通常传感器接口电路
Universal Transducer Interface(UTI)
通用传感器接口电路
特性
*为各种型号的传感器提供接口电路:
容性器件铂电阻热敏电阻
电阻电桥电位差计
*测量多种传感器件
*单电源供电2.9V-5.5V,工作电流低于2.5mA
*分辨率可达14bits，线性可达13bits
*能够连续自动校准偏移量和增益误差
*兼容微处理器输出信号
*三态输出
*典型测量时间是10ms或100ms
*2路或3路或者4路测量方式
*所有传感器元件支持交流激励电压信号
*能够抑制50HZ~60HZ的交流干涉
*掉电模式
*DIL工作温度范围-40℃~85℃
*裸片工作温度范围是-40℃~180℃
应用
自动化领域工业领域和医疗领域
*容性标准感测
*位置感测
*角度感测
*精确温度测量（铂电阻，负温度系数）
*用于压力，力的测量的阻桥传感器
1. 概况描述
通用传感器接口电路(UTI)
通用传感器接口电路对于基于周期调制的低频测量应用是一个完整的模拟前端。传感器元件可以直接与UTI连接而不需要额外的电路，只需要一个与传感器相同型号的元件作为参考。通用传感器接口电路输出一个微控制器可兼容的周期调制信号。通用传感器接口电路可以为以下传感器提供接口：
*容性传感器0 - 2 pF, 0 -12 pF,范围最大为300 pF
*铂电阻Pt100, Pt1000
*热敏电阻1KΩ– 25KΩ
*电阻桥250 Ω - 10 kΩ最大不平衡为+/- 4% or +/- 0.25%
*电位计1kΩ- 50kΩ
*结合以上各条
通用传感器接口电路对于基于智能微控制器的系统来说是理想的应用。所有的数据都以微控制器可兼容的信号输出，这样既减少了连接线的数量也减少了绝缘系统中耦合器的需求量。如果想了解关于绝缘通用传感器接口电路的应用，请参考我们网页支持中心中的相关应用注意事项。此完整系统对于漂移误差和增益误差持续的自校准表现在采用三信号技术。低频干扰被高级截波技术消除。而通过设置四位的二进制模式码则可以选择十六种操作模式。
原理框图
2．引脚说明
UTI可以采用16脚的塑料双列直插封装（DIP），也可以采用18脚的小外形封装（SOIC）。图一给出了这两种封装形式的外形图。引脚的功能在表一中列出。
图一
表一
3.最大绝对额定值
电源电压-0.3V —+7V
电源电流（除去连接传感器的）3mA (电压为5V时) 功率消耗21mW
功率消耗（掉电模式下）7μW
输出电压-0.3v—v DD+0.3V
驱动电流输出8mA
阻抗输出60Ω
输入电压-0.3v—v DD+0.3V
每个引脚的输入电流±20mA
ESD 额定电压 >4000V
存储温度范围-65℃—150℃
工作温度范围-40℃—+85℃
铅温（焊料，10sec）+300℃
4.总说明书
4.0 功能说明
4.1 输出
UTI 输出的是可被微控制器兼容的周期性调制信号并且由激励信号来驱动传感元器件。表三给出了一些UTI的输出规格。由于所有的UTI信息都是以一位数字信号的形式给出，因此只需要四根线就可以形成一个通用绝缘前端。如果需要更多关于UTI绝缘应用的信息，请访问我们的网站查阅相关技术资料。
表3
4.2 模拟信号输入
各种传感器元件可以与UTI的输入端直接相连。传感器与UTI的各种连接方式在第8节有详细介绍。表4列出了UTI的一些输入规格说明.
参数值单位条件/注释
输入电容20 pF
A与B C D E F 之间的电容泄漏30×10-3 pF DIP 封装
衰减程度 50/60Hz 60 dB
4.3控制信号
在4.1节中介绍到UTI有16种工作模式，这些模式由SEL1 SEL2 SEL3和SEL4四个选择引脚组合而成。在表2中，“1”表示连接高电压“0“表示接地。还可以实现一些特殊的功能，比如快/慢模式和掉电模式，分别由SF和PD设置。
SF引脚是用来设置测量速度。当SF=1时，UTI工作在快速模式，在这种模式下输出信号的一个完整周期的时间是10ms。当SF=0时，UTI工作在慢速模式，输出信号的周期时间是100ms
PD引脚在UTI中是用来设置掉电模式。当PD=0，UTI处于掉电模式，输出点被浮置（高阻态）.这样可以将几个UTI的输出接在同一条输出线上，输出的仅仅是被选择的那个信号。（PD=1）
CML引脚总是接地的（除了在CMUX模式下）。在CMUX模式下，CML引脚用来选择测量范围。这些范围分别是0 - 2 pF (CML = 0)和0 - 12 pF (CML = 1)。
不支持浮置输入，除非有规定。
在下一节，将详细介绍UTI的所有工作模式。这些模式的名称和表2是的一样的。在这节中，CML=0和 SF=0除非另有规定。要详细说明的重要参数是：
* 精确度
* 分辨率
* 状态数量
* 各种状态中的指定信号
5.一些传感器测量的理论
5.1关于三信号技术和校正
三信号技术是一种消除线性系统中的未知偏移和增益的影响的技术.为了应用这种技术,除传感器测量值的信号之外,另外两个参考信号必须基于同样的测量标准.假设系统有这样一个线性函数:
我们给系统赋予3个不同的输入值:
这三种标准的信号输出值是:
然后计算得:
当系统呈线性时,且在这个比率中，测量系统中未知偏置M off 和未知增益K的影响将被消除，M的计算值表示在未知传感元件值和已知参照元件值之间的比率。这种技术叫做三变量技术或者三信号技术。偏移量和增益的大小可能会随时间改变,但是他们对最后的结果没有任何作用。因此UTI是基于自校准的测量系统.
执行三信号技术需要一个微处理器,微处理器是用来数字化周期调制信号和对数据进行存储以及进行运算.这样系统结合了感测元件（传感器）与信号处理电路.例如UTI这样,加一个微处理器后又叫做基于微处理器的智能传感系统。有自动校准功能致使UTI系统不受温度的影响.
5.2 传感器的测量
UTI的输出是一个周期性调制信号。图2给出了UTI输出信号的两个完整周期，每个周期由三种状态组成。
图2.UTI的3个状态模式的的输出信号
像我们在上面的三信号技术理论中解释的一样，UTI的内部输入必须被转换到三个或者更多的元件。在第一个状态中，线性系统的内部偏置被测量（通常这时没有外部元件接到相应的引脚）。在第二种状态中，UTI通过转换到相应的连接引脚，测量了参考元件的值。
在接下来的状态中，UTI测量一个或者更多传感器元件的值。在图2中的输出信号适用于只有一个未知传感器被测量的情况。在这些状态间的切换是完全由UTI控制，并没有微控制器的参与。
在第一个状态Toff下，测量线性系统的所有偏置。在第二个状态Tref下，测量参照信号。而在最后一个状态Tx下，测量实际的传感器信号。每个状态的持续时间都与待测信号在那个状态的持续时间有关。这三个状态的持续时间由下表给出：
C X 和V X是测量的传感信号, C REF和V REF是基准信号,c0和v0是不变部分(包括电压偏移量等)，k1和k2是增益.参数N表示一个状态中的内部振荡周期数.在慢速模式,N=1024,在快速
模式N=128,电压V x和V ref，对电阻来讲，分别表示通过传感器电阻和参考电阻电压,在另一种模式下V x和V ref 分别表示桥输出电压和桥供应电压。UTI通过计算相应状态下的微控制器的脉冲周期数将输出信号数字化,结果就是N off ,N ref和N x,. C X/ C REF 和V X / V ref的比值现在就可以通过微控制器计算出来:
因为这个比值既与系统的偏置量无关,也与增益无关.系统从原理上校正偏置量和增益因此称为自动校正.即使在偏置量和增益浮点变化或者缓慢变化情况下,也能保持最大精确度. 三种状态属于时分复用,在图2中可以看出.偏置状态由两个一半周期组成(输出频率是临时的两倍.正因为这样,微控制器能根据公式(1)识别各个状态并且进行正确的计算.因为偏移状态总是最短的,这个情况也可以用来辨别状态.一个完整周期的状态数在3到5之间变化, 状态数的多少由UTI的模式来确定.每个模式都有固定的周期.始终有一个偏置值测量,一个参考值测量和一个或者多个未知值测量.
