发布时间：2023-04-06 18:40:39
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的传感器设计论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
关键词：传感器；AD转换；控制器；硬件电路
引言
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。
一、系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
二、工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。
3.1单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。
3.2传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。
3.3键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
3.4液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
3.5AD转换电路及控制输出
AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。
四、软件设计
4.1键盘程序
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。
五、结束语
基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。
参考文献：
[1]黄智伟.传感器技术.2002，21（9）：31～33
关键词：角度传感器，C8051F005单片机，角度预置，步进电机，显示联动
0.引言：
传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，用单轴倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度自动旋转目的。
1.硬件电路设计
角度传感器硬件连接图如图1所示，当步进电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C处于水平位置时，Vo端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C仅可精确检测到0~90度的角度范围，当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo端输出+5V的模拟电压。在0~90度的倾角范围内，Vo端输出的是正比于倾角大小的+0.5~+5V的模拟电压信号，当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo输出的是从+5V依次变化到+0.5V 的模拟电压信号[1][2]，因此通过测定传感器SCA60C输出端Vo电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。
步进电机驱动电路的设计本系统中，我们选择4相5线步进电机，其驱动电路主要由L297+L298组成，该驱动电路集驱动与保护于一体。L297是脉冲分配器，只要步进电机A、B、C、D四项依次连接到J1的1、2、3、4各点，且将剩下的一条线接地，L297就会自动的将输入到端口CW/CCW的脉冲分配给步进电机的各个相序，此时步进电机便可转动[3][4]。控制电机时只需单片机通过I/O口向L297的cw/ccw和clock端发送控制信号即可控制它的转速和正反转。驱动电路原理如下图2。论文参考。论文参考。
图1角度传感器硬件连接图图2步进电机驱动电路原理图
本系统主要由主控制器模块、角度检测模块、A/D转换模块、键盘模块和显示器模块等部分组成，系统连接图如图3所示：
图3系统框图
系统分为两个工作模式，工作于模式一时，可通过键盘模块预置一个角度，主控制器接收到此信息后，通过控制电机控制模块来使角度检测模块做出转动动作以使平衡板按输入角度完成倾斜动作。同时，角度传感器输出的模拟量经A/D转换模块转换后送入主控制器，主控制器据此输入判定平衡板是否已倾斜到预置的角度，并据此来控制电机控制模块，并且主控制器模块通过控制显示模块实时的显示平衡板的倾斜角度。通过按键模块可将系统切换到模式二，模式二的功能是能始终保持平衡板的水平，且能使显示模块显示的内容与平衡板联动，两种工作可通过按键来切换。系统使用c8051f00作为控制核心，128*64作为显示器，4*4键盘来输入需要预置的角度。程序具有角度预置和自动寻找平衡点两种模式，根据不同需要选择，具有友好人机界面，操作简单易懂。软件流程图如下图4所示：
图4 程序流程图
2.系统测试与分析
表1系统性能测试
基本要求测试 发挥部分测试 输入角度大小 平衡时角度 误差 起始倾斜角度 平衡时角度 误差 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
关键词：传感器，发展，新趋势
作为模拟人体感官的“电五官”（传感器）是猎取所研究对象信息的“窗口”，它为系统提供赖以进行处理和决策所必须的对象信息，它是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的关键组成部分。未来的社会，将是充满传感器的世界。有人认为支配了传感器技术，就能把握住新时代。因此，传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容，我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息化的时代，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术必将有长足的发展。
