傳感器設計論文匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇傳感器設計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

壓阻效應于1865年由LordKelvin首先發現，現在這個原理廣泛應用于傳感器原理中。當傳感器薄膜結構上的壓敏電阻受到外界壓力作用時會產生形變，使電阻率發生變化從而引起電信號的改變，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有關。本文中的氣壓傳感器是基于硅的壓阻效應設計的，制備的氣壓傳感器芯片結構截面圖。傳感器結構由一個單晶硅彈性薄膜和集成在膜上的4個壓敏電阻組成，4個電阻形成了惠斯通電橋結構，當有氣壓作用在彈性膜上時電橋會產生一個與所施加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。

1．2氣壓傳感器制作工藝流程

整個流程主要是采用硅表面微加工工藝。與傳統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行真空腔密封，這種方法可以克服傳統的濕法刻蝕工藝的缺點，加工出的單晶硅膜具有很好的機械性能。①首先，對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連通的腔。②采用外延工藝，在襯底上進行單晶硅外延，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，外延時的真空度為80torr。③在對外延硅層的局部區域進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對局部區域進行大劑量硼離子注入。該步工藝主要是要實現壓敏電阻條之間的歐姆連接，并為壓敏電阻的引出做準備。⑤在硅片表面生長一層氧化層及氮化層，用作絕緣介質層。⑥對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測試電路設計

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，針對此微小阻值變化量，本文中設計了一款專用接口測試電路。該測試電路主要包括STM32系列單片機及ADS1247模/數轉換模塊和液晶顯示模塊。電路應用時將惠斯通電橋輸出節點與測試電路連接起來，通過硬件和軟件的結合實現外界氣壓信號的檢測并轉化為數字電信號進行輸出，讀數在LCD顯示屏上進行顯示，測試電路板的說明如圖4所示，針對部分重要模塊的電路設計在下文說明。

2．1電源電路設計

測試系統中需要用到3．3V和5V兩種電壓(選用的STM32單片機規定工作電壓為2．0V～3．6V，ADS1247數/模轉換模塊模擬電源部分供電電壓為5V)，根據測試電路元件的需求，采用國產LM2940－5和LM1117－3．3兩個穩壓模塊來進行電源供電的設計。

2．2ADS1247模/數轉換電路設計

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

3氣壓傳感器性能測試分析

氣壓傳感器作為一種高空探測的工具，它的性能好壞直接影響到高空探測的準確性，針對本傳感器結構進行測試并從數據中對氣壓傳感器的靈敏度、線性度、測試精度進行了分析及擬合修正。

篇（2）

一、概述

對于電阻應變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結構形狀與相關尺寸對測力傳感器性能的影響極大。可以說，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關尺寸。如果測力傳感器的彈性體設計不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應變片的品質多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設計過程中，對彈性體進行合理的設計至關重要。

彈性體的設計基本屬于機械結構設計的范圍，但因測力性能的需要，其結構上與普通的機械零件和構件有所不同。一般說來，普通的機械零件和構件只須滿足在足夠大的安全系數下的強度和剛度即可，對在受力條件下零件或構件上的應力分布情況不必嚴格要求。然而，對于彈性體來說，除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應變片部位（以下簡稱“貼片部位”）的應力（應變）與彈性體承受的載荷（被測力）保持嚴格的對應關系；同時，為了提高測力傳感器測力的靈敏度，還應使貼片部位達到較高的應力（應變）水平。

由此可見，在彈性體的設計過程中必須滿足以下兩項要求：

（1）貼片部位的應力（應變）應與被測力保持嚴格的對應關系；

（2）貼片部位應具有較高的應力（應變）水平。

為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈性體設計方面，經常應用“應力集中”的設計原則，確保貼片部位的應力（應變）水平較高，并與被測力保持嚴格的對應關系，以提高所設計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

二、改善應力（應變）不規則分布的“應力集中”原則

在機械零件或構件的設計過程中，通常認為應力（應變）在零件或構件上是規則分布的，如果零件或構件的截面形狀不發生變化，不必考慮應力（應變）分布不規則的問題。其實，在機械零件或構件的設計中，對于應力（應變）不規則分布的問題并非不予考慮，而是通過強度計算中的安全系數將其包容在內了。

對于測力傳感器來說，它是通過電阻應變片測量彈性體上貼片部位的應變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應力（應變）與被測力保持嚴格的對應關系，實際上就是保證在測力傳感器受力時，彈性體上貼片部位的應力（應變）要按照某一規律分布。在實際應用中，對于彈性體貼片部位應力（應變）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彈性體受力的大小不變時，力的作用點發生變化或彈性體與其相鄰的加載構件和承載構件的接觸條件發生變化。如果在彈性體結構設計時，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應力（應變）分布的不規則變化。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器（見圖1）。

當筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時，在彈性體貼片部位的整個圓周上應力（應變）的分布是均勻的。當上、下兩個端面上受力情況發生變化后，力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的，這時彈性體貼片部位圓周上應力（應變）的分布情況就難以預料了。如果筒式測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力（應變）基本上還是均勻分布。但是，在實際應用中，通常很少能為測力傳感器提供較大的安裝空間位置，因而筒式測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力（應變）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力（應變）與被測力不能保持嚴格的對應關系，將造成明顯的測力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差，有些傳感器設計者采取在筒式測力傳感器彈性體上增加貼片數量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況測量出來。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力誤差。但這種方法畢竟是一種被動的方法，增加的貼片數量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應力（應變）分布不均勻的情況全部測量出來，測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力誤差的實質是彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）的不規則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應力（應變）分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應力（應變）按照某一規律分布，因而使得彈性體貼片部位的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系，由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。

對于筒式測力傳感器來說，在承載強度足夠的條件下，如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空（見圖2），使得應力只能在未挖空的部位分布，大大改善了應力（應變）不規則分布的情況。或者說，應力（應變）的不規則分布僅僅限于未挖空的部位，并且其不規則分布的程度不會很大。因此，在未挖空的部位粘貼電阻應變片，就能使測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系。

上述處理方法實際上出于這樣一個原理：通過某種措施，使彈性體上的應力（應變）集中分布在便于貼片檢測的部位，實現測得的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系，以保證傳感器的測力精度。

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

三、提高應力（應變）水平的應力集中原則

若要測力傳感器達到較高的靈敏度，通常應該使電阻應變片有較高的應變水平，即在彈性體上貼片部位應該有較高的應力（應變）水平。

實現彈性體上貼片部位達到較高應力（應變）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力（應變）水平；

（2）在貼片部位附近對彈性體進行局部削弱，使貼片部位局部應力（應變）水平提高，而彈性體其它部位的應力（應變）水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片部位的應力（應變）水平，但對彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠好于整體減小彈性體尺寸。因為局部削弱彈性體既能提高貼片部位的應力（應變）水平，又使得彈性體整體保持較高的強度和剛度，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力（應變）水平的原理是：通過局部削弱彈性體，造成局部的應力集中，使得應力集中部位的應力（應變）水平明顯高于彈性體其它部位的應力水平，將電阻應變片粘貼于應力集中部位，就可以測得較高的應變水平。

局部應力（應變）集中的方法在測力傳感器的設計中經常被采用，尤其在梁式測力傳感器（如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器）的彈性體設計中被廣泛應用。局部應力（應變）集中方法應用較為成功的當數剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器是通過檢測梁式彈性體上的剪應力（剪應變）實現測力的，其彈性體的結構如圖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）。

由材料力學中有關梁的應力分布知識可知，當梁承受橫向（彎曲）載荷時，在梁的中性層處剪應力（剪應變）最大。如果要檢測梁上的剪應變，應該在梁的中性層處貼片。為了提高貼片處的剪應力（剪應變）水平，可將彈性體兩側各挖一個盲孔（見圖3的2處），盲孔的中心應在中性層處。電阻應變片應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。

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

四、小結

在測力傳感器的設計過程中，如能自覺地按照上述兩種應力集中的原則，對彈性體進行結構設計，就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。靈活、恰當地運用應力集中的原則，對于設計和生產高性能的測力傳感器具有重要的實用意義。

參考文獻

[1].劉鴻文主編，《材料力學》，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對象，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，經過化學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。實驗結果表明，待測溶液中病原菌濃度的對數值與叉指陣列微電極的電子傳遞阻抗的變化值呈線性關系。傳感器系統將上面的輸出信號進行電壓放大、A/D轉換等處理，然后由已知的定量檢測模型得出表征被測物含量的數值，并通過LCD裝置進行顯示，且可在超過安全值時進行報警。

1．2基本結構

實現定量檢測和自動報警等功能，單片機是核心部件。本設計選用STC89C52單片機，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可滿足系統工作的要求。該系統以STC89C52單片機為核心，包括阻抗測試模塊、阻抗電壓轉換模塊、電壓放大電路模塊、A/D轉換模塊和顯示及報警模塊。此系統采用模塊化設計不僅便于擴充不同測量單元，而且可防止各模塊間相互干擾，利于儀器穩定。

