傳感器設(shè)計(jì)論文匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇傳感器設(shè)計(jì)論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

壓阻效應(yīng)于1865年由LordKelvin首先發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在這個(gè)原理廣泛應(yīng)用于傳感器原理中。當(dāng)傳感器薄膜結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻受到外界壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，使電阻率發(fā)生變化從而引起電信號(hào)的改變，這就是壓阻式壓力傳感器的工作原理。由此可見，壓敏電阻的變化與受到的壓力大小和壓阻系數(shù)有關(guān)。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)的，制備的氣壓傳感器芯片結(jié)構(gòu)截面圖。傳感器結(jié)構(gòu)由一個(gè)單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個(gè)壓敏電阻組成，4個(gè)電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有氣壓作用在彈性膜上時(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所施加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)。

1．2氣壓傳感器制作工藝流程

整個(gè)流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器的加工方法相比，該工藝流程采用了外延單晶硅硅膜的工藝進(jìn)行真空腔密封，這種方法可以克服傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝的缺點(diǎn)，加工出的單晶硅膜具有很好的機(jī)械性能。①首先，對(duì)硅襯底采用各向異性干法刻蝕，刻蝕出一道道約5μm深的淺槽。然后采用各向同性干法刻蝕，使淺槽下方形成一個(gè)連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進(jìn)行單晶硅外延，并利用外延的硅材料將淺槽完全封住，從而在下面形成一個(gè)接近真空的密封腔。外延工藝如下:溫度為1135℃，采用的是H2，PH3等氣體，外延時(shí)的真空度為80torr。③在對(duì)外延硅層的局部區(qū)域進(jìn)行小劑量硼離子注入。該部工藝主要是為了制作壓敏電阻，壓敏電阻主要位于膜四邊的中央。④對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實(shí)現(xiàn)壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準(zhǔn)備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質(zhì)層。⑥對(duì)氧化層和氮化層光刻并圖形化，形成接觸孔。⑦濺射金屬層并光刻圖形化，形成引線及壓焊塊。

2測(cè)試電路設(shè)計(jì)

此壓阻式氣壓傳感器，壓敏電阻初始電阻值為163Ω，滿量程輸出電阻變化最大為9Ω，針對(duì)此微小阻值變化量，本文中設(shè)計(jì)了一款專用接口測(cè)試電路。該測(cè)試電路主要包括STM32系列單片機(jī)及ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊。電路應(yīng)用時(shí)將惠斯通電橋輸出節(jié)點(diǎn)與測(cè)試電路連接起來，通過硬件和軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)外界氣壓信號(hào)的檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行輸出，讀數(shù)在LCD顯示屏上進(jìn)行顯示，測(cè)試電路板的說明如圖4所示，針對(duì)部分重要模塊的電路設(shè)計(jì)在下文說明。

2．1電源電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機(jī)規(guī)定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據(jù)測(cè)試電路元件的需求，采用國產(chǎn)LM2940－5和LM1117－3．3兩個(gè)穩(wěn)壓模塊來進(jìn)行電源供電的設(shè)計(jì)。

2．2ADS1247模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADS1247是TI公司推出的一種高性能、高精度的24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADS1247單片集成一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、一個(gè)精密(ΔΣ)ADC與一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘。內(nèi)置10mA低漂移電源參考和兩個(gè)可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過程序設(shè)置，在輸出電壓裕度內(nèi)，DACS可為外部提供多種強(qiáng)度的電流，分別為50μA、100μA、250μA、500μA、750μA、1000μA、1500μA。除此之外，ADS1247還具有一個(gè)可編程放大器(PGA)，放大倍數(shù)可設(shè)置為1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍、128倍。

3氣壓傳感器性能測(cè)試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測(cè)的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測(cè)的準(zhǔn)確性，針對(duì)本傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試并從數(shù)據(jù)中對(duì)氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測(cè)試精度進(jìn)行了分析及擬合修正。