“电五官”落后于“电脑”的现状，已成为新型计算机的进一步开发和应用的一大障碍，传感器的发展远远不能满足计算机应用和开发的需要；许多有竞争力的新产品开发和卓有成效的技术改造，都离不开传感器。如：工厂自动化中的柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、几十万千瓦的大型发电机组、连续生产的轧钢生产线、无人驾驶的自动化汽车、多功能装备指挥系统、直至宇宙飞船或各种探测器等等，其开发与传感器密不可分；传感器的应用提高了机器设备的自动化程度，提高了产量和质量，产生了巨大的经济效应。同时，推动了科学技术的进步，促进了生产力的发展，产生了巨大的社会效应；传感器普及于社会各个领域，从茫茫太空到浩瀚海洋、从各种复杂的工程系统到日常生活的衣食住行，将造成良好的销售前景。这些都是传感器技术发展的强大动力，随着现代科学技术，特别是大规模集成电路技术的飞速发展和电脑的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用传感器的热潮已在世界范围内掀起。
目前的传感器，无论在数量上、质量上和功能上，远远不适应社会多方面发展的需要。当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用合适的外部电路以及最大限度地提高现有传感器的性能价格比的同时，正在寻求传感器技术发展的新途径。特别是电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术（SMT）等技术的发展，极大地加速了传感器技术的发展。下面探讨传感器发展的新趋势：
1．开发新型传感器
鉴于传感器的工作机理是基于物理学、化学等各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。目前发展最迅速的新材料是半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料以及所谓的“智能材料”（如形状记忆合金，具有自增殖功能的生物体材料等）。如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破。其灵敏度比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件，而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单。它可用于磁成像技术，具有广泛推广价值。此外，当前控制材料性能的技术已取得长足的进步，不久的将来人们将可按照传感要求来合成所需的材料。其中，利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测极微信号，是传感器发展的新方向之一。
2．结构型传感器的发展
结构型传感器主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展。论文参考。目前，结构型传感器在国防和工业控制等领域还大量使用，但其在原理、材料和结构形式等方面都不断发生变化，并且向有源化方向发展，即将敏感元件和电路组装在一起,减小装置体积,提高信噪比和精度。结构型传感器由于采用新结构、新材料和新工艺，可大幅提高传感器的性能。如采用微细加工技术（半导体技术中氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜等加工工艺），可制造出各式各样的新型传感器。
3．传感器的集成化和多功能化
传感器的集成化分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。前者是在同一芯片上，或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列（面）型传感器，使传感器的检测参数由点到面到体多维图像化，甚至能加上时序，变单参数检测为多参数检测；后者是将传感器与调理、补偿等电路集成一体化，使传感器由单一的信号变换功能，扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能——实现了横向和纵向的多功能。如日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+和H+等多种离子的传感器。这种传感器的芯片尺寸为2.5mm×0.5mm，仅用一滴液体，如一滴血液，即可同时快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度，对医院临床非常方便实用。
目前集成化传感主要使用硅材料，它可以制作电路，又可制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。在制作敏感元件时要采用单硅的各向同性和各向异性腐蚀、等离子刻蚀 、离子注入等工艺，利用微机械加工技术在单晶硅上加工出各种弹性元件。当今，发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研究。
4．传感器的智能化
将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构，就是传感器的智能化。智能传感器具有自校准、自补偿、自诊断、数据处理、双向通信、信息存储和记忆、数字信号输出等功能。智能传感器按其结构分为模块式、混合式和集成式三种。模块式智能传感器是初级的，是由许多互相独立的模块组成，其集成度不高、体积较大，但比较实用；混合式智能传感器是将传感器、微处理器和信号处理电路制作在不同的芯片上。目前，其作为智能传感器的主要类型而被广泛应用；集成式智能传感器是将一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一芯片上，其结构一般是三维器件（立体器件），具有类似于人的五官与大脑相结合的功能，并且智能化程度随着集成化程度的提高而不断提高。如美国图尼尔公司的ST—3000型智能传感器，采用半导体工艺，在同一芯片上制作CPU，EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件。论文参考。另外还有MEMS，MEMS通常是由传感器、信息单元、执行器和通信/接口单元等组成。它可从需要观测与控制的对象中获取光、声、压力、温度等信息，转换成电信号并要求处理、提取信息，通过执行器对目标实施控制或显示；同时，系统通过通信/接口单元以光、电或磁的形式与其它微系统保持信息联系。
