如何用单片机实现对传感器信号的非线性补偿
传感器数据补偿算法的设计与实现
华中科技大学硕士学位论文传感器数据补偿算法的设计与实现姓名：罗潇申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：胡迎松2011-01-17华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要电化学传感器的准确性对气体检测系统的性能起着决定性作用，由于受到环境的各种影响，传感器的输出没有能够真正反映被测量，测量数据与实际值总会有一定的误差，如何对其进行线性化和非线性误差补偿的研究己成为国内外研究的一项重要课题。
分析和比较了当前常用的几种数据补偿方法的优势和不足，给出了一种基于改进偏最小二乘法的数据补偿算法。
该算法通过拟合修正系数（实际值/测量值）与当前环境的关系式，并引入环境参数的高阶项作为新的变量，利用相关性分析排除跟修正系数线性无关的部分项，最后对模型进行求解，得到修正系数关于环境参数的多项式，从而实现对传感器的补偿。
在现实测量中，先根据当前环境参数值求出修正系数，即可由测量值得到实际值。
新方法可以通过不断添加环境参数的高阶项使误差不断减小，并最终达到合理范围，可适用于各种不同精度的要求，改善了传统的偏最小二乘法用于数据补偿时模型简单的缺陷。
在总体安全检测与评估系统的数据采集与预处理模块中使用了该补偿算法对CO电化学传感器进行数据补偿。
选取了温度和湿度作为传感器数据补偿时的参数，最终拟合出修正系数关于温度和湿度的回归关系式。
测试结果表明，使用基于改进偏最小二乘法的数据补偿方法，相比于传统的偏最小二乘法，精确度有了较大的提高。
关键词:偏最小二乘法，数据补偿，修正系数，回归关系式华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe accuracy of the sensor plays a very important part in decteing system, but errors between actual value and measured value always exist because of the influence of surroundings. It has been a hot issue how to put lineal or non-lineal error compensation into effect.Various methods of error compensation are compared in advantage and disadvantage, and an improved new one based on improved Partial Least Squres (PLS) is put forward in this paper. The new method fit a realational expression between correction factor (the ratio between actual value and measured value) and the surroundings, it introduces high order of envirmental parameter as new variables, some of which are excluded by correlation analysis. After resolving the model, the polynomial about envirmental parameter is getted, and compensation to the sensor is achieved. In actual measurement, correction factor could be calculated according to current envirmental parameter, then actual value is obtained. Error coule be reduced to a reasonable data through adding high order polynomial of evirmental parameter. The new method could be applied to different error, it improves the disadvantage of the traditional which has a simple model.The new compensation method is used in the module of data