5.3 分辨率
UTI的输出信号通过微控制器变成数字信号.这种取样带入了量化噪声,同时也限定了结果.任何测量中的量化噪声由相对标准偏差σq，总计:
t
是取样时间,T phase是状态持续时间,例如:取样时间是1 μs,偏置状态持续时间是20ms(慢s
速模式),那么偏置状态的标准差就是1/45,000,导致结果最多表示为15.5bits.在快速模式下这个结果将是12.5 bits.为了进一步改进结果可以取M1 … 到Mp,来计算出M的平均值, σq的值减少了P1/2
除了量化噪声,另外限制结果的还有震荡器本身的热噪声以及寄生电容（信号传输线）c p可能带来的影响,在CMUX模式下, 测量分辨率作为寄生电容c p(见图7)的函数由图4可以看出.
图4 分辨率对寄生电容c p的函数
5.4非线性
UTI的非线性的典型值根据不同的模式在11bit和14bit之间。比如在CMUX模式中，寄生电容（见图7）的非线性函数见图5。
图5 非线性对寄生电容c p
5.5 UTI的容性测量
UTI测量容值的方法比较特殊。一般的测量方法中，连接线的寄生电容是与待测电容并联的。见图（a）（b）
（a）典型测量电容的方法（b）UTI测量电容的方法
在典型测量电容的方法中，线缆电容与被测电容并联同时被测量。要避免这一影响并不容易，同时用较长的线缆去测量小电容也是很困难的。在UTI中用四个电极测量Cx，通过测量待测电容中的电荷转移的方法得以解决。电容激励来自电源电压。这意味着Cp1是并联电源电压，所以它不是测量电路的一部分。通过Cx的电荷被接地的电荷放大器作为虚地吸收，这意味着寄生电容Cp2短路。用这种四极测量技术可以在线缆的寄生电容高达几百pF 时测出小到aF级的电容。
在图5中可以看出精确度与寄生电容Cp之间的关系，从图中我们可以看出当线缆电容是500 pF时,非线性仍为1.0E-3.
当测量多个电容时，每个节点（B, C,D,E,F）都是在一个特定时间激活，在那之后UTI 切换到下一个结点。这些没有活动的结点此时是接地的，变成了寄生电容，但是仍然对测量没有影响。结点选择是由UTI自动控制。在CMUX的模式下面，可以测量的电容数量是不受限制的。所有电容被接上不同的电压源并且一起连接到接收器放大器的输入端（A点）。更多的CMUX应用在CMUX规格书中给出。如果需要更多关于UTI电容测量应用的信息，请访问我们的网站查阅相关技术资料。
注意：
在大多数容性应用中，在第一个状态(偏置状态)下测量输入时都是输入断开的。在那样的情况下只有器件的内部电容是被测量的（包括芯片电容和连接和引线电容）。在第二个状态中，参考电容被测量。这是最直接的方法去应用三变量方法，同时从方程中去除偏移和增益误差。用这个方法，在5电容模式（模式0或模式2）下，可以测量3个未知电容。当在3电容模式（模式1或模式4）下时，可以测量一个未知电容。
然而，在特定的环境下，人们会希望连接一个外部偏移元件（C0）。当这个元件的偏移量是已知与参照元件的值具有同样的精确度时，三信号的方法也仍然可以使用。
6. 电容模式（模式0到4）
6.1 模式0 C25：5个电容0到2pF
在该模式下，可以测量到5个具有一个相同电极的容值为0到2pF的电容。为了更好的理解在实际应用中的意义，请查阅注意事项的第5.5段。图6给出了电容的连接方式。所有被测
电容都应该有一个共同的接收电极,同结点A相连。在传输电极（B到F）中的传输信号应该是具有V DD的振幅的方波。当某个电容没有测量时，与该电容相连的结点即为内部接地。表5给出了在模式C25下一个周期含有的5个测量状态。
图6 电容与UTI的连接
相位被测电容输出周期
1 C BA+C0 T BA=NK1（C BA+C）
2 C CA+C0T CA=NK1（C CA+C）
3 C DA+C0T DA=NK1（C DA+C）
4 C EA+C0T EA=NK1（C EA+C）
5 C FA+C0T FA=NK1（C FA+C）
表5 各相位测量的电容值
参数典型值
K1 10 us/pF
C0 2pF
最大容值C iA2pF
非线性13bit
分辨率（SF=0，C p=30pF）14bit
残留偏移量<15*10-3pF
表6 C25和C23模式的规格说明书
在相位1的时候，测量了输入电容C BA+C0。该相位时，输出频率是双倍的，所以产生了两个短周期。这确保了它与微控制器的同步。在直接应用中，没有电容连接在A和B之间，段落5.5中给出了详细说明。关于模式C25（即模式0）的规格在表6中有给出。
电容值的残留偏移量是在焊接电线，焊点以及IC引脚处产生。如果这个偏移量太大的话，就应该使用CMUX模式了。这种情况下，使用外部复合器可以使偏移量降到20*10-6pF。
6.2 模式1 C23：3个电容0到2pF
在该模式下，可以测量到3个具有一个相同电极的电容值为0到2pF的电容。为了更好的理解在实际应用中的意义，请查阅注意事项的第5.5段。它与C25模式的区别在于一个周期只有三个相位。图6给出了C EA和C FA忽略时电容的连接方式。表7给出了在C25模式下每个周
表7 各相位测量的电容值
6.3 模式2 C12：5个电容0到12pF
在该模式下，可以测量到5个具有一个相同电极的电容值为0到12pF的电容。为了更好的理解在实际应用中的意义，请查阅注意事项的第5.5段。图6给出了电容的连接方式。最大电容值C iA（i为B，C，D或者E）为12pF。相位数为5。表8给出了详细说明。表5给出了在C25模式下每个周期测量出的5次相位的电容。它与模式0的主要区别在于最大测量容值为12pF。
表8 C12模式的规格说明书
电容值的残留偏移量是在焊接电线，结合区以及IC的时候产生的。如果这个偏移量太大的话，就应该使用CMUX模式了。这种情况下，使用外部复合器可以使偏置量降到20*10-6pF。
6.4 模式3 CMUX：X 0-2pF/0-12 pF的电容，外接MUX复合器
在该模式下，在0-2pF或者0-12 pF范围内的任何一个电极的任何一个电容值都可以测得。由于UTI并不进行相位选择，所以使用外接复合器。Smartec专门为此应用研制了一个新型
最大容值C iA2pF12pF
线性（C p<300pF）13bit 13 bit
残留偏移量2*10-5pF 2*10-5pF
分辨率（SF=0，C p<30pF）14 bit 14 bit
表9 CMUX模式的规格说明书
图7给出了一种可以实现测量装置。一个外部复合器，它在微控制器的控制下在结点B处将信号复合到一个（或多个）电容上去。UTI的信号在“output”处输出。
在偏置测量时（没有选择任何一个电容）输出信号的频率定义为6kHz（SF=1）或50Hz（SF=0）。你可以在复合器的说明书中看到关于该UTI模式的更多的信息。
图7在CMUX模式下测量多个电容的可能测量平台
6.5 模式4
在这种模式下，通过普通的电路可以测出3个具有一个共用电极的容值最大为300pF的电容。为了理解这在实际的条件下意味着什么，请阅读5.5节中的注意事项。传感器和外部电阻的的关系请看图8。这些电阻限定了在发射电极C IA上的电压范围。
图8在C300模式下UTI的传感器连接