今后,随着传感器技术的发展,还将研制出更高级的集成式智能传感器,它完全可以做到将检测、逻辑和记忆等功能集成在一块半导体芯片上。同时，冷却部分也可以制作在立体电路中，利用帕耳帖效应使电路进行冷却。目前，集成式智能传感技术正在起飞，它势必在未来的传感器技术中发挥重要的作用。
5．传感器的虚拟化和网络化
5．1虚拟化。自20世纪90年代以来，一种全新概念“虚拟化”正获得愈来愈广泛的应用。虚拟传感器是传感器、计算机和软件这三者的有机结合，构成软硬结合、实虚共体的新一代传感器。这种传感器是基于计算机平台并且完全通过软件开发而成，利用软件来建立传感器模型、标定参数及标定模型，以实现最佳性能指标。如美国B＆K公司最近已开发一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并附带一张软盘，软盘上存储着该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查，传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。此外，专供开发虚拟传感器产品的软件工具也已面市了。
5．2网络化。网络传感器是包含数字化传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。这里讲的网络已不限于传感器总线，还应包括现场总线、局域网和因特网。数字传感器首先将被测参数转换成数字量，再送给微处理器做数据处理，最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间，传感器与系统之间的数据交换及资源共享。
6．研究生物感官，开发仿生传感器
大自然是生物传感器的优秀设计师。它通过漫长的岁月，不仅造就了集多种感官于一身的人类本身，而且还设计了许许多多的功能奇特、性能高超的生物传感器。如狗的嗅觉（灵敏阈为人的10 倍）；鸟的视觉（视力为人的8～50倍）；蝙蝠、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）；蛇的接近觉（分辩率达0.001℃的红外测温传感器）等等.这些生物的感官性能,是当今传感器技术所望尘莫及的.研究它们的机理,开发仿生传感器（包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉传感器等）,也是引人注目的方向。目前只有视觉与触觉传感器得到了比较好的发展。
传感器技术在广泛应用于工业自动化、军事国防和以宇宙开发为代表的尖端科学与工程等重要领域的同时，正以自己的巨大 力，向着与人们生活密切相关的方面渗透。论文参考。现代科学技术的飞速发展以及社会对高性能、高适用性传感器的迫切需要，极大地推动了传感器技术的发展。生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。我们有理由相信，传感器这颗璀璨的明珠，必将放射出更加耀眼的光芒。
参考文献：
〔1〕 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用〔M〕.北京：国防工业出版社，1999。
〔2〕 何希才.传感器及其应用电路〔M〕.北京：电子工业出版社，2001。
〔3〕 黄长艺.机械工程测试技术基础〔M〕.北京：机械工业出版社，2001。
〔4〕 王元庆.新型传感器原理及应用〔M〕.北京：机械工业出版社，2002。
〔5〕 沙占友.智能化集成温度传感器原理及应用〔M〕.北京：机械工业出版社，2002
〔6〕 何勇 王生泽.光电传感器及其应用〔M〕.北京：化学工业出版社，2004
摘 要
近年来，基于对矿井生产系统安全的监测，国内外先后研制出多种类型的计算机监测系统，但由于现有监测系统具有成本高、功耗高和设备庞大等特点，不适应大多数中小型煤矿特别是小型煤矿的需求，而当前矿难大多数发生在中小型煤矿特别是小型煤矿中。因此，为了满足大多数中小型煤矿的需求，本论文设计了1种关于煤矿瓦斯浓度测试的新型传感器。
针对目前情况设计1种井下便携式瓦斯探测器，当瓦斯气体浓度接近危险值时，自动发出报警，提醒井下人员立刻离开。该设备同时还具备灵敏度调节和检测强度调节开关，有简单、方便、准确、实用等特点。该设计是1种基于单片机控制的瓦斯探测器，具有简单实用、可控性强等特点。从组成框图、硬件设计以及程序流程及代码等几方面对其进行了介绍。
本文采用了气敏传感器，气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的1种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出1种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。而语音信号是信息的又1主要载体，如果在这些测量场合能用语音直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，本文就介绍1种新型的气敏传感器测试系统。
由于各种条件的限制和现有的能力，本论文只进行了该系统的基本原理设计，要形成产品进入市场销售，还需做大量的后期工作。
关键词:瓦斯; 气敏传感器；单片机；
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.