篇（2）

一、概述

對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器（以下簡稱“測(cè)力傳感器”）來說，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大?？梢哉f，測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此，在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但因測(cè)力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可，對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對(duì)于彈性體來說，除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位（以下簡稱“貼片部位”）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體承受的載荷（被測(cè)力）保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

由此可見，在彈性體的設(shè)計(jì)過程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求：

（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

為了滿足上述兩項(xiàng)要求，在測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則，確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。

二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則

在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中，通常認(rèn)為應(yīng)力（應(yīng)變）在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應(yīng)力（應(yīng)變）分布不規(guī)則的問題。其實(shí)，在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，對(duì)于應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的問題并非不予考慮，而是通過強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

對(duì)于測(cè)力傳感器來說，它是通過電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測(cè)量被測(cè)力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上就是保證在測(cè)力傳感器受力時(shí)，彈性體上貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）要按照某一規(guī)律分布。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于彈性體貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。

彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應(yīng)力（應(yīng)變）分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實(shí)例是筒式測(cè)力傳感器（見圖1）。

當(dāng)筒式測(cè)力傳感器上、下端面均勻受力時(shí)，在彈性體貼片部位的整個(gè)圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布是均勻的。當(dāng)上、下兩個(gè)端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個(gè)端面的作用情況不再是均勻分布的，這時(shí)彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比足夠大，彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）基本上還是均勻分布。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，通常很少能為測(cè)力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測(cè)力傳感器彈性體的高度與直徑之比很難做到足夠大，彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）將不均勻分布，而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變。在這樣的條件下，彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力不能保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將造成明顯的測(cè)力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差，有些傳感器設(shè)計(jì)者采取在筒式測(cè)力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況測(cè)量出來。這樣的處理方法有一定的效果，可以減小彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻的情況全部測(cè)量出來，測(cè)力誤差減小的程度不夠顯著。

由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差的實(shí)質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力（應(yīng)變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）按照某一規(guī)律分布，因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差。

對(duì)于筒式測(cè)力傳感器來說，在承載強(qiáng)度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），使得應(yīng)力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的情況?；蛘哒f，應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規(guī)則分布的程度不會(huì)很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應(yīng)變片，就能使測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

上述處理方法實(shí)際上出于這樣一個(gè)原理：通過某種措施，使彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）集中分布在便于貼片檢測(cè)的部位，實(shí)現(xiàn)測(cè)得的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證傳感器的測(cè)力精度。

作者曾用上述方法對(duì)筒式測(cè)力傳感器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)前的普通筒式傳感器測(cè)力誤差大于1%F.S.，改進(jìn)后（局部挖空）的筒式傳感器測(cè)力誤差為0.1~0.3%F.S.，測(cè)力精度明顯提高。

三、提高應(yīng)力（應(yīng)變）水平的應(yīng)力集中原則

若要測(cè)力傳感器達(dá)到較高的靈敏度，通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平，即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位達(dá)到較高應(yīng)力（應(yīng)變）水平有兩種常用的方法：

（1）整體減小彈性體的尺寸，全面提高彈性體上的應(yīng)力（應(yīng)變）水平；

（2）在貼片部位附近對(duì)彈性體進(jìn)行局部削弱，使貼片部位局部應(yīng)力（應(yīng)變）水平提高，而彈性體其它部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，但對(duì)彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠(yuǎn)好于整體減小彈性體尺寸。因?yàn)榫植肯魅鯊椥泽w既能提高貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強(qiáng)度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。

局部削弱彈性體提高貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）水平的原理是：通過局部削弱彈性體，造成局部的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位，就可以測(cè)得較高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中的方法在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用，尤其在梁式測(cè)力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測(cè)力傳感器）的彈性體設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器。剪切梁式測(cè)力傳感器是通過檢測(cè)梁式彈性體上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）實(shí)現(xiàn)測(cè)力的，其彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示（為了便于說明問題，這里僅以一簡支梁式的彈性體為例）。