为了保持非线性值低于10-3，在A节点的总电容限于500pF。由三个不准确电阻R1，R2，R3,或R1，R3为0,设置发射电极的电压等于V EF.直流电压V EF必须满足以下条件：V EF K V=60V*PF ,C MAX是C BA的最大值, C CA和C DA以pF为单位。必须限制电阻的取值，以保证电容和电阻的时间系数小于500ns。 例如：当C VA=300PF,C DA=200PF，C BA=0和V DD=5V，电阻的实际值是R1=25KΩ，R2=1KΩ，R3=0，在发射电极的电压V EF为0.2V，系统包括两个时间衡量 ,其中C tot=C BA+C CA+C DA+C P.两个时间系数都必须小于 500ns，在慢速模式下非线性值和结果值请看表10，在这里C DA=0PF，C P=30PF,V EF为最大值K V/C MAX，测量每个状态的电容请看表11 表10 在C300模式下不同电容的非线性值和结果值表11.在C300模式下每个状态的电容值 7 阻抗模式（模式5-15） 7．1 模式5 Pt：1铂电阻器Pt100/Pt1000，4线 这种模式可测量一个铂电阻器和一个参考电阻器。UTI电阻器的连接如图9描述。由于使用驱动/感测线，Rx 和Rref的测量均采用四线设置，因此可完全消除电阻的影响。驱动电压V EF是频率为内部晶振频率幅度为1/4Vdd的方波。电阻器R BIAS是用于使电流流向主通道。Pt100的测量精度为±40mΩ。这40mΩ可以认为是芯片内部设计引起的系统误差。 测量链的激励为AC电压。电缆电容对测量精度有一定的影响。为了在屏蔽电缆较长的情况下应用，我们研发了特殊的接口。相关的应用可到我们网站支持中心找到，你可以看到如何采用长达200米的电缆而不降低精度。当感测器件与UTI距离远时,SMARTEC推荐这个解决方法给所有的阻抗应用。 一个测量周期包括四个阶段。这些阶段包含二线，三线，四线的信息。 表12 测量铂电阻器时的测量电压 为了计算（1）式中的比率，我们必须对二线，三线，四线测量进行不同的计算。 若当V DD=5V，电压V AB和V CD的幅度小于0.7V时，其非线性度优于13bit的要好。当V DD=3.3V时，这些电压应小于0.4V。这样就限制了通过铂电阻器的电流。 限制因自热而产生的误差同样要求电流限制。例如，在V CD=0.7V，0℃时，一个200K/W 的热电阻（在空气中），一个Pt100的自热效应可引起1K的错误。如果自热错误太大，Rbias 就会增大，限制流过Pt100的电流。当Vcd=0.2V时，因自热而产生的温度错误为80mK。这与A级Pt100的初始误差相比小了2个数量级。在这种情况下，通过Pt100的电流为2mA，需要的R BIAS=2.2KΩ。 Pt100的相对敏感性为。当通过Pt100的电流为2mA时，敏感度相当于 。这种模式下，UTI的分辨率为7μV；相当于在慢模式下分辨率为9mK。表13列举了Pt模式下UTI的一些规格。 Vcd和Vab的峰峰值允许达到2.5V(可获得非常好的分辨率)，但是必须考虑自热效应和非线性的影响。不管怎样，峰峰值振幅在0.7-2.5V范围内，非线性度将下降到8bit。 用模式11也可测量铂电阻器。 7．2 模式6.Ther：1个电热调节器，四线 在这种模式下，可测量一个电热调节器和一个参照电阻。电热调节器的连接和参照电阻如图10所示。 驱动电压V EF是一个振幅为Vdd/12.5的削波电压和Vdd/2的直流电压的叠加。 热敏电阻和参考电阻的比率由（3）给出。表12列出了在不同状态下所测量的信号。电压V AB不是常数，但是与V CD一样的温度信息一样，与传感器特性成正比。 热敏电阻模式的规格说明如表14。对Rx非常大的或非常小的值(10倍或者0.1倍Rref)，电压的分辨率保持不变;但是温度的分辨率下降了。这是由于采用线性化方法的结果。 当热敏电阻的敏感度为4%/K，在Vdd=5V时，分辨率为1mK。 7．3模式7. Pt2：2个或3个铂电阻器 在这种模式下，可测量2个或3个的铂电阻器。电阻器与UTI的连接示意图如图11。电压V EF与Pt模式下的一样。 这里也采用与Pt模式下同样的限制通过电阻的电流的方式。规格请见表13。请注意：Rx2可用一个四线装置测量。阶段5可用来测量一个引线电阻或是Rx3。与Pt模式主要的区别为一个测量周期有5个相位，如表15。 采用如图11（b）所示的连接，引线电阻的影响就不能被消除。尤其用图11（b）所示的连接测量Rx3时，UTI内部连接线会分别对Pt100引起0.9Ω的错误，对Pt1000引起3Ω的错误。这些测量错误由铂电阻的供电电流和温度决定，但是它是稳定的、系统的。 7．4模式8. Ther2：2个或3个热敏电阻 在这种模式下，可测量2个或3个热敏电阻。其连接如图12。其状态同样有5个，如表15。表14所列的规格同样适合这种模式。如图12（a）所示的连接，引线电阻的影响不能被消除。尤其用图12（b）所示的连接测量Rx3时，UTI内部连接线会引起电阻Rx3（Rx3= 2.5KΩ）11.5Ω的错误。这个测量错误由热敏电阻的供电电流和温度决定。 8 阻桥模式（模式9-14） 8.1 模式9. Ub2：阻桥，ref.Vbridge，±4%不均衡。 在这种模式下，当阻桥输出电压Vcd和阻桥输入电压Vab的比率表示物理信号时，可测量阻桥。 这种模式阻桥不均衡的测量范围为±4%。 阻桥与UTI的连接如图13。阻桥的驱动电压V EF是一个振幅为Vdd的方波信号。信号频率为1/4内部晶振频率。由于使用驱动/感测线，电桥的测量均采用四线装置，如图13（a）。信号测量的各个阶段如表16。 在第二阶段，可测量电桥V AB的电压。一个高精度的片上电压分割器把这个电压 分成32份。这个分割器不需要校准。分割以后，V AB可以和V CD进行同样的处理。 为了找出电桥的不均衡，微机控制器的计算如下： 规格如表17 表17. Ub2模式下的规格说明书 8.2 模式10 Ub1：阻桥电阻，阻桥电压V bridge，非均衡率为+/-0.25% 在这种模式下，当阻桥输出电压Vcd和阻桥输入电压V ab的比率表示物理信号时，可测量阻桥。该模式与Ub2模式的主要区别在于它的电桥平衡的测量范围为0.25%（在VDD=5V 时，V CD=12.5mV）。 电桥与UTI的连接方式与Ub2模式下相同。在做一个像电桥两边电压一样的分割之前，小的输出电压会经过一个片上的放大器放大15倍。放大器和分割器都不需要校准。可以使用等式（7）来计算电桥平衡，但32需要换成480。由于使用了驱动/感测线，我们使用四线装置来测量电桥。每一个相位点上的测得的电压已经在表18中给出了。表19则列出了此模式 3 15V CD+V O T CD=NK2（15V CD+V O） 表 18 Ub1模式下各相位对应测得的输出电压 参数典型值 K2 56 us/V V0 0.54V 激励电桥AC V DD E与F的激励电流20mA 桥电阻R b250Ω 电桥输出电压最大值+/-12.5V 精度10bit 偏移量10uV 分辨率（SF=0）700nV 表19. Ub1模式下的规格说明书 8.3 模式11 Ib2：电阻桥，阻桥电流I bridge，非均衡值为+/-4% 在此模式下，当阻桥是由输出电压和通过电流表示时，阻桥可以测量。电流I被转化为一个参考电压。电桥与参照元件之间的连接在图14（a）中给出。R ref的值应该经过计算以保证在V AB在0.1V到0.2V之间。该模式同样可以用于四线装置的铂金电阻测量。在14（b）的图中已经给出了这些。与Pt模式相比较，它的优点在于只需要测量三个状态了。 a） 电阻应变式压力传感器工作原理细解 2011-10-14 15:37元器件交易网 字号： 中心议题： 电阻应变式压力传感器工作原理 微压力传感器接口电路设计 微压力传感器接口系统的软件设计 微压力传感器接口电路测试与结果分析 解决方案： 电桥放大电路设计 AD7715接口电路设计 单片机接口电路设计 本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。 微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面： (1)介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。 (2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。 (3)对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D 转换程序、1602显示程序。 1 电阻应变式压力传感器工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。 式中：Uo 为输出电压，Ui 为输入电压。 当输入电压一定且ΔRi < 实验三 电阻式传感器的仿真与接口电路设计 首先介绍一款应变片传感器YZC-1B称重传感器。它的主要参数见下表。 