关键词：温度传感器，湿度传感器，GSM，远程监测
1、引言
高级别的质量检测需要在高质量的环境中进行。温度和湿度是环境的重要参数，对温湿度的监测是实现优质环境的重要手段。为了避免人为干扰环境和提高效率，远程监测是一种有效的方法。目前的远程监测系统大多采用以太网络、无线数据传输模块或zigbee无线网络传输数据[ 1-6]。但是，以太网是有线传输，需布线，受地理环境影响较大；无线数据传输模块的传输误码率高，可靠性差；zigbee是专用协议无线网络，成本高，开发难，而且覆盖范围有限。本文提出一种基于GSM的温湿度远程监测系统，具有传输误码率低、成本低及覆盖范围广等优点，并且可与监测人员的手机绑定，实现随时、随地，移动监测。
2、传感器的数学模型
2.1 半导体温度传感器原理
根据PN结理论，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度具有很好的线性关系。对于理想二极管，只要正向电压VF大于几个KT/q，其正向电流IF与正向电压VF和温度T之间的关系可表示为
(1)
式中IS 为二极管反向饱和电流， K 为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），T 为绝对温度（K）， q为电子电荷（1.602×10-19库仑），
整理后，得
(2)
如前所述，晶体管的基极一发射极电压在其集电极电流恒定条件下，可以认为与温度呈线性关系[7]。
2.2 阻抗型高分子湿度传感器原理
阻抗型高分子湿度传感器的感湿原理如下：高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移速度增加；同时吸附的水分子使解离的离子增多，膜电阻随湿度增加而降低，由电阻变化可测知环境湿度。阻抗型高分子湿度传感器复阻抗与空气相对湿度、材料配方和电极结构都有关系： 与我有关系
(3)
其中m为叉指对数，b为单个叉指长度，n为电化学反应电子转移数，f为法拉第常数，c*为氧化剂浓度，D为扩散系数[8]。
但由于传感器的材料配方、电极结构等方面的不同，导致各种不同的阻抗型高分子湿度传感器的特性曲线有较大差别，不能用统一的曲线来概括。
3、远程监测系统
本系统采用先进的GSM无线通信技术、配合以嵌入式解决方案和数据采集等先进技术，构建了一种基于GSM的温湿度远程监测系统。
3.1 系统组成及功能
系统分为监测中心站和远程监测终端两个部分:监测中心站主要有PC主机、GSM通信模块TC35i组成（或用户手机）；远程监测终端主要是由LPC2148ARM内核控制器、GSM通信模块TC35i、信号调理电路、人机接口和通信接口电路组成。监测中心站通过GSM网络与监测终端进行无线远程通信,实现了基于GSM的远程监测。系统结构图如图1所示。
图1 远程监控系统框图
系统实现的功能主要包括数据采集、数据传送、报警、实时控制和数据处理。远程监测终端主要负责采集温度、湿度、2项数据，根据监测中心的命令进行实时上传数据。中心对收到的采集数据进行处理，报警，实现实时监控。
3.2 温度检测电路
本系统采用AD公司生产的单片半导体集成模拟型温度传感器AD590。它具有线性度高、精度高、体积小、响应快、价格低等优点,测温范围为-55~+150℃。具有良好的互换性,非线性误差为±0.3℃。此外,AD590的抗干扰能力强,信号的传输距离可达100 m以上[9]。
流过器件AD590的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：
(4)
式中，—流过器件(AD590)的电流，单位K
AD590的灵敏度为1μA/K,0℃时输出273μA电流,每上升1℃输出电流增加1μA ,每下降1℃输出电流减小1μA。AD590基本测温电路如图2所示。
图2 温度检测电路
3.3 湿度监测电路
系统采用CHR-01型阻抗型高分子湿度传感器，其复阻抗与空气相对湿度成指数关系。其基本特性为：工作电压1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），检测范围20%～ 90% RH，检测精度±5%，工作温度范围0℃～＋85℃，特征阻抗范围21 ～ 40.5KΩ。湿度传感器阻抗变化与温度有关，其关系见规格书中湿度阻抗特性数据表，通常先检测温度，然后按阻抗查表获得湿度值。由于直流电压可使水分子电离，加速老化，所以采用交流电压测试其阻抗[10]。
将CHR-01与555构成多谐振荡器，通过检测频率，进而获得阻抗。湿度检测电路如图3所示。
图3 湿度检测电路
低电平表达式：
高电平表达式：
输出频率表达式：