由材料力學(xué)中有關(guān)梁的應(yīng)力分布知識(shí)可知，當(dāng)梁承受橫向（彎曲）載荷時(shí)，在梁的中性層處剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）最大。如果要檢測(cè)梁上的剪應(yīng)變，應(yīng)該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）水平，可將彈性體兩側(cè)各挖一個(gè)盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應(yīng)在中性層處。電阻應(yīng)變片應(yīng)該粘貼在盲孔的底面上，即圖3中工字形斷面（A－A剖面）的腹板上。

對(duì)于梁形構(gòu)件來說，其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。在一個(gè)梁滿足彎曲強(qiáng)度的情況下，剪切強(qiáng)度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應(yīng)力（剪應(yīng)變）明顯提高，然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后，被檢測(cè)的剪應(yīng)變大大提高，使該測(cè)力傳感器的靈敏度顯著提高，而對(duì)整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響很小，使整個(gè)梁保持了良好的強(qiáng)度和剛度。

四、小結(jié)

在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，如能自覺地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則，對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果。靈活、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用應(yīng)力集中的原則，對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的測(cè)力傳感器具有重要的實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1].劉鴻文主編，《材料力學(xué)》，高等教育出版社，1979年

PrinciplesofConcentratingStressintheDesignofLoadCells

Abstract:Thispaperintroducestwoprinciplesofconcentratingstress,whichareusually

篇（3）

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（4）

2光電開關(guān)與斯密特觸發(fā)器

2．1光電開關(guān)

大多傳感器電路所選擇的都是槽型光電開關(guān)，其一般會(huì)利用最標(biāo)準(zhǔn)的U型結(jié)構(gòu)，發(fā)射器及接收器在U型槽的兩邊，呈現(xiàn)出一個(gè)光軸，在對(duì)應(yīng)檢測(cè)物通過該槽并隔斷光軸時(shí)，這時(shí)的光電開關(guān)就出現(xiàn)了開關(guān)量號(hào)。以槽式光電開關(guān)來講，其最適宜檢測(cè)運(yùn)行速度較高的物體，其可以很好的分辨出透明及半透明的物體，應(yīng)用安全性較高。因?yàn)楣怆婇_關(guān)輸出及輸入回路之間是利用電緣絕來實(shí)現(xiàn)的，因此其能夠應(yīng)用于眾多的場(chǎng)合中。利用集成電路相關(guān)技術(shù)以及表面安裝工藝制作的新型光電開關(guān)元件，其具有較好的延時(shí)性、拓展性、外同步、抗干擾、可靠性、運(yùn)行區(qū)域穩(wěn)定、自行診斷等諸多智能化功能。該光電開關(guān)屬于脈沖調(diào)制主動(dòng)式的光電探測(cè)體系類電子開關(guān)，其主要應(yīng)用的冷光源為紅外光、紅、綠、藍(lán)色光，可以不接觸、無損害、快速將各類固體、液體、透明體、黑體、柔軟體等物質(zhì)控制其對(duì)應(yīng)狀態(tài)及動(dòng)作。

2．2斯密特觸發(fā)器

該傳感器電路運(yùn)用斯密特觸發(fā)器對(duì)相關(guān)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，便于很好地滿足于傳感器體系測(cè)量的精確度，斯密特觸發(fā)器自身有著巧妙的滯后特性數(shù)字化傳送門。其電路閥值電壓為兩個(gè)，正向閥值及負(fù)向閥值電壓;雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不相同，斯密特觸發(fā)器整體上是電平觸發(fā)型的電路，并不會(huì)依靠周邊較為陡峭脈沖。其屬于閥值開關(guān)電路的一類，輸入級(jí)輸出特性容易突變的門電路。該電路設(shè)計(jì)為阻隔相關(guān)輸入電壓所存在的微笑變化而導(dǎo)致的輸出電壓變化。斯密特觸發(fā)器對(duì)應(yīng)輸出情況轉(zhuǎn)換是由其相關(guān)輸入信號(hào)變化而決定的，輸入信號(hào)在最低電平提高時(shí)，電路狀況變化中輸入的電平及其相關(guān)輸入信號(hào)是與高電平處降低中的輸入變化電平不相同的，其對(duì)應(yīng)閥值電壓被稱之為正向閥值及負(fù)向閥值電壓。并且，因?yàn)樗姑芴赜|發(fā)器之內(nèi)會(huì)有相關(guān)正反應(yīng)，因此其輸出電壓所對(duì)應(yīng)的波形通常較為陡峭。使用斯密特觸發(fā)器不止是可以把周邊轉(zhuǎn)化減緩信號(hào)所呈現(xiàn)的波形進(jìn)行一定整形，最終形成邊沿陡峭型矩形波，并且能夠把其互相疊加于矩形波的脈沖高與低處電平噪音合理清除。