额定载荷： 3,5,8,10,15,20,25,30, 35,40,45kg 绝缘电阻：≥5000MΩ 工作温度范围：-40 ～+80℃ 灵敏度：2.0±0.002mv/v 安全过载：150%F.S 综合误差：±0.02%F.S 极限过载：200%F.S 蠕变：±0.02%F.S 推荐激励电压：10～12V(DC) 零点平衡：±1%F.S 最大激励电压：15V 零点温度影响：±0.02%F.S/10℃ 密封等级：IP67 输出温度影响：±0.02%F.S/10℃ 材质：铝合金 输入电阻：405±5Ω 电缆：线长：0.3～3m；直径：￠4mm 输出电阻：350±3Ω 输入+：红；输入-：黑； 输出+：绿；输出-：白 这种传感器主要的应用领域是电子计价秤、计重秤等小台面电子秤。它的外观是这样的。这个实验里首先对这样一款传感器进行仿真，然后设计一个接口电路，使其具有测量压力（重量）的功能。 电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的 电阻值相应发生变化。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随着 压力的变化而变化。对于金属导体，导体变化率△R/R的表达式为: △ R/R ≈(1＋2μ)ε 式中μ为材料的泊松系数；ε为应变量。通常把单位应变所引起电阻值相对 变化称作电阻丝的灵敏系数。对于金属导体，其表达式为: K ＝△R/R＝(1＋2μ) 所以△R/R＝K ε。 在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。当测得 阻值变化为ΔR时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为: σ＝Eε 式中：σ为应力；ε为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kg／mm2）。又知，重力G与应力σ的关系为G＝㎎＝σs 。式中：G为重力；S为应 变片截面积。 根据以上各式可得到：ΔR/R＝K mg/ES。由此便得出应变片电阻值变化与物 体质量的关系，即ΔR＝RK 0mg/ ES。根据应变片的材料，取K =2，E=16300kg∕ mm2， s=100mm2，R=350Ω,g=9.8m∕s，ΔR=[（2×9.8×348）∕（16300×100）]m。 最终确定电阻变化与质量的对应关系为： ΔR =4.185×10-3m 下面用multisim10建立一个包含有传感器和放大电路在内的电路原理图，来进行输入输出的仿真。原理图如下。 Universal Transducer Interface(UTI) 通用传感器接口电路 特性 *为各种型号的传感器提供接口电路: 容性器件铂电阻热敏电阻 电阻电桥电位差计 *测量多种传感器件 *单电源供电2.9V-5.5V,工作电流低于2.5mA *分辨率可达14bits，线性可达13bits *能够连续自动校准偏移量和增益误差 *兼容微处理器输出信号 *三态输出 *典型测量时间是10ms或100ms *2路或3路或者4路测量方式 *所有传感器元件支持交流激励电压信号 *能够抑制50HZ~60HZ的交流干涉 *掉电模式 *DIL工作温度范围-40℃~85℃ *裸片工作温度范围是-40℃~180℃ 应用 自动化领域工业领域和医疗领域 *容性标准感测 *位置感测 *角度感测 *精确温度测量（铂电阻，负温度系数） *用于压力，力的测量的阻桥传感器 1. 概况描述 通用传感器接口电路(UTI) 通用传感器接口电路对于基于周期调制的低频测量应用是一个完整的模拟前端。传感器元件可以直接与UTI连接而不需要额外的电路，只需要一个与传感器相同型号的元件作为参考。通用传感器接口电路输出一个微控制器可兼容的周期调制信号。通用传感器接口电路可以为以下传感器提供接口： *容性传感器0 - 2 pF, 0 -12 pF,范围最大为300 pF *铂电阻Pt100, Pt1000 *热敏电阻1KΩ– 25KΩ *电阻桥250 Ω - 10 kΩ最大不平衡为+/- 4% or +/- 0.25% *电位计1kΩ- 50kΩ *结合以上各条 通用传感器接口电路对于基于智能微控制器的系统来说是理想的应用。所有的数据都以微控制器可兼容的信号输出，这样既减少了连接线的数量也减少了绝缘系统中耦合器的需求量。如果想了解关于绝缘通用传感器接口电路的应用，请参考我们网页支持中心中的相关应用注意事项。此完整系统对于漂移误差和增益误差持续的自校准表现在采用三信号技术。低频干扰被高级截波技术消除。而通过设置四位的二进制模式码则可以选择十六种操作模式。 原理框图 2．引脚说明 UTI可以采用16脚的塑料双列直插封装（DIP），也可以采用18脚的小外形封装（SOIC）。图一给出了这两种封装形式的外形图。引脚的功能在表一中列出。 图一 传感器接口电路的抗干扰设计 陈海燕 陈 荡 蚌埠日月仪器研究所 安徽省蚌埠市 233010 陈 宏 蚌埠高等专科学校 安徽省蚌埠市 233000 【摘要】提出了传感器小信号处理时存在影响精度的来自三方面的干扰问题:局部产生;子系统内部的耦合;外部产生,并讨论了设计电路时相应的解决办法。 关键词:低电平测量 干扰 抑制 1 引言 凡是传感器接口电路都存在小信号处理问题。因为传感器的输出一般都是小信号,将其精确地放大到所需要的信号(如0～5V),并能达到所需要的技术指标,就必须注意到电路图上未表示出来的某些问题,即抗干扰问题。在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前,有必要进行讨论。 干扰可粗略地分为3个方面: (1)局部产生(即不需要的热电偶); (2)子系统内部的耦合(即地线的路径问题); (3)外部产生(即电源频率的干扰)。 2 局部产生误差的消除 在低电平测量中,对于在信号路径中所用的(或构成的)材料必须给予严格的注意,在简单的电路中遇到的焊锡、导线以及接线柱等都可能产生实际的热电势。由于它们经常是成对出现,尽量使这些成对的热电偶保持在相同的温度下是很有效的措施,为此一般用热屏蔽、散热器、沿等温线排列或者将大功率电路和小功率电路分开等办法,其目的是使热梯度减到最小,两个不同厂家生产的标准导线(如镍铬一康铜线)的接点可能产生0.2 V/℃的温漂,这相当于高精度低漂移的运放管(OP-27CP)的温漂,而为斩波放大器(7650CPA)温漂的两倍。虽然采用插座开关、接插件、继电器等形式能使更换电器元件或组件方便一些,但缺点是可能产生接触电阻、热电势或两者兼而有之,其代价是增加低电平分辨力的不稳定性,也就是说它比直接连接系统的分辨力要差,精度要低,噪声增加,可靠性降低,因此在低电平放大中尽可能地不使用开关、接插件是减少故障,提高精度的重要措施。 在微伏信号放大电路中焊锡也可能成为低电平的故障,因为在焊锡的焊点上也产生热电势,在微伏电平的输入电路中应采用特殊的低温焊锡,比如kester1544型焊锡,甚至还有这样的例子,必须在一条线路中仔细地切断一处,再用焊锡接起来用于补偿另一条线路中搭接处或焊锡点所产生的热电势。 3 接地问题及其处理办法 在低电平放大电路中合理“接地”是减少“地”噪声干扰的重要措施,必须予以特别注意。 当使用单电源供给多只传感器时,其连接方法应如图1所示那样连接,以尽量减少接地电阻引进的干扰,若供电电源的压降必须减到最小,则电源“高”端导线也可按相似的方法接线。 图1 包括有多个电源和多个传感器的系统则需要考虑得更多一些,通常不管电源是谁供给,将地线汇集到公共点,然后和系统的公共端接在一起,如图2,所有电源1的负载都回到电源1公共端,所有的电源2负载都回到电源2的公共端,最后用一条粗导线将公共端连在一起。在多电源系统中,可能需要进行判断性试验,确定地线接法,以达到最佳的解决方案。 39 第4期 使用与维护 收稿日期:1999-01-10 电感传感器的接口电路设计 摘要：位移测量具有广泛应用，电感式传感器以其结构简单可靠、输出功率大、线性好、抗干扰和稳定性好、价格低廉等特点获得了大量的应用。针对目前电感式位移传感器的应用现状，在对电感式直线位移传感器深入分析的基础上，本文设计了一种电感式位移传感器接口电路。 该电路采用电感传感器把被测位移量转变为微弱电信号，经前置交流放大、相敏整流，直流放大，A/D转换等电路处理后，送入单片机进行综合运算处理后输出，并通过液晶显示结果，可以适应不同量程和分辨率的信号调理要求。文中介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。