(5)
利用单片机的定时器/计数器进行频率测量，假设计时时间为T(s)，此期间计数值为N，则被测频率f=N/T
则CHR-01的阻抗为
(6)
其中R1与C的选择很关键，电容C要选择高精度电容，一是保证其充放电的能力，二是为了其电容值精确，更方便计算湿敏电阻的返回值。
3.4 GSM模块
本系统采用西门子公司工业级GSM模块TC35i进行远程数据传输。TC35i支持中英文短消息，自带异步串行通信接口，方便与PC机和单片机接口，可传输语音和数据信号，通过AT命令可实现双向传输指令和数据，波特率可达300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，电源范围为直流3.3～4.8V，电流消耗为空闲状态为25mA，发射状态平均为300mA。
3.5 微控制器LPC2148
现场监测站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 内核的微控制器LPC2148作为主控制器，完成现场监测站的全局控制。论文参考网。LPC2148内嵌32KB 的片内静态RAM 和512 KB 的片内Flash 存储器，片内集ADC、DAC 转换器，实时时钟RTC，2 UART ,及USB2.0等多种接口。具有JTAG调试接口、方便在线调试，而且应用电路相对简单，开发和生产的成本低。芯片可以实现最高60 MHz 的工作频率，能够满足嵌入式系统μC/OS-II 及人性化的人机界面的要求。大容量的内存，方便了收发短消息时的数据缓冲。
4、系统的软件设计
系统采用GSM无线通信模块TC35i实现远程数据通信，TC35i通过AT命令来进行控制，采用短消息方式进行数据传输。系统软件包括现场监测站软件和监测中心站软件两部分。现场监测站软件主要完成短消息收发、PDU数据协议分析、A/D转换、串口通信及人机接口的功能，其中重点是短消息收发和PDU数据协议分析，这是解决现场监测站与监测中心站之间远程无线通信的关键。论文参考网。监测中心站的短消息收发及PDU数据协议分析与现场监测站软件流程基本相同，不再赘述。
4.1 发送短消息
发送短消息的过程:首先将短消息中心号码、对方号码、短消息内容编码成PDU格式;然后计算出短消息的长度,发送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回车即ASCⅡ码0x0D。等待TC35i模块返回ASCⅡ字符“〉”,则可以将PDU数据输入,PDU数据以〈Z〉作为结束符。短消息发送结束后模块返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。发送短消息流程图如图4所示。
图4 发送短消息流程图
4.2 接收短消息
接收短消息使用定时器进行周期性串口查询的方式。短消息到达后,计算机可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存储位置)〈CRLF〉。读取PDU数据的AT命令为AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,执行此命令后模块返回刚刚收到的PDU格式的短消息内容。收到PDU格式的短消息后,将这个短消息进行解码,解码出短消息发送方的手机号码、短消息发送时间、发送的短消息内容。接收短消息流程图如图5所示。论文参考网。
图5 接收短消息流程图
6、结论
为了实现质检所需的优质环境，本文研究一种基于GSM的温湿度远程监测系统。设计了以LPC2148为核心的现场监测终端系统，实现温湿度的采集，短消息收发及人机接口等功能，并通过GSM模块TC35i与监测中心站通信，接受指令并实时上传信息，实现了监测中心对现场温湿度的远程监测。实验表明，本系统传输误码率低，通信可靠，具有很好市场前景，也为高效率远程监测系统的实现提供了一种新方法。
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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.
关键词：玉米水分；水分测量；电容式传感器；检测电路
Key words： corn moisture；moisture measurement；capacitive sensor；detection circuit
中图分类号：TM930.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0194-02
0 引言