3電路模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

總體傳感器電路模塊呈現(xiàn)為:電梯脫離信號(hào)光電開關(guān)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)器終端處理元件。在相關(guān)電梯并未脫離緩沖器時(shí)，對(duì)應(yīng)傳感器有一個(gè)小擋板位于槽型光電開關(guān)之間，合理得隔檔LED對(duì)三極管的觸發(fā)。在電梯脫離了相關(guān)緩沖器時(shí)，經(jīng)由安裝于傳感器間的對(duì)應(yīng)彈簧將擋板有效的彈開，這時(shí)LED就能夠輕易的觸發(fā)光敏三極管。

篇（5）

 

1 引言

力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長期使用過程中，由于使用環(huán)境、本身結(jié)構(gòu)的變化，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以此保證測(cè)量的精度。近年來，隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，越來越多的技術(shù)人員開始基于該技術(shù)來開發(fā)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備。博士論文，標(biāo)定。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)中，美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW應(yīng)用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標(biāo)定程序的設(shè)計(jì)。

2 標(biāo)定的原理

所謂標(biāo)定（或現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)）[2]就是指用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的量來確定測(cè)試系統(tǒng)電輸出量與物理輸入量之間的函數(shù)關(guān)系的過程。標(biāo)定是測(cè)試中極其重要的一環(huán)。標(biāo)定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系之外，還可以最大限度地消除測(cè)量系統(tǒng)中的系統(tǒng)誤差。

傳感器的校準(zhǔn)采用靜態(tài)的方法，即在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)（其精度等級(jí)為被較傳感器的3~5倍）的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器重復(fù)（不少于3次）進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定傳感器的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過程。為簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此處標(biāo)準(zhǔn)量采用砝碼加載的方式獲得。

3 系統(tǒng)組成

3.1硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件組成

由圖可以看出，系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡、接線盒等。本系統(tǒng)中，力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，四個(gè)應(yīng)變片采用全橋的工作方式。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數(shù)如下：它具有16個(gè)模擬輸入端口，2個(gè)模擬輸出端口，24個(gè)數(shù)字輸入輸出端口，采樣速率最高可達(dá)到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數(shù)據(jù)采集卡相連，接線盒上有SCC信號(hào)調(diào)理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號(hào)調(diào)理模塊，其上面包含信號(hào)調(diào)理電路，可以將傳感器處采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡讀取的信號(hào)。本系統(tǒng)所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。

3.2軟件組成

本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 8.2來開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的編程語言。博士論文，標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。與其他開發(fā)工具不同，用LabVIEW編程的過程不是寫代碼，而是畫“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設(shè)計(jì)中解放出來，而將注意力集中在測(cè)量等物理問題本身。它主要針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員而設(shè)計(jì)，非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員[1]。博士論文，標(biāo)定。

因?yàn)樗玫牧鞲衅鲗儆趹?yīng)變式電阻傳感器，其電阻變化率與應(yīng)變可以保持很好的線性關(guān)系，即輸入與輸出量之間呈線性關(guān)系，所以可以用一條直線對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標(biāo)定程序的采樣頁面。

此程序采用LabVIEW的事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行編制的。事件[3]是對(duì)活動(dòng)發(fā)生的異步通知。事件可以來自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執(zhí)行保持同步。事件允許用戶每當(dāng)執(zhí)行某個(gè)特定操作時(shí)執(zhí)行特定的事件處理分支。