设计过程中用Protel99 SE对电路原理图进行了绘制，选用了单片机的开发工具Keil C51μvision2对软件设计中的程序进行编写、编译、模拟仿真，电路正常，完成了课题要求的电感传感器对位移测量并显示结果。 关键词：位移测量；电感式传感器；单片机；液晶显示 The Design of the Inductive Sensor Interface Circuit Abstract: the measurement of diaspacement is very important in engineering. Inductive transducers are widely used due to their simple structures,high output capacities,good linearity,good disturbance resistance,good stability and low prices.Based on thoroughly analysis of linear inductive displacement transducers,a inductive displacement transducer interface circuit is designed in this thesis. This metering circuit uses the inductive transceiver to transform that the displacement offset into the weak electrical signal, after the pre- AC amplification, the phase-sensitive rectifier,the DC Larger and the A / D conversion circuit processing, output after processing in the monolithic integrated circuit and display the results through the LCD. It can adapt to different range and resolution of the signal conditioning requirements. In the process of designing, Protel99SE is used to plot schematic diagram, Keil C51μvision2and the development kit of MCU is used to compile, translate and make simulation about the assemble program. The circuit is in gear and it basically can accomplish the task of measure of the displacement offset through the inductive sensor and dispiay the result. Keywords: the measurement of displacement；the inductive sensor；MCU；LCD 传感器接口电路的设计 一，温度传感器 1，关于热敏电阻： 我们选用的是负温度系数热敏电阻，型号为：NTC-MF53AT，额定零功率电阻值即25度时5K，精度：5％，B值:3470。随温度上升电阻呈指数关系减小。 电阻值和温度变化的关系式为： RT = RN expB(1/T – 1/TN) ① RT ：在温度T （K ）时的NTC 热敏电阻阻值。 RN ：在额定温度TN （K ）时的NTC 热敏电阻阻值。 T ：规定温度（K ）。 TN：额定温度（K） B ：NT C 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。（*它是一个 描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标， B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。*）exp：以自然数e 为底的指数（e = 2.71828 …） 我们可看出，式①中其他变量已基本确定（在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加），RT和T直接存在一对一的关系，我们可以将温度的测量转换为电阻阻值的测量。 2，测量电路及分析： Rr为电位器 RT为温敏电阻 上方两电阻均为10K V o=(0.5-RT/(Rr+RT))V f ② 3，实验过程 A，测量室温时RT=8.2K B，连接电路，如图3，输入4V电压，V o连上万用表。 C，调节Rr，使V o=0，此时Rr=RT=8.2K D，用电烙铁靠近温敏电阻，观察V o的值 E，最后拆开电路，再次测量温敏电阻的值为2.3K 4，实验结果 我们发现，当电烙铁靠近温敏电阻时，电压增大，我们可知，温度升高时，电阻减小，电压由0增大。所以，电压随温度的变化而变化。将每个电压带人②式，即可得到RT，再将RT带入①式即可测出大概的温度。 二，光敏二极管 1，关于光敏二极管 光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。和普通二极管相比，它的核心部分也是一个PN结，在结构上不同，为了便于接 PLC与传感器的接线方法 一、概述 PLC的数字量输入接口并不复杂，我们都知道PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。因此，输入端的信号只是驱动光电耦合器的内部LED导通，被光电耦合器的光电管接收，即可使外部输入信号可靠传输。 目前PLC数字量输入端口一般分单端共点与双端输入，各厂商的单端共点（Com）的接口有光电耦合器正极共点与负极共点之分，日系PLC通常采用正极共点，欧系PLC习惯采用负极共点；日系PLC供应欧洲市场也按欧洲习惯采用负极共点；为了能灵活使用又发展了单端共点（S/S）可选型，根据需要单端共点可以接负极也可以接正极。 由于这些区别，用户在选配外部传感器时接法上需要一定的区分与了解才能正确使用传感器与PLC为后期的编程工作和系统稳定奠定基础。 二、输入电路的形式 1、输入类型的分类 PLC的数字量输入端子，按电源分直流与交流，按输入接口分类由单端共点输入与双端输入，单端共点接电源正极为SINK（sink Current 拉电流），单端共点接电源负极为SRCE （source Current 灌电流）。 2、术语的解释 SINK漏型 SOURCE源型 SINK漏型为电流从输入端流出，那么输入端与电源负极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源正极，可接NPN型传感器。 SOURCE源型为电流从输入端流进，那么输入端与电源正极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源负极，可接PNP型传感器。 国内对这两种方式的说法有各种表达： 2.1 根据TI的定义，sink Current 为拉电流，source Current为灌电流 2.2 由按接口的单端共点的极性，共正极与共负极。这样的表述比较容易分清楚。 2.3 SINK为NPN接法，SOURCE为PNP接法（按传感器的输出形式的表述）。 2.4 SINK为负逻辑接法，SOURCE为正逻辑接法（按传感器的输出形式的表述）。 2.5 SINK为传感器的低电平有效，SOURCE为传感器的高电平有效（按传感器的输出状态的表述）。 这种表述的笔者接触的最多，也是最容易引起混淆的说法。 接近开关与光电开关三、四线输出分NPN与PNP输出，对于无检测信号时NPN的接近开关与光电开关输出为高电平（对内部有上拉电阻而言），当有检测信号，内部NPN管导通，开关输出为低电平。 对于无检测信号时PNP的接近开关与光电开关输出为低电平（对内部有下拉电阻而言），当有检测信号，内部PNP管导通，开关输出为高电平。 