多功能傳感器信號采集與控制技術(shù)研究.pdf

1、氣象測量在很多領(lǐng)域有很重要的應用,如天氣預報、環(huán)境檢測和控制、運動休閑、戶外活動等方面。國內(nèi)外的很多科學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,輸出信號極其微弱,所有這些弱點都必須通過外部電路來彌補。本文針對傳感器的工作原理,詳細分析并設計了傳感器控制電路和微弱信號檢測電路,最終實現(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單片機的二維風速風向測試系統(tǒng),傳感器是本實驗室設計的鉑電阻風速計。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,通過測量加熱條上的電壓反應風速的大小,通過測量風向?qū)ΨQ點處由于風速的影響而產(chǎn)生的片上溫差而得到風速信息。該系統(tǒng)基于請求式測量,具有面積小(2cm×2cm),功耗低,通用性強(采用5V電壓,10位二進制輸出),兩線制數(shù)字接口全標定輸出(可直接送LCD顯示或

3、掛接到I2C總線上使用),自動休眠功能的特點。整個流速范圍可以達到20m/s以上,偏差不大于0.5m/s,風向測試為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。從測試結(jié)果看,該傳感器的性能基本滿足設計指標,進一步證明了控制和信號檢測方案的可行性。同時,本文提出了一種自動調(diào)零的方法,為進一步實現(xiàn)智能化、商業(yè)化提供了一種實踐依據(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

4、速風向傳感器的一個測溫電阻。濕度傳感器有兩類：一類采用電容型設計,相對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),因此必須借助測量電路檢測出這一微小電容及增量,通過檢測電路測量電容值可以計算出環(huán)境濕度。在其中的一個方案中,我們通過555振蕩電路把電容轉(zhuǎn)化為頻率,利用C8051F單片機的可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)實現(xiàn)邊沿觸發(fā)的捕捉,從而測量這個頻率。在另一個方案中,我們借助CAV424芯片把

5、電容轉(zhuǎn)化為電壓,把電壓信號輸入到C8051F片內(nèi)自帶的AD進行處理；另一類濕度傳感器采用壓阻型設計,壓阻型濕度傳感器上集成了四個壓阻,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,使檢測工作變得簡單。兩種溫濕度微系統(tǒng)軟硬件已經(jīng)實現(xiàn)功能,可以像風速風向傳感器系統(tǒng)一樣兩線制輸出,溫度測試范圍為-40℃～90℃,分辨率為0.1度；濕度測試范圍為10％RH～90％RH,分辨率為2％RH。但是因為濕度傳感器仍然存在一致性差、溫漂較大、回滯