圖2 標(biāo)定程序采樣頁面

圖3 采樣程序

直線擬合的方法[2]有很多種，比如最小二乘法、平均選點(diǎn)法、斷點(diǎn)法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進(jìn)行直線擬合。根據(jù)最小二乘法，假定是一組測(cè)量值，是相應(yīng)的擬合值，mse為均方差，則擬合目標(biāo)可以表達(dá)為，期望mse最小。

LabVIEW中的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來實(shí)現(xiàn)最小二乘法線性擬合。

標(biāo)定子程序的工作流程如下：用戶先通過多次采樣，獲得各個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量，通過While循環(huán)的移位寄存器保存這些值。博士論文，標(biāo)定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進(jìn)行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來，同時(shí)該Vi自動(dòng)求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數(shù)關(guān)系就可以確定下來了，如圖4所示。

圖4 標(biāo)定程序擬合前面板

4 小結(jié)

基于虛擬儀器的力傳感器標(biāo)定程序能夠方便地對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。博士論文，標(biāo)定。該系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好，靈活方便，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

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篇（7）

1 引言

由于在局部的溫度通常具有不一致性，因此在檢測(cè)環(huán)境溫度時(shí)，傳統(tǒng)的單一測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度的方法并不能夠準(zhǔn)確說明實(shí)際的溫度信息。在同一環(huán)境中，對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量，能夠有效解決這一問題，使得溫度測(cè)量更加準(zhǔn)確。但是多點(diǎn)溫度測(cè)量的溫度測(cè)量點(diǎn)比較分散，如果使用傳統(tǒng)的有線布線方式的話，則系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，十分麻煩。本論文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸?shù)臏囟炔杉到y(tǒng)，采用了nrf9e5無線芯片，主控芯片采用的是at89s52單片機(jī)，溫度測(cè)量的傳感器為ds18b20[1]。

本論文首先介紹系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，然后分別簡要介紹硬件電路設(shè)計(jì)以及部分軟件程序設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)方案

無線數(shù)據(jù)傳輸按照傳輸方式的不同，可以分為：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由主控芯片51單片機(jī)、主接收器以及多個(gè)測(cè)量終端組成。每個(gè)測(cè)量終端都是通過無線傳輸模塊nrf9e5傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成無線傳輸?shù)臏囟炔杉到y(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

將相應(yīng)的溫度傳感器分布在所要測(cè)量環(huán)境的不同位置，就能夠精確評(píng)估環(huán)境溫度。然后再將這些測(cè)量得到的溫度經(jīng)過無線通信模塊發(fā)送到主控芯片上，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

nrf9e5具有和8051相互兼容的微控制器，但是時(shí)序和指令都與其有些差別。nrf9e5與cpu的數(shù)據(jù)交換是通過串口來進(jìn)行的。

nrf9e5和其他模塊通信主要是通過自身內(nèi)部的并行口和內(nèi)部的spi口。nrf9e5與nrf905等具有一樣的功能。收發(fā)器在與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的過程中，主要是通過片內(nèi)的spi和并行口。在要傳輸通信的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，就能夠產(chǎn)生中斷，供微控制器使用。

3.2 溫度測(cè)量電路

溫度檢測(cè)的方法有很多，比如采用熱電偶等。但是本論文采用的是ds18b20溫度傳感器。該溫度傳感器采用的是one-wire總線，即只采用一根信號(hào)線與單片機(jī)進(jìn)行連接。該測(cè)溫傳感器能夠測(cè)量零下55度到125攝氏度的溫度范圍，同時(shí)分辨率能夠達(dá)到0.5攝氏度。工作電壓范圍很寬，一般為3.0至5.5v。

3.3 主控芯片

本論文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器使用的主控芯片是at89s52單片機(jī)。msc-51單片機(jī)是八位的非常實(shí)用的單片機(jī)。本論文所使用的at89s52單片機(jī)就是基于這款單片機(jī)的。msc-51單片機(jī)的基本架構(gòu)被atmel公司購買，繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能，同時(shí)擴(kuò)展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此無論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應(yīng)用都很多。全球也有許多大公司對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機(jī)仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場(chǎng)。