玉米水分含量是玉米细胞的必要组成部分，也是维持玉米细胞本身生命活动所必需的。因此，玉米水分含量既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，而且容易引起玉米发热、霉变和其他生化反应；水分过低，会破坏有机物质，损坏干物质，所以，玉米水分的检测是玉米安全存储的主要环节[1，2]。
传统的水分测量方法是烘箱法，这种方法准确度高，适用范围广，但是时间长，步骤繁琐，不宜现场使用。近年来，国内外研究各种间接检测方法以求取代传统烘箱法，主要包括电导法、电容法、射线法、中子法、微波法等，一般速度较快，易实现在线和现场检测[3]。其中电容法是水分检测的常用方法，它具有体积小以及检测速度快的优点，但其高水分时的重复测量精度还有待于提高。
1 电容式传感器测量原理
由于所测玉米为颗粒形状，装入容器中存在许多气隙，因而介电常数较小。但传感器的极板有效面积不能太小，因此设计中的电容传感器采用同轴的圆筒型电容传感器。采用这种传感器的另一目的是，它的电极是非对称的，即内极板被外极板所包络，这样可以十分有效地抑制人体感应。设计的电容式传感器如图1所示。
将被测玉米放入传感器两极板间的介质空腔，由于玉米含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化，从而测出玉米的水分含量。
柱面高为L，内圆柱外表面半径为R1，外圆柱内表面半径为R2。当L>>R2-R1时，可忽略圆柱两端的边缘效应影响。
得到同芯柱型电容传感器的计算公式[4]为：
由上式可以看出，传感器电容的变化与玉米相对介电常数成线性关系，而相对介电常数随玉米的水分含量而改变，因此可得到玉米的水分含量。
2 测量电路
电容式传感器中电容值以及电容变化值都十分微小，这就必须借助于测量电路测量出这一微小电容增量，并转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率[7，8]。电容转换电路有电容充放电式电路、调频电路、运算放大器式电路、普通交流电桥法、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等[9]。
本论文讨论的是利用传感器电容的充电和放电的原理，将电容转换为电压，根据测量的电压来得到传感器的电容[10]。
电容的充电过程：电压Vi对电容C进行充电，t是指充电的时间，RC的乘积是时间常数，充电方程为
该测量电路是利用传感器电容的充电和放电的原理，使输出信号随电容传感器的电容量变化而变化，经过差分运放电路、同相比例运放电路、低通滤波器可得到对应于传感器电容变化的直流电压信号。电容式传感器检测电路如图2所示，图3所示为电容充电时等效检测电路，图4所示为电容放电时等效检测电路。
3 实验与数据处理分析
实验是在室温下进行的，不考虑温度变化的影响。使用检测电路测量出了样品的电容值，并使用烘干法得到了样品的含水量，根据实验数据得到玉米含水量与电容值的关系曲线如图5所示。由曲线可以看出，随着玉米含水量的增加，其对应的电容值也随之增大。
根据实验得到的数据用最小二乘法拟合出电容x（nF）与玉米的水分含量y（%）的二元三次方程，如式（6）所示。
y=-0.000054149x3-0.0089798x2+0.63413x+11.4539
（6）
4 结论
本文准备了多组样品，并通过实验得到了样品的含水量及对应的电容值的关系曲线。由曲线可得出，根据测量电路测出的未知水分样品的电容值，可以得到样品的含水量，并且与实际烘干法测量的样品含水量相比误差很小。由此可以得出，本论文讨论的电容式传感器及其测量电路测量玉米水分的精确度比较高，适合玉米水分的精确测量。
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关键词：智能车辆；环境感知；传感器；多传感器信息融合
中图分类号：E91 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 14-0026-01
一、前言
随着社会的进步，汽车成为人们出行必不可少的交通工具，车辆堵塞、交通事故等问题也日益显现。汽车数量的快速增长造成了公共交通效率低下、交通事故频发。建立起现代化的智能交通系统便被提到日程上来。智能车辆（Intelligent Vehicles， IV）作为智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要组成部分，也是系统的运行主体，能够提高驾驶安全性，大幅改善公路交通效率，降低能源消耗量，由于众多优点，该技术的研究日益受到国内外相关机构的关注。