以上的情况只是针对，传感器是属于常开的状态下。目前可厂商生产的传感器有常开与常闭之分；常闭型NPN输出为低电平，常闭型PNP输出为高电平。因此用户在选型上与供应商配合上经常产生偏差。 一、引言 ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世（BOSCH）公司早期称为汽车动力学控制（VDC），现在博世、梅赛德—奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统（VSC）、汽车稳定性辅助系统（VSA）或者汽车电子稳定控制系统（ESC）；宝马公司称为动力学稳定控制系统（DSC）。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。 图1所示为汽车ESP的构成示意图，其电子部件主要包括电子控制单元（ECU）、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统，其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。本文介绍了ESP常用传感器的特点，设计了传感器硬件接口和软件接口，并在实车测试中得到验证。 二、ESP常用传感器介绍 如图1、图2所示，ESP常用的传感器如下。 1．方向盘转角传感器 ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信息。这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。 2．横摆角速度传感器 横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况，则触发ESP控制。当车绕垂直方向轴线偏转时，传感器内的微音叉的振动平面发生变化，通过输出信号的变化计算横摆角速度。 3．纵向/横向加速度传感器 ESP中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感器，基本原理相同，只是成90°夹角安装。ESP一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小，其输出在静态时为2.5V左右，正的加速度对应正的电压变化，负的加速度对应负的电压变化，每1.0～1.4V对应1g的加速度变化，具体参数因传感器不同而有所不同。 4．轮速传感器 08新增内容 压力传感器的接口电路 利用应变式力传感器制作的智能压力测试系统结构如图1所示。该系统可测试和显示压力数值，精度达到6位有效数字。 图1 智能压力测试系统结构框图 1． 力传感器与单片机接口的硬件设计 智能压力测试系统由5个模块构成，它们是测量电路、差动输入模块、调理放大模块、A/D 转换模块、单片机和显示模块。 （1） 力的测量电路 如图2所示为应变片电桥测量原理电路图，由应变电阻R 1和另外3个电阻R 2、R 3、R 4构成桥路。当电桥平衡时（积电阻应变片未受力作用时），R 1=R 2=R 3=R 4=R ，此时电桥的输出V 0=0；当应变片受力后，R 1发生变化，使1324R R R R ?≠?,电桥输出00V ≠，并有 00144K R V V V R ε≈± ≈± （2） 差动输入模块和调理放大模块 在许多需要A/D 转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D 转换器对输入信号电平的要求。这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。在这里选择如图3所示的电路，差动输入模块由LM324中的两个运算放大器A （V 1）和B （V 1）构成，该电路具有共模抑制比高和调节方便的特点，从差动放大器输出的信号送调理滤波电路进一步放大和整理，可以将微弱的压力信号放大到满足A/D 转换的要求。若用500g （生产厂家型号如此标注）量程的压力传感器，在空载时，可设定调理放大电路输出模拟量为0.0V ，若压力为500g ，输出模拟量为4.0V ，则平均每2.5g 对应1LSB 变化量，对应电压变化值为0.02mV . 图3 差动输入模块和调理放大模块电路 （3） A/D 转换模块 A/D 转换模块是将前级放大电路输出的模拟信号转换为数字信号，以便单片机处理。A/D 转换电路由ADC0809承担。 （4） 单片机和显示模块 单片机采用MCS-51系列的80C51，显示电路采用串行驱动，用74LS164直接驱动LED 数码管。 1-wire温度传感器LTM8877接口 1-wire的原理及工作过程： 1-wire总线仅用一根数据线与外围设备进行信息的交互，工作电源完全从总线上获取，不需要单独的电源支持，允许直接插入热/有源设备；宽广的工作范围（2.8V~5.25V，-40~+85）；每个器件都有通过工厂光刻的64位ROM ID，是唯一的识别，它存储在只读的ROM中。通过唯一的64位器件序列号和网络操作协议，1-wire存储器允许挂接在同一条1-wire总线上，并可独立工作，主控制器通过每个器件的唯一的ROM ID来识别与之通信的从设备。 ROM ID由8位校验码，48位序列号和8位家族码组成，家族码标示了此1-wire设备的类型，序列号标示此设备的ID，校验码用于保证通信的可靠性。 1-wire设备在工作时不能主动发送数据，只有在主控器对其进行命令指示时才会响应。通常的1-wire设备都有两套命令，一套命令操作设备内部的ROM，包括读，匹配，搜索等命令，但不包括写命令。ROM中的内容由厂家写入，用户不得更改，通信时，总线控制器先发出一个“复位”信号以使总线同步，然后选择受控制器件进行随后的通信。既可以通过选择一个特定的受控器件（利用该设备的ROM ID进行选择）或者通过半搜索法找到总线上的下一个受控件来实现，也可以选择所有的受控器件，一旦一个特定的器件被选中，那么在总线控制器发出下一次“复位”信号之前，所有的其他器件都被挂起而忽略随后的通信。如果1-wire从设备与主控制器尚未建立连接，则不能进行数据的传输；一旦成功建立，1-wire从设备将数据线置为低电平，以此通知主控制器已经建立了连接，等待接收命令，这个脉冲称为在线脉冲。主控制器也可以通过发送“复位”信号使数据线变为低电平。当从设备接收到“复位”信号时，通过检测数据线的电平状态，可在数据线变为高电平后立即发出一个在线脉冲。主设备和从设备之间的通信是半双工的双向通信。 小结一下，所有的1-wire通信器件所使用的不同的API有着共同的特性，这反映出源于协议的信息交换的原理，下面通过不同API功能进行分类：大多数的1-wire器件具有存储器，尽管存储器的输入输出功能并不适用于所有器件，但我们还是把它们分为一个通用的API集。 （1）会话功能 分时使用总线。当多项操作在同一器件上运行而不能被打断时，需要 佛山职业技术学院实训报告 课程名称传感器及应用 报告内容霍尔传感器制作与调试专业电气自动化技术 班级08152 姓名陈红杰 学号31 二0一0年六月 佛山职业技术学院 《传感器及应用》 霍尔传感器制作实训报告 班级08152 学号31 姓名陈红杰时间2009-2010第二学期项目名称霍尔传感器电路制作与 指导老师张教雄谢应然调试 一、实验目的与要求： 1.对霍尔传感器的实物（电路部分）进行一个基本的了解。 2.了解双层PCB板以及一定（霍尔传感器）的焊接排版的技术和工艺。 二、实验仪器、设备与材料： 1.认识霍尔传感器（电路部分）的元件（附图如下）： 2.焊接电路PCB板（双层）和对电路设计的排版工艺的了解。 3.对霍尔传感器的电路原理图进行基本的分析（附图如下）： 霍尔传感器原理图： 霍尔开关电路（霍尔数字电路），由三端7812稳压器，霍尔片差分放大器THS119，三端可调分流稳压器TL431及双路JFET的输 入运放TL082和输出级组成。在外磁场的作 用下,当感应强度超过导通阀值时，霍尔电路 输出管导通，输出低电平 TL082是一通用的J-FET双运用算放大 器，其特点有，较低输入偏置电压和偏移电 流，输出没有短路保护，输入级具有较高的 输入阻抗，内建频率被子偿电路，较高的压 摆率。最大工作电压为18V。