下面對(duì)本論文所使用的單片機(jī)作簡要介紹。這款單片機(jī)具有最大能夠支持的64k外部存儲(chǔ)擴(kuò)展，同時(shí)還具有8k字節(jié)的flash空間。該單片機(jī)具有4組i/o口，分別是從p0到p3，同時(shí)每組端口具有8個(gè)引腳。每個(gè)引腳除了能夠作為普通的輸入和輸出端口外，還具有其它功能，也就是我們通常所說的引腳復(fù)用。其還具有斷電保護(hù)、看門口、計(jì)時(shí)器和定時(shí)器。51單片機(jī)一般的工作電壓是5v。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 通信協(xié)議

本系統(tǒng)為單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，主接收器在可靠通信范圍內(nèi)分別與每個(gè)數(shù)據(jù)終端通信。主接收器與每個(gè)數(shù)據(jù)終端都有一個(gè)唯一的地址，因此在通信過程中必須明確接收方的地址。系統(tǒng)通信協(xié)議定制如表1所示。

4.2 溫度測(cè)量程序

本論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件，與主控芯片進(jìn)行一根數(shù)據(jù)線連接，就能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時(shí)序必須具有嚴(yán)格的要求。在出廠之前，每個(gè)器件的rom上都光刻上64位的編碼，這個(gè)編碼地址序列是唯一的，我們可以通過這個(gè)編碼地址序列來進(jìn)行多

點(diǎn)的組網(wǎng)。但是本論文所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)，在每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只是用一個(gè)溫度傳感器，因此在程序中并不需要讀取其rom編碼。

5 總結(jié)

在實(shí)際的溫度測(cè)量過程中，測(cè)量單點(diǎn)的溫度往往并不能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際溫度信息，需要對(duì)同一環(huán)境進(jìn)行多次測(cè)量，同時(shí)要對(duì)多個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。但是多點(diǎn)溫度測(cè)量的溫度測(cè)量點(diǎn)比較分散，如果使用傳統(tǒng)的有線布線方式的話，則系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，十分麻煩。本論文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳輸?shù)臏囟炔杉到y(tǒng)，采用了nrf9e5無線芯片，主控芯片采用的是at89s52單片機(jī)，溫度測(cè)量的傳感器為ds18b20。本論文首先介紹系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，然后分別簡要介紹硬件電路設(shè)計(jì)以及部分軟件程序設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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[3]季一錦，尹明德.一種基于nrf9e5的無線監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[j].國外電子元器件，2004，（12）：22-25.

篇（8）

 

1、前言

地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)是發(fā)生地震的重要征兆，對(duì)地磁場(chǎng)異常的監(jiān)測(cè)可以為地震預(yù)報(bào)研究提供重要的數(shù)據(jù)資料 [1]。

虛擬儀器技術(shù)是利用編程軟件，按照測(cè)量原理,采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析與處理技術(shù),編制具有測(cè)量功能的程序就可以構(gòu)成相應(yīng)的測(cè)試儀器[2],降低了儀器的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用,縮短了技術(shù)更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價(jià)比[3]。

2、硬件結(jié)構(gòu)

分布式地磁場(chǎng)異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁場(chǎng)傳感器通過RS232串口將計(jì)算出的地磁場(chǎng)方位值前期數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對(duì)信號(hào)的讀取、計(jì)算、分析、顯示、存儲(chǔ)等并通過電子郵件將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端的電腦2。

3、軟件設(shè)計(jì)

3.1、軟件的總體功能

如圖2所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、磁場(chǎng)異常報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、電子郵件發(fā)送模塊等組成。

3.2、軟件前面板

前面板如圖3所示,主要分為3個(gè)模塊:通信參數(shù)設(shè)置模塊、監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示及保存模塊、異常報(bào)警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設(shè)置的通信參數(shù)主要有與傳感器通信時(shí)的波特率、數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時(shí)發(fā)送電郵的收發(fā)件人電子信箱地址等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖2 軟件總體功能框圖