collection and pretreatment in overall security evaluation system.Temperature and humidity are chosen as the parameter in compensation, and the last regession relation about the correction factor is composed by high order polynomial of temperature and humidity. The test result shows that the compensation method based on improved PLS has a big progress in accuracy, compared with the one based traditional PLS.Key words: Partial Least Squres (PLS), Data compensation, Correction factor, Regressive polynomial独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
光电传感器电路设计中的非线性补偿方法
光电传感器电路设计中的非线性补偿方法引言：随着科技的发展，光电传感器在各种应用领域都得到了广泛的应用。
在光电传感器的电路设计中，非线性补偿是非常重要的一环。
由于光电传感器在不同工作条件下，输出信号的电压-光强度特性曲线可能会发生非线性畸变，而这可能会对传感器的性能和测量结果产生重大影响。
因此，采取适当的非线性补偿方法来修正这些非线性特性是至关重要的。
一、什么是光电传感器的非线性补偿当光电传感器在工作过程中，输出信号的电压-光强度特性曲线并非总是呈线性关系，而是会受到多种因素的影响而产生非线性的畸变。
这些因素可能包括电源波动、温度变化、器件参数变化以及电路中其他干扰源的存在。
非线性补偿的目的是通过采取一系列的补偿方法，使得输出信号的非线性变换能够得到有效的控制和修正。
二、非线性补偿方法的分类1. 数学模型法数学模型法是一种基于数学原理的非线性补偿方法。
通过对光电传感器输出信号的特性进行建模，可以根据建立的数学模型对非线性特性进行精确补偿。
常见的数学模型包括多项式模型、指数模型和对数模型等，其中多项式模型是最常用的一种。
采用数学模型法的优点是其理论基础较为牢固，准确性较高，能够适应不同的传感器和非线性特性。
然而，数学模型法需要进行比较复杂的计算和模型参数的优化，对硬件资源和计算能力有一定要求。
2. 数据修正法数据修正法是基于实验数据的非线性补偿方法。
通过预先获取光电传感器在不同光强度条件下的输出信号数据，可以对实验数据进行合理的加工和修正，从而得到补偿后的数据。
常见的数据修正方法包括插值法、拟合法和曲线拟合法等。
数据修正法的优点是简单易行，不需要太多的理论分析和计算，适用于一些对准确性要求相对较低的应用场景。
然而，数据修正法可能受到实验数据收集误差的影响，需要进行较多的实验和数据处理，提供的补偿结果可能存在一定的误差。
3. 模拟电路设计法模拟电路设计法是通过电路设计来实现非线性补偿的方法。
典型的非线性补偿电路包括自校正电路和非线性反馈电路。
传感器非线性误差的修正
传感器非线性误差的修正摘 要：传感器在采集数据时存在一定的非线性误差。
要使系统的性能达到最佳，必须对传感器的非线性误差进行分析和处理。
本文讨论了传感器非线性误差的几种处理方法，并对各种方法作了比较。
关键词：非线性误差，硬件电路校正，查表法，插值法，最小二乘法，频域修正法一、 引言在工业过程控制中，由于传感器的非线性输出特性和同种传感器的输出存在一定的分散性，测量结果会产生一定的误差。
为此，我们需要对传感器的特性进行校正和补偿，以提高测量的精度，并且使传感器输出线性化和标准化。
对非线性误差的矫正和补偿可以采用硬件电路或者软件的方法来实现。
二、 采用电路进行非线性误差的矫正采用硬件电路对非线性误差进行矫正，优点是速度快；缺点是价格高，拟合程度不好。
通常我们采用以下几种电路进行校正：1、 算术平均法算术平均法的基本原理是通过测量上下限的平均值，找到一条是原传感器输出非线性特性得以改善的拟合曲线。
对电阻传感器基本电路如作图所示。
设温度变化范围为a~c ，平均温度：b=(a+c)/2，传感器对应的输出阻值分别为R a ，R b ，R c ，由于传感器的非线性，R b ≠(R a +R c )/2。
为了使三个点的电路输出为线性，则应满足并联电阻R pb =(R pa +R pc )/2。
其中R pa ，R pb ，R pc 分别为温度在a,b,c 时的并联电阻。
