部分，也是維持玉米細胞本身生命活動所必需的。因此，玉米水分含量既不能過高，也不能過低，要保持適宜。水分過高，重量加重，而且容易引起玉米發熱、霉變和其他生化反應；水分過低，會破壞有機物質，損壞干物質，所以，玉米水分的檢測是玉米安全存儲的主要環節[1，2]。
傳統的水分測量方法是烘箱法，這種方法準確度高，適用范圍廣，但是時間長，步驟繁瑣，不宜現場使用。近年來，國內外研究各種間接檢測方法以求取代傳統烘箱法，主要包括電導法、電容法、射線法、中子法、微波法等，一般速度較快，易實現在線和現場檢測[3]。其中電容法是水分檢測的常用方法，它具有體積小以及檢測速度快的優點，但其高水分時的重復測量精度還有待于提高。
1 電容式傳感器測量原理
由于所測玉米為顆粒形狀，裝入容器中存在許多氣隙，因而介電常數較小。但傳感器的極板有效面積不能太小，因此設計中的電容傳感器采用同軸的圓筒型電容傳感器。采用這種傳感器的另一目的是，它的電極是非對稱的，即內極板被外極板所包絡，這樣可以十分有效地抑制人體感應。設計的電容式傳感器如圖1所示。
將被測玉米放入傳感器兩極板間的介質空腔，由于玉米含水量不同，從而使電容式傳感器的相對介電常數發生變化，即引起了電容值變化，從而測出玉米的水分含量。
柱面高為L，內圓柱外表面半徑為R1，外圓柱內表面半徑為R2。當L>>R2-R1時，可忽略圓柱兩端的邊緣效應影響。
得到同芯柱型電容傳感器的計算公式[4]為：
由上式可以看出，傳感器電容的變化與玉米相對介電常數成線性關系，而相對介電常數隨玉米的水分含量而改變，因此可得到玉米的水分含量。
2 測量電路
電容式傳感器中電容值以及電容變化值都十分微小，這就必須借助于測量電路測量出這一微小電容增量，并轉換成與其成單值函數關系的電壓、電流或者頻率[7，8]。電容轉換電路有電容充放電式電路、調頻電路、運算放大器式電路、普通交流電橋法、二極管雙T型交流電橋、脈沖寬度調制電路等[9]。
本論文討論的是利用傳感器電容的充電和放電的原理，將電容轉換為電壓，根據測量的電壓來得到傳感器的電容[10]。
電容的充電過程：電壓Vi對電容C進行充電，t是指充電的時間，RC的乘積是時間常數，充電方程為
該測量電路是利用傳感器電容的充電和放電的原理，使輸出信號隨電容傳感器的電容量變化而變化，經過差分運放電路、同相比例運放電路、低通濾波器可得到對應于傳感器電容變化的直流電壓信號。電容式傳感器檢測電路如圖2所示，圖3所示為電容充電時等效檢測電路，圖4所示為電容放電時等效檢測電路。
3 實驗與數據處理分析
實驗是在室溫下進行的，不考慮溫度變化的影響。使用檢測電路測量出了樣品的電容值，并使用烘干法得到了樣品的含水量，根據實驗數據得到玉米含水量與電容值的關系曲線如圖5所示。由曲線可以看出，隨著玉米含水量的增加，其對應的電容值也隨之增大。
根據實驗得到的數據用最小二乘法擬合出電容x（nF）與玉米的水分含量y（%）的二元三次方程，如式（6）所示。
y=-0.000054149x3-0.0089798x2+0.63413x+11.4539
（6）
4 結論
本文準備了多組樣品，并通過實驗得到了樣品的含水量及對應的電容值的關系曲線。由曲線可得出，根據測量電路測出的未知水分樣品的電容值，可以得到樣品的含水量，并且與實際烘干法測量的樣品含水量相比誤差很小。由此可以得出，本論文討論的電容式傳感器及其測量電路測量玉米水分的精確度比較高，適合玉米水分的精確測量。
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關鍵詞：智能車輛；環境感知；傳感器；多傳感器信息融合
中圖分類號：E91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
隨著社會的進步，汽車成為人們出行必不可少的交通工具，車輛堵塞、交通事故等問題也日益顯現。汽車數量的快速增長造成了公共交通效率低下、交通事故頻發。建立起現代化的智能交通系統便被提到日程上來。智能車輛（Intelligent Vehicles， IV）作為智能交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，也是系統的運行主體，能夠提高駕駛安全性，大幅改善公路交通效率，降低能源消耗量，由于眾多優點，該技術的研究日益受到國內外相關機構的關注。