2硬件選型及電路設計

2．1集成放大器選擇

A/D轉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比較小，所以需要對叉指微電極輸出的電壓信號進行放大。主放大電路采用放大器ICL7650，其電路具有電源電壓范圍寬、靜態功耗小、可單電源使用及價格低廉等優點，廣泛應用在各種電路中。

2．2A/D轉換模塊設計

經放大電路輸出的電壓值是模擬信號，不能直接送入單片機進行處理，還必須進行A/D轉換后送入單片機進行處理。本設計選擇ADC0809芯片作為AD轉換裝置，此芯片功能簡單，能穩定實現本設計的要求。

2．3顯示及報警模塊設計

2．3．1顯示電路設計

傳感器需要輸出液晶顯示結果，主要包括檢測物名及物質濃度等。本系統選用LCD1602液晶顯示屏，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×2(16列2行，即32個)字符，可滿足顯示檢測物名稱和濃度的要求。

2．3．2報警電路設計

為了實現超限自動報警的功能，需要蜂鳴器接受單片機發出的超限報警信號發出警報，警示微生物的數量已經超標。要實現自動報警的功能，可采用實現單頻音報警。其接口電路較簡單，發音元件為壓電蜂鳴器，當在蜂鳴器兩引腳上加3～15V直流工作電壓時，可產生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。壓電式蜂鳴器結構簡單、耗電少，更適于在單片機系統中應用。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅動電流，可在單片機一端口接一只三極管和電阻組成的驅動電路來驅動。濃度超標時，單片機P3．6輸出高電平，驅動蜂鳴器報警，提醒檢測者被測物超標，并做相應處理。

3軟件設計

為了便于程序修改和升級，軟件系統采用模塊化設計方法，主要程序包括:主程序、鍵盤處理子程序、數據處理子程序、液晶顯示子程序及報警子程序。系統工作流程為:檢測人員通過鍵盤輸入被測物種類，MCU通過判斷處理之后，阻抗測試儀測量獲得多個阻抗值，經阻抗電壓轉換電路和放大電路，A/D轉換器處理，將得到的數字信號送入MCU;MCU對數字進行計算、比較等處理，得到被測物濃度，判斷出濃度是否超限;接著，MCU將濃度送入LCD進行顯示，判斷比較結果是否需要進行報警，需要時則控制報警器報警。

篇（4）

2光電開關與斯密特觸發器

2．1光電開關

大多傳感器電路所選擇的都是槽型光電開關，其一般會利用最標準的U型結構，發射器及接收器在U型槽的兩邊，呈現出一個光軸，在對應檢測物通過該槽并隔斷光軸時，這時的光電開關就出現了開關量號。以槽式光電開關來講，其最適宜檢測運行速度較高的物體，其可以很好的分辨出透明及半透明的物體，應用安全性較高。因為光電開關輸出及輸入回路之間是利用電緣絕來實現的，因此其能夠應用于眾多的場合中。利用集成電路相關技術以及表面安裝工藝制作的新型光電開關元件，其具有較好的延時性、拓展性、外同步、抗干擾、可靠性、運行區域穩定、自行診斷等諸多智能化功能。該光電開關屬于脈沖調制主動式的光電探測體系類電子開關，其主要應用的冷光源為紅外光、紅、綠、藍色光，可以不接觸、無損害、快速將各類固體、液體、透明體、黑體、柔軟體等物質控制其對應狀態及動作。

2．2斯密特觸發器

該傳感器電路運用斯密特觸發器對相關電平進行轉換，便于很好地滿足于傳感器體系測量的精確度，斯密特觸發器自身有著巧妙的滯后特性數字化傳送門。其電路閥值電壓為兩個，正向閥值及負向閥值電壓;雙穩態觸發器及單穩態觸發器不相同，斯密特觸發器整體上是電平觸發型的電路，并不會依靠周邊較為陡峭脈沖。其屬于閥值開關電路的一類，輸入級輸出特性容易突變的門電路。該電路設計為阻隔相關輸入電壓所存在的微笑變化而導致的輸出電壓變化。斯密特觸發器對應輸出情況轉換是由其相關輸入信號變化而決定的，輸入信號在最低電平提高時，電路狀況變化中輸入的電平及其相關輸入信號是與高電平處降低中的輸入變化電平不相同的，其對應閥值電壓被稱之為正向閥值及負向閥值電壓。并且，因為斯密特觸發器之內會有相關正反應，因此其輸出電壓所對應的波形通常較為陡峭。使用斯密特觸發器不止是可以把周邊轉化減緩信號所呈現的波形進行一定整形，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電路模塊設計及實現