通过计算可得： b R R 2R R R 2R -)R (R R c a ca c ab -++=2、 桥路补偿法该方法的基本原理是利用测量桥路的非线性来校正传感器的非线性。
电路如右图所示。
取R 1=R 2，桥路输出)//21(33tB R R R R V +-=ε 设于三个不同的温度点a,b,c 相适应的R t 与V 分别为R a 、V a 、R b 、V b 、R c 、V c ，代如上式得到方程组：)//21(33ab a R R R R V +-=ε )//21(33bb b R R R R V +-=ε )//21(33cb c R R R R V +-=ε解此方程组可得到满足要求的R3、R B 、ε。
stm32压力传感器补偿算法
一、概述STM32压力传感器在工业控制、汽车电子和医疗设备等领域有着广泛的应用。
但是由于环境温度、供电电压等因素的变化，传感器的输出信号常常会受到影响，导致测量结果不准确。
对于压力传感器的数据进行补偿处理，是保证其性能稳定和输出准确的关键之一。
二、压力传感器的工作原理1. 压力传感器是一种能够将压力信号转换成电信号输出的传感器，其工作原理主要基于应变规。
当被测压力作用在传感器敏感元件上时，敏感元件产生应变，从而改变元件的电阻值，最终转换成电压信号输出。
2. 传感器的输出信号受到环境温度、供电电压等因素的影响，可能导致输出值的漂移和误差，因此需要通过算法进行补偿处理，提高传感器的准确度和稳定性。
三、压力传感器的补偿算法1. 温度补偿为了消除温度对传感器输出信号的影响，需要进行温度补偿处理。
具体的算法如下：- 采集环境温度数据，并与预先设定的标定温度数据进行比较；- 根据温度变化的规律，建立对应的补偿模型；- 将温度补偿模型应用到传感器的输出信号中，实现温度补偿处理。
2. 零点漂移补偿传感器输出信号在长时间使用后，可能会出现零点漂移，导致测量误差。
需要对传感器的零点偏移进行补偿处理。
具体的算法如下：- 通过特定的校准过程，获取传感器的零点偏移数据；- 记录零点偏移数据，并建立对应的补偿模型；- 将零点漂移补偿模型应用到传感器的输出信号中，实现零点漂移补偿处理。
四、应用案例以工业控制领域为例，我们可以将STM32压力传感器补偿算法应用到液压系统的控制中。
通过温度补偿和零点漂移补偿处理，可以提高液压系统的稳定性和准确度，从而保证工业设备的正常运行。
五、总结在STM32压力传感器的应用中，补偿算法是保证其性能稳定和输出准确的关键之一。
通过对环境温度、供电电压等因素的补偿处理，可以提高传感器的准确度和稳定性，从而满足不同领域的需求。
希望本文对读者在压力传感器的补偿算法方面有所帮助。
六、压力传感器的数据滤波处理传感器的输出信号受噪声干扰，可能会引起输出信号的波动或者干扰，因此需要对传感器的输出信号进行滤波处理。
基于单片机的无功补偿装置
基于单片机的无功补偿装置摘 要：众所周知的，在现在的电力网中，因为现在的低压电网里面的大多数电力设施都是感性的负载，由于它的特性，所以普遍存在着功率因素较低，在电网中消耗的线路损耗较大，造成电力能量比较差，所以，在实际中，无功补偿很完美的运用在各行各业。
但一些老的的做补偿装置的准确度低，容易对电网产生震荡等等缺点，所以比较难在实际中实现。
在电力系统本身来说,如果需要保证电力系统运行的稳定性和它的经济性，那么保证无功补偿的稳定就是一定的，在正常的来说，当运行正常的时候，如果它的无功功率不能被其他的装置维持的话，那么电网中就需要提供大量的无功功率，这就会引起电压的降低或者线损的增加，所以，不管是需要维持电力系统的稳定还是我们想要的低成本，在电网中，我们都要加装一些装置，用来补偿无功功率。
针对这种情况，本课题设计了一种全自动无功补偿装置。
主要采用ST89C52单片机进行自动控制。
系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得COS ∮和有功功率。
本装置可实现功率因素从很低到95.0=ϕCOS ，而且能让电容自动投切进电路，并且能显示补偿后的功率因素和补偿前的，和线路电流电压。
关键字：无功补偿 ST89C52单片机 功率因素 自动控制Abstract:As we all know,In the industrial production process,Classification and statistical work of different goods and commodities in the pipeline is a daunting task.Especially in the process of packing shipment of goods.In the era of manual processing.It will cost a lot of manpower.A fully automatic reactive