智能交通系統能夠有效緩解交通壓力，合理調配公共交通資源和道路資源。基于機器傳感技術和控制技術，駕駛系統采用信息傳輸技術和計算機視覺技術監測道路路面、交通標志、其他車輛、行人以及交通事故等道路環境狀況，有效保證智能車輛在各種路況下的安全行駛，并能對一些異常狀況進行及時處理。在過去的10多年里，相關技術取得了很大的進步，有些國家已經成功開發了一些基于視覺的道路識別和跟蹤系統。其中，具有代表性的系統有：LOIS系統、GOLD系統、RALPH系統、SCARF 系統和ALVINN系統等。從這些先進技術的應用便可看出，感知外部環境模塊是智能車輛的核心技術。
二、環境感知傳感器在智能車輛上的應用現狀
智能車輛在道路上暢行離不開相應的傳感技術，其中最重要的是道路環境感知模塊，該模塊將先進的通訊技術、信息傳感技術、計算機控制技術結合起來系統利用。智能車輛系統主要有環境感知模塊、分析模塊、控制模塊等部分組成。環境感知傳感系統主要由機器視覺識別系統、雷達系統、超聲波傳感器和紅外線傳感器組成。
（一）機器視覺識別系統
機器視覺識別系統是指智能車輛利用CCD等成像元件從不同角度全方位拍攝車外環境，根據搜集到的視覺信息，識別近距離內的車輛、行人、交通標志等。機器視覺也有其弱點，容易受到環境的影響，在能見度較低時效果不理想，因此，在傳感器類別中屬于被動型。與雷達系統相比較，視覺識別系統價格低廉，一輛車上可以安裝多處，監測范圍更大，搜集道路信息更為全面，通過對其所得的圖像進行處理可以識別、檢測周圍路況，這些也是主動型傳感器無法替代的。所以越來越多的人對利用機器視覺感知車輛行駛環境產生很大的興趣，該系統在現實生活中隨處可見，普及率最高，機器視覺在智能車輛研究領域得到廣泛的應用， 成為最受歡迎的傳感器之一。
（二）雷達系統
雷達系統是一種主動型傳感器，利用微電磁波探測目標距離、速度、方位等。雷達不需要復雜的設計與繁復的計算。雷達系統的使用不受光線、天氣等因素干擾，無論是白天還是黑夜，晴天或者下雨，雷達系統都能夠正常運轉。由于雷達是靠電磁波反射原理來工作的，這會導致相近的不同雷達間電磁波相互干擾而影響工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷達在準確提供遠距離的車輛和障礙物信息方面有著得天獨厚的優勢，因此在車輛的防碰撞系統中有著廣闊的應用前景。
（三）超聲波傳感器
顧名思義，超聲波傳感器是指利用超聲波為檢測方法的傳感器。使用超聲波探測得來的的數據處理簡單、快速，超聲波傳感器可以發射定向長生波，能夠在較小范圍內檢測到物置。這種技術在醫學應用上比較廣泛和成熟。汽車工業上的利用首見于在歐洲銷售的的BMW 車上的超聲波停車裝置。這種系統利用一片單片機進行控制，超聲波遇到障礙反射回傳后，根據傳感器探測距離發出不同的提示音。
（四）紅外線傳感器
紅外線傳感器是利用紅外線來進行測量工作的傳感器，技術更加先進。紅外線傳感器不受黑暗、風、沙、雨、雪、霧的阻擋，環境適應性好，且功耗低。這些特點使它遠超其他傳感器。與超聲波傳感器相比，反應速度更快，探測范圍更廣，由于其探測視角小，方向性和測量精度有所提高。與機器視覺結合使用，紅外線傳感器可以增強機器視覺識別的可靠性，使黑夜如同白晝，因此常被用于智能汽車中的夜視系統中。
三、多傳感器的綜合利用
在復雜的路況環境下，單一傳感器都有其局限性，僅僅安裝單一傳感器難以提供路況環境的全面描述，因此設計智能車輛必須配置多種傳感器。例如夜間行駛時紅外線傳感器是必不可少的；而停車、倒車時主要使用超聲波、雷達探測周邊障礙物的遠近；機器視覺除日常應用外與其他傳感器結合起來可以使得智能車輛駕駛安全性更加可靠。
隨著計算機信息技術、通信技術、控制技術和電子技術的進步，智能車輛技術研究中多傳感器信息融合技術的應用取得了許多令人振奮的成果。如車載系統互聯技術、歐洲的Peugeo系統、美國的IVHS系統等。Tsai-Hong Hong等利用激光傳感器采集圖像獲得車輛前方的距離信息，在正常的路況環境下，采用彩色攝像機與激光傳感器聯合感知道路表面和定位道路邊界。這些技術經過不斷改進，相信在不久的將來引起汽車工業的革命。
四、結語
在智能車輛的環境感知模塊技術研究中，傳感器是智能車輛控制系統的關鍵。如何使傳感器技術更好的應用到汽車行業上來，未來將成為傳感器技術研究領域的一個發展方向。
整合各種類型的傳感器技術，使其為智能車輛提供更加真實可靠的路況環境信息，對智能汽車技術的發展來說是至關重要的。由于實際的應用環境所得到信息大多數都是不確定信息，傳感器回饋信息融合還原真實路況還有很大的困難。
縱觀全球，我國的智能車輛研究工作還處于起步階段，同歐美日等相比還很落后。但隨著我國社會經濟的發展，汽車保有量不斷膨脹，嚴峻的交通現狀迫使我們把發展智能交通盡早提到日程上來，只要我們勇于創新，結合我國具體國情，不斷進行深入、細致的研究，我國智能化交通必能早日實現。