圖3 軟件前面板

3.3、地磁場(chǎng)方位值的計(jì)算

地磁場(chǎng)方位值計(jì)算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區(qū)中的字符串?dāng)?shù)組讀出，截取其中第9和第10個(gè)元素，進(jìn)行數(shù)制、進(jìn)制轉(zhuǎn)換得到地磁場(chǎng)方位值，接到前面板進(jìn)行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖4 方位值計(jì)算模塊

3.4異常報(bào)警

將當(dāng)前時(shí)刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認(rèn)為是地磁場(chǎng)的異常波動(dòng)，報(bào)警指示燈亮，發(fā)出報(bào)警音，同時(shí)啟動(dòng)郵件發(fā)送模塊。

3.5 數(shù)據(jù)保存模塊

調(diào)用日期/時(shí)間字符串控件，讀取windows日期時(shí)間，和地磁場(chǎng)方位值一起寫入指定目錄的txt文件中。當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)異常時(shí)，觸發(fā)磁場(chǎng)異常邏輯為真，寫入文件控件將從此時(shí)刻開始5秒內(nèi)的時(shí)間值、地磁場(chǎng)方位值寫入txt文件中。

圖5 郵件發(fā)送第一幀

圖6 郵件發(fā)送第二幀

3.6 郵件發(fā)送

4.實(shí)驗(yàn)

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過虛擬儀器軟件監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)的異常情況，當(dāng)?shù)卮虐l(fā)生異常或接收傳感器數(shù)據(jù)異常時(shí)，電腦1上的監(jiān)測(cè)軟件報(bào)警，并把異常數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)通過電子郵件模塊向指定信箱發(fā)送指定格式郵件，監(jiān)測(cè)者在電腦2上查看相關(guān)異常郵件。做法是轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器使其與地磁場(chǎng)磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠(yuǎn)及近靠近后又自近及遠(yuǎn)離開傳感器，記錄下整個(gè)過程磁鐵與傳感器距離、地磁場(chǎng)方位值、異常情況及郵件接收情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

反復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)軟件準(zhǔn)確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過程中該處磁場(chǎng)的變化情況，且當(dāng)?shù)卮女惓r(shí)電腦2及時(shí)地接收到了相關(guān)異常數(shù)據(jù)郵件。

篇（9）

 

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)

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[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（10）

少量的硬幣使用在日常生活中帶來方便，但是硬幣的回收，計(jì)數(shù)分裝和打包就非常的麻煩。銀行，超市，娛樂場(chǎng)所等硬幣的收付，清點(diǎn)和包裝的自動(dòng)化程度很低，基本靠手工操作，難度大，效率低。目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在的硬幣處理裝置功能單一，自動(dòng)化程度低，并且依然需要大量的人工配合才能實(shí)現(xiàn)?；谶@種現(xiàn)狀，本論文研究并實(shí)現(xiàn)了一種硬幣計(jì)數(shù)定量打包裝置，自動(dòng)化程度高，可以有效的節(jié)省人工成本，提供效率。

1 硬幣計(jì)數(shù)定量打包裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，硬幣自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置，硬幣自動(dòng)分裝定量打包裝置組成。硬幣計(jì)數(shù)裝置采用了光纖傳感器和壓力傳感器的雙重控制，確保系統(tǒng)更高的精度。當(dāng)硬幣計(jì)數(shù)裝置計(jì)數(shù)到預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)通過中央控制系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)系統(tǒng)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來操控伺服電機(jī)。本系統(tǒng)中使用的是無刷直流伺服電機(jī)，具有體積小，重量輕，響應(yīng)快，慣性小，力矩穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。分裝打包裝置由一系列的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，通過伺服電機(jī)的帶動(dòng)進(jìn)行工作。