總體傳感器電路模塊呈現為:電梯脫離信號光電開關觸發信號觸發器終端處理元件。在相關電梯并未脫離緩沖器時，對應傳感器有一個小擋板位于槽型光電開關之間，合理得隔檔LED對三極管的觸發。在電梯脫離了相關緩沖器時，經由安裝于傳感器間的對應彈簧將擋板有效的彈開，這時LED就能夠輕易的觸發光敏三極管。

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，由于使用環境、本身結構的變化，需要對其進行標定，以此保證測量的精度。近年來，隨著虛擬儀器技術的出現和發展，越來越多的技術人員開始基于該技術來開發自動化測量設備。博士論文，標定。虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發平臺中，美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW應用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標定程序的設計。

2 標定的原理

所謂標定（或現場校準）[2]就是指用相對標準的量來確定測試系統電輸出量與物理輸入量之間的函數關系的過程。標定是測試中極其重要的一環。標定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數關系之外，還可以最大限度地消除測量系統中的系統誤差。

傳感器的校準采用靜態的方法，即在靜態標準條件下，采用一定標準等級（其精度等級為被較傳感器的3~5倍）的校準設備，對傳感器重復（不少于3次）進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得各次校準數據，以確定傳感器的靜態基本性能指標和精度的過程。為簡化系統的設計，此處標準量采用砝碼加載的方式獲得。

3 系統組成

3.1硬件組成

系統的硬件組成如圖1所示：

圖1 系統硬件組成

由圖可以看出，系統主要包括計算機、力傳感器，數據采集卡、接線盒等。本系統中，力傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，四個應變片采用全橋的工作方式。數據采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數如下：它具有16個模擬輸入端口，2個模擬輸出端口，24個數字輸入輸出端口，采樣速率最高可達到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數據采集卡相連，接線盒上有SCC信號調理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號調理模塊，其上面包含信號調理電路，可以將傳感器處采集的信號轉換成適合數據采集卡讀取的信號。本系統所用的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變式壓力傳感器。

3.2軟件組成

本系統軟件基于LabVIEW 8.2來開發。LabVIEW是一種圖形化的編程語言。博士論文，標定。博士論文，標定。與其他開發工具不同，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計中解放出來，而將注意力集中在測量等物理問題本身。它主要針對各個領域的工程技術人員而設計，非計算機專業人員[1]。博士論文，標定。

因為所用的力傳感器屬于應變式電阻傳感器，其電阻變化率與應變可以保持很好的線性關系，即輸入與輸出量之間呈線性關系，所以可以用一條直線對校準數據進行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標定程序的采樣頁面。

此程序采用LabVIEW的事件驅動編程技術進行編制的。事件[3]是對活動發生的異步通知。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行保持同步。事件允許用戶每當執行某個特定操作時執行特定的事件處理分支。

圖2 標定程序采樣頁面

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、平均選點法、斷點法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進行直線擬合。根據最小二乘法，假定是一組測量值，是相應的擬合值，mse為均方差，則擬合目標可以表達為，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、指數擬合、通用多項式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來實現最小二乘法線性擬合。

標定子程序的工作流程如下：用戶先通過多次采樣，獲得各個輸入量對應的輸出量，通過While循環的移位寄存器保存這些值。博士論文，標定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來，同時該Vi自動求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數關系就可以確定下來了，如圖4所示。

圖4 標定程序擬合前面板

4 小結

基于虛擬儀器的力傳感器標定程序能夠方便地對力傳感器進行標定。博士論文，標定。該系統具有人機界面友好，靈活方便，自動化程度高等特點。

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1 引言

由于在局部的溫度通常具有不一致性，因此在檢測環境溫度時，傳統的單一測點測量溫度的方法并不能夠準確說明實際的溫度信息。在同一環境中，對多點進行溫度測量，能夠有效解決這一問題，使得溫度測量更加準確。但是多點溫度測量的溫度測量點比較分散，如果使用傳統的有線布線方式的話，則系統設計復雜，十分麻煩。本論文設計了一種基于無線傳輸的溫度采集系統，采用了nrf9e5無線芯片，主控芯片采用的是at89s52單片機，溫度測量的傳感器為ds18b20[1]。