智能交通系统能够有效缓解交通压力，合理调配公共交通资源和道路资源。基于机器传感技术和控制技术，驾驶系统采用信息传输技术和计算机视觉技术监测道路路面、交通标志、其他车辆、行人以及交通事故等道路环境状况，有效保证智能车辆在各种路况下的安全行驶，并能对一些异常状况进行及时处理。在过去的10多年里，相关技术取得了很大的进步，有些国家已经成功开发了一些基于视觉的道路识别和跟踪系统。其中，具有代表性的系统有：LOIS系统、GOLD系统、RALPH系统、SCARF 系统和ALVINN系统等。从这些先进技术的应用便可看出，感知外部环境模块是智能车辆的核心技术。
二、环境感知传感器在智能车辆上的应用现状
智能车辆在道路上畅行离不开相应的传感技术，其中最重要的是道路环境感知模块，该模块将先进的通讯技术、信息传感技术、计算机控制技术结合起来系统利用。智能车辆系统主要有环境感知模块、分析模块、控制模块等部分组成。环境感知传感系统主要由机器视觉识别系统、雷达系统、超声波传感器和红外线传感器组成。
（一）机器视觉识别系统
机器视觉识别系统是指智能车辆利用CCD等成像元件从不同角度全方位拍摄车外环境，根据搜集到的视觉信息，识别近距离内的车辆、行人、交通标志等。机器视觉也有其弱点，容易受到环境的影响，在能见度较低时效果不理想，因此，在传感器类别中属于被动型。与雷达系统相比较，视觉识别系统价格低廉，一辆车上可以安装多处，监测范围更大，搜集道路信息更为全面，通过对其所得的图像进行处理可以识别、检测周围路况，这些也是主动型传感器无法替代的。所以越来越多的人对利用机器视觉感知车辆行驶环境产生很大的兴趣，该系统在现实生活中随处可见，普及率最高，机器视觉在智能车辆研究领域得到广泛的应用， 成为最受欢迎的传感器之一。
（二）雷达系统
雷达系统是一种主动型传感器，利用微电磁波探测目标距离、速度、方位等。雷达不需要复杂的设计与繁复的计算。雷达系统的使用不受光线、天气等因素干扰，无论是白天还是黑夜，晴天或者下雨，雷达系统都能够正常运转。由于雷达是靠电磁波反射原理来工作的，这会导致相近的不同雷达间电磁波相互干扰而影响工作效能。但是，瑕不掩瑜，由于雷达在准确提供远距离的车辆和障碍物信息方面有着得天独厚的优势，因此在车辆的防碰撞系统中有着广阔的应用前景。
（三）超声波传感器
顾名思义，超声波传感器是指利用超声波为检测方法的传感器。使用超声波探测得来的的数据处理简单、快速，超声波传感器可以发射定向长生波，能够在较小范围内检测到物置。这种技术在医学应用上比较广泛和成熟。汽车工业上的利用首见于在欧洲销售的的BMW 车上的超声波停车装置。这种系统利用一片单片机进行控制，超声波遇到障碍反射回传后，根据传感器探测距离发出不同的提示音。
（四）红外线传感器
红外线传感器是利用红外线来进行测量工作的传感器，技术更加先进。红外线传感器不受黑暗、风、沙、雨、雪、雾的阻挡，环境适应性好，且功耗低。这些特点使它远超其他传感器。与超声波传感器相比，反应速度更快，探测范围更广，由于其探测视角小，方向性和测量精度有所提高。与机器视觉结合使用，红外线传感器可以增强机器视觉识别的可靠性，使黑夜如同白昼，因此常被用于智能汽车中的夜视系统中。
三、多传感器的综合利用
在复杂的路况环境下，单一传感器都有其局限性，仅仅安装单一传感器难以提供路况环境的全面描述，因此设计智能车辆必须配置多种传感器。例如夜间行驶时红外线传感器是必不可少的；而停车、倒车时主要使用超声波、雷达探测周边障碍物的远近；机器视觉除日常应用外与其他传感器结合起来可以使得智能车辆驾驶安全性更加可靠。
随着计算机信息技术、通信技术、控制技术和电子技术的进步，智能车辆技术研究中多传感器信息融合技术的应用取得了许多令人振奋的成果。如车载系统互联技术、欧洲的Peugeo系统、美国的IVHS系统等。Tsai-Hong Hong等利用激光传感器采集图像获得车辆前方的距离信息，在正常的路况环境下，采用彩色摄像机与激光传感器联合感知道路表面和定位道路边界。这些技术经过不断改进，相信在不久的将来引起汽车工业的革命。
四、结语
在智能车辆的环境感知模块技术研究中，传感器是智能车辆控制系统的关键。如何使传感器技术更好的应用到汽车行业上来，未来将成为传感器技术研究领域的一个发展方向。
整合各种类型的传感器技术，使其为智能车辆提供更加真实可靠的路况环境信息，对智能汽车技术的发展来说是至关重要的。由于实际的应用环境所得到信息大多数都是不确定信息，传感器回馈信息融合还原真实路况还有很大的困难。
纵观全球，我国的智能车辆研究工作还处于起步阶段，同欧美日等相比还很落后。但随着我国社会经济的发展，汽车保有量不断膨胀，严峻的交通现状迫使我们把发展智能交通尽早提到日程上来，只要我们勇于创新，结合我国具体国情，不断进行深入、细致的研究，我国智能化交通必能早日实现。