2 硬幣計(jì)數(shù)定量打包裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖2如圖所示，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)（1），壓力傳感器，光纖傳感器，伺服放大器組成。伺服電機(jī)裝在四角機(jī)架（14）下端，壓力傳感器，光纖傳感器，伺服放大器分別與伺服電機(jī)相連。伺服電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器依次連接硬幣自動(dòng)分裝定量打包裝置和硬幣自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置。硬幣自動(dòng)分裝定量打包裝置包括主動(dòng)軸（3），軸承座（4）以及軸承，槽輪（12），分度臺(tái)（11），收集管（10）拔插以及鎖止環(huán)（13），主動(dòng)軸下端連接聯(lián)軸器（2），上端連接軸承座和軸承，軸承座和軸承固定到四角機(jī)架上。主動(dòng)軸中間固定連接拔插及鎖止環(huán)，拔插及鎖止環(huán)與槽輪配合連接構(gòu)成槽輪系統(tǒng)。硬幣自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置包括凸輪（5），拉簧（6），集幣管（8），運(yùn)幣滑塊（9）。凸輪與主動(dòng)軸連接，并且通過滾輪和運(yùn)幣滑塊連接，運(yùn)幣滑塊與拉簧連接。集幣管底部裝有用于檢測(cè)硬幣重量的壓力傳感器，運(yùn)幣滑塊上面通過支座（7）安裝用于硬幣計(jì)數(shù)的光纖傳感器。

3 硬幣計(jì)數(shù)定量打包裝置軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用人機(jī)交互伺服控制系統(tǒng)，凸輪滑塊間歇式硬幣推送裝置，針孔式光纖傳感計(jì)數(shù)器，自帶壓力傳感器的集幣器，槽輪聯(lián)動(dòng)式分度臺(tái)，自動(dòng)封口包裝硬幣收集管配合實(shí)現(xiàn)。

硬幣完成分類后經(jīng)過滑道依次滑至集幣管，光纖傳感計(jì)數(shù)器和集幣管底部的壓力傳感器先后對(duì)硬幣進(jìn)行技術(shù)，反饋檢測(cè)數(shù)據(jù)到中央控制器，并且根據(jù)數(shù)據(jù)判斷是否一致，如果不一致則進(jìn)行重新分揀。在傳感器計(jì)數(shù)時(shí)，人機(jī)交互界面會(huì)顯示硬幣的數(shù)額。當(dāng)硬幣的數(shù)目和質(zhì)量參數(shù)共同確定硬幣的個(gè)數(shù)達(dá)到用戶的設(shè)定值，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，運(yùn)幣滑塊移動(dòng)，將定量硬幣送入收集管，運(yùn)幣滑塊推送命令完成后在拉簧的作用下完成復(fù)位，等待下一次循環(huán)命令。同時(shí)安裝在主動(dòng)軸上的拔插鎖止環(huán)拔動(dòng)槽輪，驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)式分度臺(tái)旋轉(zhuǎn)五分之一圈，收集管工作就緒，硬幣掉入收集管，包裝袋受硬幣掉入時(shí)的沖擊自動(dòng)完成口袋的封合，完成一次硬幣定量打包動(dòng)作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)調(diào)試成功之后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了正確性的測(cè)試，對(duì)硬幣的計(jì)數(shù)定量進(jìn)行了測(cè)試。系統(tǒng)分別對(duì)100枚，500枚，1000枚硬幣進(jìn)行了預(yù)設(shè)值為10的計(jì)數(shù)定量。結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)在100個(gè)，500個(gè)和100個(gè)硬幣的測(cè)試表現(xiàn)中，表現(xiàn)穩(wěn)定，沒有任何的錯(cuò)誤。

5 總結(jié)

本論文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種硬幣計(jì)數(shù)定量打包系統(tǒng)，由伺服電機(jī)系統(tǒng)，硬幣自動(dòng)計(jì)數(shù)裝置，硬幣自動(dòng)分裝定量打包裝置組成。本論文闡述了系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)，機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果反應(yīng)本系統(tǒng)擁有很高的可靠性，計(jì)數(shù)快速，定量準(zhǔn)確，有效的提升了工作效率。同時(shí)本設(shè)計(jì)采用了大量的自動(dòng)化設(shè)置，降低了人工成本。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

任少華，男，碩士研究生。

楊寶山，男，碩士研究生。

施小明，男，原上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院黨總支書記，現(xiàn)上海理工大學(xué)監(jiān)察處處長。

作者單位