本論文首先介紹系統整體設計方案，然后分別簡要介紹硬件電路設計以及部分軟件程序設計。

2 系統方案

無線數據傳輸按照傳輸方式的不同，可以分為：點對點、點對多點以及多點對多點。本論文所設計的系統由主控芯片51單片機、主接收器以及多個測量終端組成。每個測量終端都是通過無線傳輸模塊nrf9e5傳遞數據，進而形成無線傳輸的溫度采集系統。系統框圖如圖1所示。

將相應的溫度傳感器分布在所要測量環境的不同位置，就能夠精確評估環境溫度。然后再將這些測量得到的溫度經過無線通信模塊發送到主控芯片上，主控芯片對數據進行處理和顯示。

3 硬件電路設計

3.1 無線數據傳輸模塊

nrf9e5具有和8051相互兼容的微控制器，但是時序和指令都與其有些差別。nrf9e5與cpu的數據交換是通過串口來進行的。

nrf9e5和其他模塊通信主要是通過自身內部的并行口和內部的spi口。nrf9e5與nrf905等具有一樣的功能。收發器在與微控制器進行數據交換的過程中，主要是通過片內的spi和并行口。在要傳輸通信的數據準備好之后，就能夠產生中斷，供微控制器使用。

3.2 溫度測量電路

溫度檢測的方法有很多，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，即只采用一根信號線與單片機進行連接。該測溫傳感器能夠測量零下55度到125攝氏度的溫度范圍，同時分辨率能夠達到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

本論文設計的數據采集器使用的主控芯片是at89s52單片機。msc-51單片機是八位的非常實用的單片機。本論文所使用的at89s52單片機就是基于這款單片機的。msc-51單片機的基本架構被atmel公司購買，繼而在其基本內核的基礎上加入了許多新的功能，同時擴展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內核的單片機具有很多優點，因此無論是在工業上還是在一些電子產品上應用都很多。全球也有許多大公司對其進行擴展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機仍然在控制系統中占據很大市場。

下面對本論文所使用的單片機作簡要介紹。這款單片機具有最大能夠支持的64k外部存儲擴展，同時還具有8k字節的flash空間。該單片機具有4組i/o口，分別是從p0到p3，同時每組端口具有8個引腳。每個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用。其還具有斷電保護、看門口、計時器和定時器。51單片機一般的工作電壓是5v。

4 軟件設計

4.1 通信協議

本系統為單點對多點的無線通信，主接收器在可靠通信范圍內分別與每個數據終端通信。主接收器與每個數據終端都有一個唯一的地址，因此在通信過程中必須明確接收方的地址。系統通信協議定制如表1所示。

4.2 溫度測量程序

本論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件，與主控芯片進行一根數據線連接，就能夠同時實現數據和時鐘信號的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時序必須具有嚴格的要求。在出廠之前，每個器件的rom上都光刻上64位的編碼，這個編碼地址序列是唯一的，我們可以通過這個編碼地址序列來進行多

點的組網。但是本論文所設計的溫度采集系統，在每一個結點只是用一個溫度傳感器，因此在程序中并不需要讀取其rom編碼。

5 總結

在實際的溫度測量過程中，測量單點的溫度往往并不能夠準確反映實際溫度信息，需要對同一環境進行多次測量，同時要對多個溫度節點進行測量。但是多點溫度測量的溫度測量點比較分散，如果使用傳統的有線布線方式的話，則系統設計復雜，十分麻煩。本論文設計了一種基于無線傳輸的溫度采集系統，采用了nrf9e5無線芯片，主控芯片采用的是at89s52單片機，溫度測量的傳感器為ds18b20。本論文首先介紹系統整體設計方案，然后分別簡要介紹硬件電路設計以及部分軟件程序設計。

參考文獻

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[2]鄭啟忠，耿四軍，朱宏輝.射頻socnrf9e5及無線數據傳輸系統的實現[j].單片機與嵌入式系統應用，2004（8）：51-54.

[3]季一錦，尹明德.一種基于nrf9e5的無線監測局域網系統的設計[j].國外電子元器件，2004，（12）：22-25.