power compensation devices. This device is in the previous inspection manual or electromagnetic reactive power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic control.System to the power grid voltage and current sampling, computing, to gain COS ∮and active. The device can be realized from the power factor COS ∮= 0.6 compensation to the COS ∮ = 0.95, power factor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.The system hardware circuit structure is simple, including laser sensor module, shaping circuit module, control unit module, human-computer interaction module, and digital camera interface circuit module. The control unit uses STC89C52 as the core controller. Human-computer interaction module includes a separate keyboard and LCD1602 LCD display circuit. Through the test of this design fully meet the requirements of the design requirement.Keywords: Reactive power compensation; Power Factor; Automatic control; STC89C52目录1. 引言 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 本设计的要求 (2)1.3 论文的内容和论文的结构安排 (3)2 系统方案总体设计 (4)2.1 系统需求分析 (4)2.2 无功功率装置原理 (4)2.2.1无功补偿的意义 (4)2.3 系统方案选择 (5)2.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择 (5)2.3.2无功功率补偿方案选择 (6)2.4 系统总体设计 (7)2.4.1 系统整体结构组成 (7)2.4.2 系统原理 (7)3 系统硬件电路设计 (9)3.1 功率因数测量电路 (9)3.1.1 功率因数测量原理 (9)3.1.2 基于单片机的测量原理分析 (9)3.1.3 基于单片机的无功功率因数测量电路设计 (10)3.2 模数转换电路设计 (12)3.3 单片机控制单元设计 (14)3.3.1 单片机的介绍 (14)3.3.2 中断系统 (16)3.3.3 定时器 (16)3.3.4 显示部分 (17)3.3.5 控制系统电路设计 (17)3.3.6 存储电路设计 (19)3.4电容投切电路设计 (19)3.4.1 电容投切原理 (19)3.4.2电容投切电路设计 (20)3.5电源电路设计 (21)4 系统软件设计 (23)4.1 软件开发环境介绍 (23)4.1.1 C语言介绍 (23)4.2 软件总体设计 (23)4.2.1系统主程序设计 (23)4.3.2系统中断程序设计 (25)4.3.3 电容投切程序设计 (26)5 系统建模与仿真结果分析 (28)5.1 系统仿真环境介绍 (28)5.2 系统建模 (28)5.3 系统仿真结果分析 (30)结束语..................................................... 错误！未定义书签。
非线性传感器的校正方法
(1) 理论直线法 如图 2 (a) 所示 ,以传感器的理 论特性作为拟合直线 ,它与实际测试值无关 。优点是 简单 、方便 ,但通常 L m 很大 。
(6)
3 折线逼近法
将传感器的特性曲线用连续有限的直线来代
替 ,然后根据各转折点和各段直线来设计硬件电路 ,
这就是最常用折线逼近法 。转折点越多 ,各段直线就
越逼近曲线 ,精度也就越高 ,但太多了就会因为线路
本身误差而影响精度 , 所以转折点的选取与要求的
精度和线路有密切的联系 ,在实际应用中 ,应采取具
实际使用时 ,可以把计算法和查表法结合起来 , 形成插值法 。