TL082是霍尔传 感器的核心处理部位。（CON2接口对应霍尔 元件THS119） 霍尔元件THS119封装图 印刷板： 3211 2 2 12 121 2121 21 21212 1 21 2 1 4321 1234 8 7653213 211 2321 121 2 1212 直流电源输入24V ，由IN4148、三端稳压管7812和TL431（串接一个电阻）构成的稳压支路，得到不同的电压。霍尔元件THS119是采样核心元件，值得一提的是Z2这个稳压元件。在实际运用当中精密稳压集成电路TL431并不一定要用实物，可以用一个NPN 型三极管来串接一个电阻来等效代替。 整个电路的设计运用了闭环温度反馈来实现自我保护。主要的设计是RT1热敏电阻，对电路在工作时的表面温度进行控制。这样的设计能很好的起到一个自我保护。 因为我们知道，霍尔传感器的PCB 板是封装在塑料外壳里，由于电路的工作环境的问题，导致电路几乎没有更好的散热（外壳有些导热）。至此，用到RT1热敏电阻来进行温度控制保护显得非常合理。 三、实验操作（焊接）： 1.霍尔传感器PCB 双层印制电路板的焊接。 2.了解电路的元件的安排和电路设计线路的排版。 四、实验制作 嵌入式系统中CMOS图像传感器接口技术 摘要：提出了CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器在嵌入式系统中的接口技术，通过设计软件驱动使嵌入式处理器能够控制CMOS图像传感器图像数据自动采集。并对CMOS 图像传感器采集的数据进行插值和自动白平衡处理。此接口模块已经成功地应用于二维条码识读器的图像采集模块中，取得了良好的效果。 关键词：CMOS图像传感器；嵌入式Linux；总线；嵌入式系统 背 景 目前数字摄像技术，主要采用两种方式：一种是使用CCD(电容耦合器件)图像传感器，另一种是使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。 CCD图像传感器具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点。但CCD技术难以与主流的CMOS技术集成于同一芯片之中。因而CCD图像传感器具有体积大、功耗高等缺点。 CMOS图像传感器是近些年发展较快的新型图像传感器，由于采用了CMOS技术，可以将像素阵列与外围支持电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器)集成在同一块芯片上。因此与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点。对于手持式设备来说，体积和功耗是进行软硬件设计时重点考虑的问题，因此CMOS图像传感器应用在手持式设备当中将会有广阔的前景。 文中将就嵌入式系统中设计CMOS图像传感器的图像采集设备硬件接口技术和软件驱动进行研究。 系统硬件设计 嵌入式系统硬件平台选择 摩托罗拉MC9328MX1处理器基于ARM920T嵌入式处理器内核，能工作于高达200MHz 的主频。它集成了许多模块，支持接口模块、GPIO(General Purpose I/O)接口模块、时钟产生模块(CGM，Clock Generation Module)等，为各种外设提供了灵活的接口控制功能。摩托罗拉MC9328MX1处理器内置的CSI(CMOSSensor Interface)模块提供了时序控制模块，可以适应不同CMOS图像传感器的要求。 COMS图像传感器的选择 ICM105C是IC Media公司生产的一种单芯片数字彩色图像器件，使用1/4英寸的光学系统。它内置了一个640×480(650×490物理像素)传感器阵列、数模转换器和相关双采样电路。它的控制部分使用I2C总线，只需要一个I2C总线的从设备地址就可以对其内部的控制和状态寄存器进行设置和读取。ICM105C输出的是贝叶尔格式的图像数据，其中的RGB颜色分量可以被数字增益所调整，可以反馈给嵌入式处理器进行色彩处理或压缩。 传感器的测量及转换电路 传感器测量及处理方式如下： 1．将设定好的数值放入单片机 2．电容位移传感器收集信号。 3．收集的信号通过放大器放大后达到0—5v。 4．从ADC0809的IN0—IN7的任意一条通道输入，转换成数字信号。 5．经A/D转换器输入单片机，进行分析与处理。 6．与设定好的数值进行比较，并输出差值。 7．经D/A转换器转换后输出信号。 8．输出信号经放大器放大后输入电动机。 9．电动机作用被测对象并调整其位移。 所选用的A/D转换器： ADC0809是一种CMOS单片型逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能 IN0～IN7：8路模拟量输入端。 2-1～2-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入 线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平 有效。 START：A/D转换启动信号，输入，高 电平有效。 EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间 一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平 有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高 电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 VCC：电源，单一＋5V。 GND：地。 单片机与ADC0809以及显示器接口电路图 电路说明： 主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51 及显示用数码管组成。 AD0809 的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START 启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us 后才变为无效的低电平。这要求查询程序待EOC 无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。我们在设计程序时可以利用EOC信号来通知单片机（查询法或中断法）读入已转换的数据，也可以在启动AD0809 后经适当的延时再读入已转换的数据。A T89S51 的输出频为晶振频的1/6 （2MHZ），AT89S1 与SUN7474 连接经与7474 的ST脚提供AD0809的工作时钟。AD0809的工作频范围为10KHZ-1280KHZ,当频率范围为500KHZ 时，其转换速度为128us。 AD0809 的数据输出公式为：Dout=Vin*255/5=Vin*51,其中Vin 为输入模拟电压，Vout 为输出数据。 当输入电压为5V 时，读得的数据为255 再乘以2，得510。我们用510*98%得499,再将百位数码管的小数点点亮，显示为4.99 v，显示值与输入值基本吻。 当单片机执行OUT指令时，只要端口地址范围在300H—307H之内，或非门2输出高电平脉冲，加在START和ALE脚上，就会启动A/D转换，同时将A .B.C进行编码，以选择指定通道进行转换。 基于51 单片机控制的以太网通讯实现 RTL8019AS以太网控制器 主要性能 （1）符号Ethernet II与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）标准； （2）全双工，收发可同时达到10Mbps的速率； （3）内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； （4）支持8/16位数据总线，8个中断申请线以及16个I/O 基地址选择； （5）支持UTP、AUI、BNC自动检测，还支持对10BaseT 拓扑结构的自动极性修正； （6）允许4个诊断LED引脚可编程输出； （7）100脚的PQFP封装，缩小了PCB尺寸。 