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1、前言

地磁場的異常波動是發生地震的重要征兆，對地磁場異常的監測可以為地震預報研究提供重要的數據資料 [1]。

虛擬儀器技術是利用編程軟件，按照測量原理,采用適當的信號分析與處理技術,編制具有測量功能的程序就可以構成相應的測試儀器[2],降低了儀器的開發和維護費用,縮短了技術更新周期，顯著提高了儀器的柔性和性價比[3]。

2、硬件結構

分布式地磁場異常監測系統總體結構如圖1所示。磁場傳感器通過RS232串口將計算出的地磁場方位值前期數據發送給電腦1，電腦1上的虛擬儀器軟件完成對信號的讀取、計算、分析、顯示、存儲等并通過電子郵件將相關數據傳送給遠端的電腦2。

3、軟件設計

3.1、軟件的總體功能

如圖2所示，監測系統主要有數據采集模塊、顯示模塊、磁場異常報警模塊、數據處理模塊、數據保存模塊、電子郵件發送模塊等組成。

3.2、軟件前面板

前面板如圖3所示,主要分為3個模塊:通信參數設置模塊、監測結果顯示及保存模塊、異常報警模塊等。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。設置的通信參數主要有與傳感器通信時的波特率、數據位、數據文件保存的位置、軟件異常及地磁異常時發送電郵的收發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、地磁場方位值的計算

地磁場方位值計算模塊如圖4所示，將VISA讀取控件緩沖區中的字符串數組讀出，截取其中第9和第10個元素，進行數制、進制轉換得到地磁場方位值，接到前面板進行顯示。論文參考，電子郵件。論文參考，電子郵件。

圖4 方位值計算模塊

3.4異常報警

將當前時刻的方位值與正常方位值相比較，如果相差5度，即認為是地磁場的異常波動，報警指示燈亮，發出報警音，同時啟動郵件發送模塊。

3.5 數據保存模塊

調用日期/時間字符串控件，讀取windows日期時間，和地磁場方位值一起寫入指定目錄的txt文件中。當地磁場異常時，觸發磁場異常邏輯為真，寫入文件控件將從此時刻開始5秒內的時間值、地磁場方位值寫入txt文件中。

圖5 郵件發送第一幀

圖6 郵件發送第二幀

3.6 郵件發送

4.實驗

如圖7所示，實驗方法為:將傳感器與電腦1串口相連，通過虛擬儀器軟件監測地磁場的異常情況，當地磁發生異常或接收傳感器數據異常時，電腦1上的監測軟件報警，并把異常數據記錄到數據文件中，同時通過電子郵件模塊向指定信箱發送指定格式郵件，監測者在電腦2上查看相關異常郵件。做法是轉動傳感器使其與地磁場磁北指向夾角為200°，用一塊磁鐵沿著與傳感器指向垂直的方向自遠及近靠近后又自近及遠離開傳感器，記錄下整個過程磁鐵與傳感器距離、地磁場方位值、異常情況及郵件接收情況。實驗結果如表1所示。

反復實驗表明，監測軟件準確地記錄下了磁鐵靠近傳感器的過程中該處磁場的變化情況，且當地磁異常時電腦2及時地接收到了相關異常數據郵件。

篇（9）

 

1 引言

目前，水資源的管理和節約成為世界性的難題。在控制人們意識上浪費的同時，各種節水設備也應運而生。目前大多都是著眼于用水節約和效率，卻忽視了廢水的循環使用。為此，本文基于“綠色設計”的原則，設計了一種基于單片機控制的家庭智能節水系統，最大限度的做到“水盡其用”。

2 智能節水系統設計思路

該設計用MCS-51單片機作為控制電路的核心控制部件來構成控制器,單片機輸出不同程序信息，經過移位寄存器74LS164驅動，使得數碼管顯示相應內容，紅外傳感器以及混濁度傳感器和水位傳感器檢測到的模擬信號經過8位模數轉換器ADC0809轉變成數字信號寫入單片機，經過單片機處理再把數字信號經過8255A送給電磁閥電路和繼電器電路，控制其工作與否。從結構來說該設計包括A/D轉換和擴展I/O口。輸入部分包括按鍵設置、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、繼電器驅動電路、電磁閥驅動電路和發光二極管。系統設計框圖如圖1所示：

圖1 系統設計框圖

3 智能節水系統硬件選擇

家庭節水系統通常包括4個主要構成部分，分別是收集器、處理器、儲存器和供給器。系統中要用水位傳感器和渾濁度傳感器及多個電磁閥、繼電器等，既有模擬量又有數字量。

3.1單片機的選取

ATMEL公司的89系列單片機也稱Flash單片機是以8031為核心構成，它和 INTEL公司的MCS-S1系列單片機完全兼容，擴展了它的功能。89系列單片機存在下列很顯著的優點:

(1)內部含Flash存儲器;(2)和AT80C51插座兼容;(3)靜態時鐘方式;

(4)錯誤編程亦無廢品產生;(5)可反復進行系統試驗。

鑒于以上的優點，經過分析比較，根據本系統的特點，選用ATMEL公司89系列的標準型單片機AT89C51。其片內含有128字節的數據存儲器(RAM)和4K字節的可電擦電寫閃爍程序存儲器E2PROM，這足以滿足系統實現其功能。