插值法就是在传感器 X —Y 特性曲线中 , 把输 入量 X 分成 N 个均匀的区间 ,这样每个区间的端点 Xk 都对应一个输出 Yk , 把这些 ( Xk , Yk) 编制成表格 存贮起来 。实际的检测值一定会落在某个区间 ( Xk , Xk +1) 内 , 线性插值就是用直线段近似代替区间里 的实际曲线 , 通过近似公式计算出 Yi 。所以线性插
第 18 卷 第 6 期
石油工业技术监督
计量技术
非线性传感器的校正方法
张家田 董秀莲
西安石油学院电子工程及仪器系 (西安 710065)
摘 要 传感器非线性的产生是生产过程中敏感芯片在工艺上处理不当造成的 ,为提高精度对其进行非线 性的线性化校正在许多测试计量场合中是十分必要的 。分别从硬件和软件两方面给出了校正的方法 ,并对硬 件 、软件校正的优缺点做出了总结 。非线性的线性化校正采用何种方法 ,要根据实际应用的要求来确定 。 主题词 传感器 非线性 线性化校正 Abstract Non - linearity of sensors usually results from imp rop er treatment of sensitive chips in the p rocess of p ro2 duction. In order to increase their p recision ,it is very necessary to make linear corrections of them in many measuring
传感器非线性补偿处理
传感器非线性补偿处理
在完成了非线性参数的线性化处理以后,要进行工程量转换,即标度变换,才能显示或打印带物理单位(如℃)的数值,
其框图如图1。
图1 数字量非线性校正框图下面介绍非线性软件处理方法。
用软件进行“线性化”处理的方法有三种：1. 计算法 2. 查表法程序流程图,如图2所示。
图2 挨次查表法程序流程图3. 插值法（1）插值原理设某传感器的输出特性曲线（例如电阻—温度特性曲线）如图3所示。
图3 分段先行插值原理
（2）插值法的计算机实现下边以点斜式直线方程（4-37）为例,讲一下用计算机实现线性插值的方法。
第一步,用试验法测出传感器的变化曲线y=f（x）。
其次步,将上述曲线进行分段,选取各插值基点。
第三步,确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki,并存放在存储器中。
第四步,计算x-xi 。
第五步,找出x所在的区域（xi, xi+1）,并取出该段的斜率ki。
第六步,计算ki(x-xi)。
第七步,计算结果y=yi+ki（x- xi）。
程序框图见图4。
图4 先行插值计算程序流程图
1。
传感器模拟信号非线性修正及温度补偿自适应算法-文档资料
传感器模拟信号非线性修正及温度补偿自适应算法理想载荷传感器在满量程范围内模拟输出信号的非线性应该趋近于零，并不受温度影响，但在实际工作中，受生产工艺、制造材料等影响，传感器的模拟输出信号的实际非线性较大，且在不同的温度环境下工作，同一载荷条件下，由于环境温度的不同其输出的模拟信号也不同，如果忽略温度对传感器的影响而采用常规的信号处理方法进行处理，得到的结果与实际情况相比可能存在有较大误差。
在这种情况我们提出了传感器模拟信号多温区分段线性修正自适应算法。
该算法通过多温区补偿修正温度对传感器输出特性的影响，多段非线性修正算法的实现，使得测量值尽可以的趋近真实值，通过这种方法，提高传感器输出信号的非线性指标，降低温度多传感器输出的影响，提高称量系统测量准确度，降低系统测量误差。
一、工作原理模拟信号多温区分段修正自适应算法含以下三方面的内容：第一：温区的划分：通过大量试验发现：同一载荷条件下在一定温度变化范围内传感器输出的模拟信号收温度影响较小，可以忽略不计，在此情况下提出温区的概念，同一载荷条件下在同一温度范围内传感器输出信号变化很小，将这一温度范围划分为一个温区，在该温区内传感器模拟输出信号基本不变。
可利用高低温箱将传感器工作的全温度范围分为多个温区。
在不同的温区内同一载荷条件下传感器输出基本不受温度影响。
第二：同温区分段标定：由于传感器在同一温区内同一载荷条件下输出基本不受温度影响，我们可以在同一温区内对传感器进行分段修正，在传感器量程范围内，对传感器施加不同载荷，记录传感器的加载载荷值及输出模拟信号值、绘制传感器模拟信号输出曲线，根据输出曲线的实际情况，将曲线划分成若干直线段，划分的依据为直线段尽可能的逼近真实曲线，找出这些直线段的端点对应的载荷值并记录，利用标定软件对传感器在这些点上进行加载标定，并存储标定参数；这样在传感器工作的每个温区内都有一个分段标定的参数区。