接口电路设计 下面介绍51系列单片机与RTL8019AS的接口电路，实现的网络接口采用UTP（无屏蔽双绞线）RJ-45接口。 下图给出了89C52单片机控制RTL8019AS实现以太网通讯的接口电路框图。用到的主要芯片有80C52、RTL8019AS、93C46（64×16bit的EEPROM）、74HC573（8位锁存）、62256（32K 字节的RAM）。 传感器接口 一简介 接口是对象之间交互作用的通道，协议是双方通信方式的约定，也属于接口定义的范畴。从功能层次上看，在传感器网络中主要存在两大类接口，这两类接口分别承担着不同的任务。 一类接口是将物理层次的传感器执行器连接到网络层，定义为传感器接口标准，主要代表是IEEE 1451协议族。 另一类接口是工作在网络层次上，甚至在全网范围内（如在Internet 上）处理传感器信息，为特定的应用所服务，定义为传感器WEB网络框架协议，主要代表如OGC SWE。 二：目前面临的问题 接口种类繁多，给传感器网络化规模应用带来不便。 三：已有的一些标准 1：IEEE制定的1451协议簇 国际电子电气工程师协会（IEEE）面对目前传感器市场上总线接口互不兼容，互操作性差难以统一的难题，专门建立专家组制定IEEE1451协议族，以此来解决传感器接口的标准化问题。IEEE1451协议族共分六个协议标准，这个标准提供了将变送器（传感器和执行器）连接到一个数字系统,尤其是到网络的方式，简化了现场变送器到微处理器以及网络的连接,提供一个适合各种网络的工业标准接口,有效的实现现场各种不同的智能变送器的网络互连、即插即用，最终实现各个传感器或执行器厂家的产品相互兼容，降低了构建网络化测控系统的总成本。 传感网底层接口标准要能够实现以下功能： 1.即插即用（Plug and play capability） 2.可寻址（Addressable ） 3.同步（Synchronization） 4.通讯接口（Communication interface) 5.传感器接口通道（Communications Channels） 6.控制接口通道（Status identification） IEEE1451协议族具体定义如下： 1451.0——通用功能、通信协议和变送器电子数据表(Transducer Electronic DataSheets , TEDS)格式。 1451.1——网络应用处理器（NCAP）信息模型。 1451.2——变送器-微处理器通信协议和TEDS格式。 1451.3——分布式多点系统数字通信和TEDS格式。 1451.4——混合模式通信协议和TEDS格式。定义采用反转极性的混合模式通信在相同的两条线路上以数字方式传送TEDS数据，发送模拟变送器信号。 1451.5——无线传感器通信与TEDS格式。 1451.6——用于本质安全和非本质安全应用的高速、基于CANopen协议 3.4 传感器电路设计 清洁机器人上安装有多种传感器：各种红外传感器、碰撞传感器和霍尔速度传感器。这些传感器协调工作，保证了机器人对外界环境和自身运动状态的判断。 3.4.1 传感器布局 传感器网络共有4 个周边红外传感器、3 个底盘红外传感器、2 个调频 红外传感器、2 个碰撞传感器、2 个霍尔转速传感器以及1个电机过流传感器、1 个充电电源检测传感器、1 个电池充满传感器和一个AD。其布局如 图3-7 所示。 图3-7 传感器布局 3.4.2红外线避障传感器电路设计 避障传感器的基本原理是利用物体的反射性质。因为在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。而如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到传感器的接收头。传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物，并传送给单片机，单片机通过输入内部的算法，协调小车两轮工作，从而完成躲避障碍物的动作。 通过比较，本系统中选用E18--D80NK-N红外避障传感器。E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。 E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。E18--D80NK-N的工作电压为5V，工作电流为10--15mA，驱动电流为100mA,探测距离为3--80cm。E18--D80NK-N也是一个数字传感，其为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平；检测到目标是高电平输出，正常状态是低电平输出。此时可以通过旋转传感器后面的按钮，改变传感器可以测量的距离，比如可以通过调节旋钮，使它测5cm距离以内是否有障碍物，如果5cm以内有物体则返回一个高电平，同时传感器里面的绿色小灯被点亮。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，所以该传感器可以胜任。本系统共用4个E18--D80NK-N红外避障传感器，通过调节旋钮，使它们可以测得设定距离以内的障碍物，这样当机器人处在障碍物设定距离内的地方时，传感器返回低电平，被单片机检测到并作相应的处理。 我们利用上述传感器设计如下图所示电路，其中D1发射红外线，D2接受红外线信号。LM231(此芯片待定)的第5、7引脚为频率的设定端，一般通过调整其外接可变电阻来改变频率。红外载波信号来自其第7脚，也就是说载波信号与频率一致时，能够极大的提高抗干扰特性。当接收到的红外载波信号和频率一致时，说明不是干扰，则第6脚输出低电平。 红外信号经反射后，由探头的光敏三极管接收反射光，经过RC滤波电路及LM741组成的并联负反馈放大电路对信号进行放大，输出频率的方波送到LM231中进行解调，然后经其内部的比较器转换为数字信号经由6号脚输出。 第四章 机电一体化中传感器与微机的接口技术 1.传感器所感知、检测、转换和传递的信息为不同的电信号。 2.传感器输出的电信号可为电压输出、电流输出和频率输出，其中以电压输出为最多。 3.随着半导体技术的不断改进和完善，运算放大器的精度越来越高，品种也越来越多，其中有测量放大器、可编程放大器、隔离放大器等。 4.测量放大器的组成：两个同相放大器和一个差动放大器。其工作原理图如下： 测量放大器的放大倍数由下式确定 5.隔离放大器按原理分有两种类型：一种是按变压器耦合方式，另一种是利用线性光耦合器再加相应的补偿方式。 6.隔离放大器的特点：（1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏，（2）泄漏电流低，（3）共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。 7.隔离放大器由四部分组成：（1）输入部分包括输入放大器、调制器，（2）输出部分包括解调器、输出运算放大器，（3）信号耦合变压器，（4）隔离电源。 8.隔离放大器输入部分的作用是将传感器的信号滤波和放大，并调制成交流信号，通过隔离变压器耦合到输出部分。而在输出部分完成的作用，是把交流信号解调成直流信号，再经滤波和放大，最后输出0~±10V 的直流电压。 9.目前，信号传输时，世界各国均采用直流信号作为统一信号，并将直流电压0~5V 和直流电流0~10mA 或4~20mA 作为统一的标准信号。 10.常用的信号变换方法有：V/I 、I / V 、F/V 、V / F 。 11.当传感器将非电物理量转换成电量，并经放大、滤波等一系列处理后，需经模数转换成数字量，才能送入计算机系统。 12.当输入信号频率提高时，由于A/D 转换器存在孔径时间，会造成较大的转换误差。压力传感器工作原理
三、电阻式传感器接口电路的设计
通常传感器接口电路
传感器接口电路的抗干扰设计
电感传感器的接口电路设计
传感器接口电路的设计
plc与传感器接线方法
汽车ESP传感器介绍及其接口技术分析
压力传感器接口电路
传感器接口
霍尔传感器工作原理 霍尔传感器电路图
嵌入式系统中CMOS 图像传感器接口技术
(完整版)传感器的测量及转换电路
传感器接口及接口标准
红外线避障传感器电路设计
第4章 机电一体化中传感器与微机的接口技术