参考文献：
关键词： CPLD；正交磁通门传感器；水平定向导航
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0037-02
0 引言
磁通门传感器是一种利用磁饱和法测量弱磁场的传感器，广泛应用于地磁测量、空间磁场测量、飞行器控制等[1]。以往的磁通门传感器电路复杂，分立元件使用量大，这使得电路参数受温度影响较大且调试困难。为了解决这种问题，本文设计了一种采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）的正交磁通门传感器，减少了电路的复杂程度，并且易于调试，取得很好的效果。
1 磁通门二次谐波法原理
磁通门现象，简单的说就是一种变压器效应。其结构与变压器类似，但是与普通电器设备中变压器效应不同的是磁通门探头的变压器效应是对被测量的磁场进行调制。磁通门直接检测目标的方式十分简单，即探头感应测量环境磁场在其轴向的分量[2]。磁通门探头的铁心通常都是由高导磁材料如坡莫合金制成的[3]，在其外部缠绕励磁线圈以及测量线圈。磁通门铁心可以采用柱形、跑道型或环形的形状。
由以上分析可以看出：待测磁场的感应电压大小只与偶次谐波有关，且高次谐波是逐级衰减的，因此采用二次谐波来测量磁场。
2 磁通门传感器测角原理
如果取二次谐波，采用环形铁心，正交的测量线圈方式，则e为测量线圈法线方向与被测磁场平行时的大小。若有夹角，如图2所示。
电动势相位差？兹即为线圈与地磁场夹角，度量出它就可以度量方位角。
3 正交磁通门传感器的硬件设计
电路设计的总体思路是：通过分频激励磁通门探头， 磁通门探头输出测磁场轴向的分量相关的信号，将该信号经过放大、移相、求和、滤波等电路，再经过基于CPLD的整形、鉴相电路的处理，将其转换成所需要的数字信号，其整体的框图如图3所示。
3.1 激励发生电路 采用有源晶体振荡器作为频率源，因其具有非常稳定的固有频率，可以保证频率的稳定性。分频器对晶振信号分别进行360分频和720分频，得到频率为f的方波信号作为鉴相基准信号，以及频率为f/2的方波信号作为磁通门传感器的激励信号。
3.2 功率放大电路 由于从CPLD出来的方波信号功率较小，不足以激励线圈使磁芯达到周期性的过饱和状态。因此，在CPLD产生稳定的方波信号后面，需要配置功率放大电路，可采用集成运放构成的放大电路。
3.3 移相电路 由设计思路可知，磁环次级的两个测量绕组产生的二次电压分量，一路需要经移相器移相90°与另一路信号合成，此处移相90°由一阶全通网络完成。
其振幅频率特性和相位频率特性分别为：
3.4 求和放大电路 磁环次级的两个测量绕组产生的二次电压分量，一路经移相器移相90°与另一路信号合成，两路信号输入至求和电路。求和电路采用同相求和运算电路。
3.5 带通滤波电路 由求和放大电路输出的合成信号包含有二次谐波分量和其他谐波分量，其中有用的是二次谐波分量，而其他谐波分量可看做噪声信号，其中幅度最大的是基波和三次谐波，其频率分布在探头输出信号幅值最大的二次谐波两边。所以采用二阶有源带通滤波器，其中心频率为15KHz。带通滤波器提取并放大了二次谐波分量，有效地除去了噪声信号。
3.6 其他电路 电路中分频器电路、鉴相器电路、计数输出电路及其他数字电路部分均集成在CPLD芯片 EPM7128S上，通过仿真测试，符合电路要求。CPLD分频器仿真波形如图4所示。
4 实验结果
测试过程为对磁通门传感器的水平测试，记录脉冲读数。本实验需要用到一种无磁转台作为角度基准[6]。首先调节转台，将其调至水平了，将磁通门传感器放置于转台上，调节磁通门位置，使磁通门传感器的输出计数值为0。以60°为转动间隔，分别正转、反转无磁转台一周，通过示波器读出脉冲个数（即航向角数值），实验数据如表1所示。
由表1可以看出，磁通门传感器存在零误差，该误差主要来源于激励磁场的电压或者电流中不对称分量引起的，即偶次谐波成分的影响或外部杂散磁场。因此为了提高激励的对称度，我们要采用高稳定度、电源去耦的振荡器。外部杂散磁场主要由周围环境中的铁磁材料的干扰所引起。因此，探头可以采取适当的屏蔽措施，使用中远离外界磁场及铁磁物质，减小外磁场的影响。
5 结论
测试结果表明，该传感器航向角最大误差为1°，分辨率最低0.1°，精度1°，所设计的磁通门传感器具有良好的性能，满足设计要求。利用CPLD进行电路整合，具有调试方便，误差小，成本低等特点。
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