3.2模數轉換芯片

在眾多的轉換器中以逐次逼近式A/D轉換器的性價比最高，應用最廣泛，國內使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，根據本系統的特點和要求選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數轉換芯片。它包括一個高阻抗斬波比較器；一個帶有256個電阻分壓器的樹狀開關網絡；一個邏輯控制環節和8 位逐次比較寄存器(SAR)；一個8位三態輸出緩沖器。

該系統中ADC0809與AT89C51單片機的連接如圖2所示，采用等待延時方式。論文大全。ADC0809的時鐘頻率范圍要求在10-1280kHz。ADC0809的CLOCK腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用6MHz。ADC0809輸入時鐘頻率即為CLOCK=1MHz，發生啟動脈沖后需延時100μs才可讀取A/D轉換數據。

圖2 模數轉換電路

3.3 按鍵的識別和輸出顯示

常用的鍵盤有陣列式鍵盤、獨立式鍵盤。本設計中有4個按鍵，不必采用陣列式，而采用獨立式鍵盤鍵接一個上拉電阻與P1口的一個管腳連接。對于按鍵的識別，有動態掃描和中斷兩種方式，在該設計中，按鍵的使用并不是很頻繁，所以采用了中斷的方式進行按鍵的識別．

對于輸出，有動態并行輸出、LCD液晶顯示屏和靜態譯碼輸出三種方式。水箱中的液位要提供給用戶，采用了最簡單的八段數碼管作為顯示部分的硬件電路。該設計中只用到兩個數碼管顯示，不會占用很多硬件資源，所以采用了靜態顯示。這樣在發光二極管導通電流一定的情況下，顯示器的亮度大，而且顯示穩定。在輸出方式上，由于對數碼管響應速度不高，采用了串行移位的方式。這里采用74LS164進行顯示驅動。

3.4電磁閥與繼電器的控制

為使系統安全、穩定，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相連，采用了光電隔離，再通過IRF 530進行驅動。繼電器的驅動采用的是最簡單的方法，即三極管驅動，通過I/O腳電平的翻轉來對電磁閥進行開/關控制。論文大全。電磁閥開關動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溶液含有的雜質、灰塵的顆粒大小、密度不同，產生光電經濾波后輸出即得到渾濁度檢測信號。采用AT89C51單片機與APMS-10G渾濁度傳感器通信,讀出渾濁度值,再將數據通過串行口傳給主機，采用可控三態門74LS125將兩路串行通道隔離,通過可控端分時使用，當P17輸出高電平時,與APMS-10G的通道導通；當P17引腳低電平時,與主機的通信回路導通。從機串口平時與主機保持通信暢通,將串口設為中斷狀態,隨時可以接收主機發來的指令。

眾多的的傳感器當中。諧振式水位傳感器采用了先進的傳感原理,高Q值的諧振電路,具有較強的抗干擾能力、結構靈巧、精密、簡單易于制造。該設計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裝置。

紅外傳感器安裝在水龍頭內,當人手觸發傳感器時,信號傳遞給單片機。對于紅外傳感器，則利用熱釋電紅外傳感器直接接收運動人體的信號，使用574S紅外探頭。此電路只需要接收系統，不需要發射系統，通過技術處理，可以只接受運動的人體信號，比常規紅外光接收器抗干擾性強。論文大全。

4 智能節水系統主程序流程圖

系統主程序流程圖如圖4所示。設計的思路是首先初始化，讓所有芯片都恢復最開始的設置，等所有芯片都準備好了之后，則讀取E2PROM內的數據，接著進行A/D采樣，讀取水位傳感器和渾濁度傳感器采集到的數據，再對數據進行數據處理，若有數據輸入，則轉入相應的子程序并顯示水位的高度；沒有數據輸入則繼續下面的按鍵判斷。有鍵按下時，判斷是哪個按鍵按下，然后再轉入相應的子程序；若無按鍵按下，則轉回A/D采樣子程序，重復上述的程序，如此往復進行下去。