參考文獻：
關鍵詞： CPLD；正交磁通門傳感器；水平定向導航
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）17-0037-02
0 引言
磁通門傳感器是一種利用磁飽和法測量弱磁場的傳感器，廣泛應用于地磁測量、空間磁場測量、飛行器控制等[1]。以往的磁通門傳感器電路復雜，分立元件使用量大，這使得電路參數受溫度影響較大且調試困難。為了解決這種問題，本文設計了一種采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）的正交磁通門傳感器，減少了電路的復雜程度，并且易于調試，取得很好的效果。
1 磁通門二次諧波法原理
磁通門現象，簡單的說就是一種變壓器效應。其結構與變壓器類似，但是與普通電器設備中變壓器效應不同的是磁通門探頭的變壓器效應是對被測量的磁場進行調制。磁通門直接檢測目標的方式十分簡單，即探頭感應測量環境磁場在其軸向的分量[2]。磁通門探頭的鐵心通常都是由高導磁材料如坡莫合金制成的[3]，在其外部纏繞勵磁線圈以及測量線圈。磁通門鐵心可以采用柱形、跑道型或環形的形狀。
由以上分析可以看出：待測磁場的感應電壓大小只與偶次諧波有關，且高次諧波是逐級衰減的，因此采用二次諧波來測量磁場。
2 磁通門傳感器測角原理
如果取二次諧波，采用環形鐵心，正交的測量線圈方式，則e為測量線圈法線方向與被測磁場平行時的大小。若有夾角，如圖2所示。
電動勢相位差？茲即為線圈與地磁場夾角，度量出它就可以度量方位角。
3 正交磁通門傳感器的硬件設計
電路設計的總體思路是：通過分頻激勵磁通門探頭， 磁通門探頭輸出測磁場軸向的分量相關的信號，將該信號經過放大、移相、求和、濾波等電路，再經過基于CPLD的整形、鑒相電路的處理，將其轉換成所需要的數字信號，其整體的框圖如圖3所示。
3.1 激勵發生電路 采用有源晶體振蕩器作為頻率源，因其具有非常穩定的固有頻率，可以保證頻率的穩定性。分頻器對晶振信號分別進行360分頻和720分頻，得到頻率為f的方波信號作為鑒相基準信號，以及頻率為f/2的方波信號作為磁通門傳感器的激勵信號。
3.2 功率放大電路 由于從CPLD出來的方波信號功率較小，不足以激勵線圈使磁芯達到周期性的過飽和狀態。因此，在CPLD產生穩定的方波信號后面，需要配置功率放大電路，可采用集成運放構成的放大電路。
3.3 移相電路 由設計思路可知，磁環次級的兩個測量繞組產生的二次電壓分量，一路需要經移相器移相90°與另一路信號合成，此處移相90°由一階全通網絡完成。
其振幅頻率特性和相位頻率特性分別為：
3.4 求和放大電路 磁環次級的兩個測量繞組產生的二次電壓分量，一路經移相器移相90°與另一路信號合成，兩路信號輸入至求和電路。求和電路采用同相求和運算電路。
3.5 帶通濾波電路 由求和放大電路輸出的合成信號包含有二次諧波分量和其他諧波分量，其中有用的是二次諧波分量，而其他諧波分量可看做噪聲信號，其中幅度最大的是基波和三次諧波，其頻率分布在探頭輸出信號幅值最大的二次諧波兩邊。所以采用二階有源帶通濾波器，其中心頻率為15KHz。帶通濾波器提取并放大了二次諧波分量，有效地除去了噪聲信號。
3.6 其他電路 電路中分頻器電路、鑒相器電路、計數輸出電路及其他數字電路部分均集成在CPLD芯片 EPM7128S上，通過仿真測試，符合電路要求。CPLD分頻器仿真波形如圖4所示。
4 實驗結果
測試過程為對磁通門傳感器的水平測試，記錄脈沖讀數。本實驗需要用到一種無磁轉臺作為角度基準[6]。首先調節轉臺，將其調至水平了，將磁通門傳感器放置于轉臺上，調節磁通門位置，使磁通門傳感器的輸出計數值為0。以60°為轉動間隔，分別正轉、反轉無磁轉臺一周，通過示波器讀出脈沖個數（即航向角數值），實驗數據如表1所示。
由表1可以看出，磁通門傳感器存在零誤差，該誤差主要來源于激勵磁場的電壓或者電流中不對稱分量引起的，即偶次諧波成分的影響或外部雜散磁場。因此為了提高激勵的對稱度，我們要采用高穩定度、電源去耦的振蕩器。外部雜散磁場主要由周圍環境中的鐵磁材料的干擾所引起。因此，探頭可以采取適當的屏蔽措施，使用中遠離外界磁場及鐵磁物質，減小外磁場的影響。
5 結論
測試結果表明，該傳感器航向角最大誤差為1°，分辨率最低0.1°，精度1°，所設計的磁通門傳感器具有良好的性能，滿足設計要求。利用CPLD進行電路整合，具有調試方便，誤差小，成本低等特點。
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