第三：多温区分段修正算法的实现：对一个已经多温区分段修正的传感器而言，CPU每采集一个有效的传感器输出的模拟信号数据的同时也采集了当前环境温度值，CPU根据采集的温度值确认当前传感器所处温区，嵌入式软件提取该温区传感器的标定参数段，根据AD转换的内码值确定线性运算的区域，在该区域内进行线性运算得出实际载荷值。
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（一）设计思路
1．测量方法：
多周期同步测量法( 倒数计数器法)从根本上消除了±1误差,实现了等精度测量
2．实现技术的选择：
硬件实现法（可选的器件有通用的SSI/MSI/LSI集成电路、专用集成电路、可编程逻辑器件——如isPLD器件等）；
软件实现法（可选的平台有PC机、单片机、DSP器件等）
将这两种结合来实现设计要求。
3．信号发生器的选择（频率范围900—1300.0（KHz））
SG-4162AD高频信号发生器/计频器：频率范围：100KHZ-150MHZ◆分6档三次谐波到4 50MHZ±5%◆输出电压：100MVRMS◆低频输出：1KHZ2VRMS3．大概的系统设计原理框图：（二）子系统设计
1．输入通道的设计。
输入通道是由前置放大器和整形器组成的，所以要对前置放大器的增益和带宽指标进行估计。
为了能准确测量信号，将输入信号经过一个放大整形电路。
其具体实施方案为：将输入信号经过LM358运放放大，再通过74LS132整形，此时的信号还不能直接送入单片机，这是因为在硬件上CPU对INT0和INT1引脚的信号不能控制，解决这个问题要通过硬件，再配合软件来解决。
2．预置闸门时间发生电路设计。
闸门时间的确定，可以先由一个555定时器产生一个脉冲信号，将555产生的脉冲信号送入到74LS90十进制计数器当中，由于74LS90具有二-五进制混合计数的功能，所以可以用它来实现五进制计数，将74LS90的输出接到3—8线译码器74LS138的输入端，再将译码器的输出端接上五个发光二极管，这样就可以实现硬件上的闸门时间控制。
但是考虑到硬件实现上的复杂性，可以通过软件上来实现，就是将五个发光二极管直接接到单片机的P1口由软件上来实现，通过按键来改变它的闸门时间。
3．数码显示电路的设计。
该部分电路是由单向八位移位寄存器74LS164和数码管组成的。
同时还要显示频率和周期的单位，所以还需再级联一块74LS164，在74LS164的输出端接六个单位指示灯，分别表示周期频率的三个不同的单位数量级，即周期单位s，ms，μs和频率单位Hz，KHz及MHz。
移位寄存器的时钟信号是由单片机的串行输出口TXD脚控
1．单片机系统的选择：
单片机子系统(根据下列要求选用AT89C51)
①由+5V电源供电，I/O口与TTL电平兼容，并有足够数目的I/O口；②要有丰富的四则算术运算和逻辑运算指令，指令执行速度要快；③片内除RAM外还要有EPROM；④至少有两个16位的定时器/计数器；⑤有外部中断输入引脚；⑥具有串行通信口；⑦价格要低廉其中输入通道组成框图如下：被测信号边沿选择电路：被测信号边沿选择电路的工作波形图：三、软件设计
（一）软件主程序流程图(见图）
（二）子程序的设计
1．键盘中断服务子程序。
因该频率计的测量项目较多，所以在系统初始化时，将默认测量项目设置为测频，且预置闸门时间设置为1ms。
具体做法就是在主程序的系统初始化部分，将测频选择键的键值以及预置闸门时间设置代码写入单片机RAM单元中去。
这样开机后即使用户没有选择任何测量项目键，也能进行频率测量。
2．软件计数器子程序。
该频率计所需要的不同闸门预置时间信号是由单片机产生的。
由于预置闸门时间的范围很宽，最大值为10s，最小值为1ms，仅用单片机中的定时器硬件是不能实现的，需采用软硬件相结合的方法来实现。
其具体实现方案为将C/T0定时器/计数器设置为由引脚高电平启动的方式1定时器T0，初始化将其初值设为0.该计数器的启动过程如下：主程序首先将单片机P1.6脚置为高电平（逻辑1）发出预置闸门信号，该信号经同步电路而产生高电平的同步门信号，从而使单片机引脚变为高电平，C/T0定时器中的计数器就被启动开始计数。
3．数据处理子程序。
当事件计数器和时间计数器的计数值NA，NB被读到单片机中后，通过调用数据处理子程序，根据过去读入并保存在单片机RAM单元中的测量项目的键值，预置闸门值代码，判断出所要测量的参数项目，对计数值NA，NB进行相应的处理，求出所测参数的值和单位，最后应将参数值转换为十进制数，再转换为驱动LED数码显示器的段码（每位包含5个数字段码和1个小数点）以及驱动三个单位符号指示灯之一的位码，作为显示子程序的输入数据，存放在9个RAM单元组成的显示缓冲区中。
对计数值NA，NB的处理运算要用到除法和乘法，为了提高运算精度，应当采用浮点运算。
显然，采用C 语言来编写这些运算程序可大大提高编程效率。
计数式测频的原理方框图：四、结论
本系统采用大规模集成电路设计，用C51语言编程，实现了对不同波形、不同频率信号的测量。