5 結束語

提出了家庭智能節水系統控制器的設計方案、硬件電路和主程序流程圖。

（1）從人性化、性價比方面綜合考慮器件的優略，為該系統的優化提供了基礎。

（2）紅外感應水龍頭、LED顯示和延時可調開關不僅方面使用，便于監控，而且方便自如的調節水流時間，達到了節約用水的目的。

（3）結構簡單，使用方便，經濟節能環保。

參考文獻

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[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. 單片機原理及應用[M],機械工業出版社，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，計數分裝和打包就非常的麻煩。銀行，超市，娛樂場所等硬幣的收付，清點和包裝的自動化程度很低，基本靠手工操作，難度大，效率低。目前市場上已經存在的硬幣處理裝置功能單一，自動化程度低，并且依然需要大量的人工配合才能實現。基于這種現狀，本論文研究并實現了一種硬幣計數定量打包裝置，自動化程度高，可以有效的節省人工成本，提供效率。

1 硬幣計數定量打包裝置系統結構

本設計由伺服電機控制系統，硬幣自動計數裝置，硬幣自動分裝定量打包裝置組成。硬幣計數裝置采用了光纖傳感器和壓力傳感器的雙重控制，確保系統更高的精度。當硬幣計數裝置計數到預設值時，系統通過中央控制系統對伺服電機系統發出指令，驅動伺服電機驅動電路來操控伺服電機。本系統中使用的是無刷直流伺服電機，具有體積小，重量輕，響應快，慣性小，力矩穩定等優點。分裝打包裝置由一系列的機械結構組成，通過伺服電機的帶動進行工作。

2 硬幣計數定量打包裝置的機械設計

本系統的機械結構圖2如圖所示，伺服電機控制系統包括伺服電機（1），壓力傳感器，光纖傳感器，伺服放大器組成。伺服電機裝在四角機架（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相連。伺服電機輸出軸通過聯軸器依次連接硬幣自動分裝定量打包裝置和硬幣自動計數裝置。硬幣自動分裝定量打包裝置包括主動軸（3），軸承座（4）以及軸承，槽輪（12），分度臺（11），收集管（10）拔插以及鎖止環（13），主動軸下端連接聯軸器（2），上端連接軸承座和軸承，軸承座和軸承固定到四角機架上。主動軸中間固定連接拔插及鎖止環，拔插及鎖止環與槽輪配合連接構成槽輪系統。硬幣自動計數裝置包括凸輪（5），拉簧（6），集幣管（8），運幣滑塊（9）。凸輪與主動軸連接，并且通過滾輪和運幣滑塊連接，運幣滑塊與拉簧連接。集幣管底部裝有用于檢測硬幣重量的壓力傳感器，運幣滑塊上面通過支座（7）安裝用于硬幣計數的光纖傳感器。

3 硬幣計數定量打包裝置軟件設計

本設計采用人機交互伺服控制系統，凸輪滑塊間歇式硬幣推送裝置，針孔式光纖傳感計數器，自帶壓力傳感器的集幣器，槽輪聯動式分度臺，自動封口包裝硬幣收集管配合實現。

硬幣完成分類后經過滑道依次滑至集幣管，光纖傳感計數器和集幣管底部的壓力傳感器先后對硬幣進行技術，反饋檢測數據到中央控制器，并且根據數據判斷是否一致，如果不一致則進行重新分揀。在傳感器計數時，人機交互界面會顯示硬幣的數額。當硬幣的數目和質量參數共同確定硬幣的個數達到用戶的設定值，伺服電機驅動主動軸帶動凸輪旋轉，運幣滑塊移動，將定量硬幣送入收集管，運幣滑塊推送命令完成后在拉簧的作用下完成復位，等待下一次循環命令。同時安裝在主動軸上的拔插鎖止環拔動槽輪，驅動聯動式分度臺旋轉五分之一圈，收集管工作就緒，硬幣掉入收集管，包裝袋受硬幣掉入時的沖擊自動完成口袋的封合，完成一次硬幣定量打包動作。

4 系統測試

在系統調試成功之后對系統進行了正確性的測試，對硬幣的計數定量進行了測試。系統分別對100枚，500枚，1000枚硬幣進行了預設值為10的計數定量。結果如表1所示，系統在100個，500個和100個硬幣的測試表現中，表現穩定，沒有任何的錯誤。

5 總結

本論文設計并實現了一種硬幣計數定量打包系統，由伺服電機系統，硬幣自動計數裝置，硬幣自動分裝定量打包裝置組成。本論文闡述了系統框架的設計，機械機構的設計以及軟件系統的設計，并且對系統進行了測試，測試結果反應本系統擁有很高的可靠性，計數快速，定量準確，有效的提升了工作效率。同時本設計采用了大量的自動化設置，降低了人工成本。

參考文獻

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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，原上海理工大學機械工程學院黨總支書記，現上海理工大學監察處處長。

作者單位