第10章-其他传感器工作原理及其应用课件

第第10章章 其他传感器工作原理及其应用其他传感器工作原理及其应用10.1 气敏传感器工作原理及其应用气敏传感器工作原理及其应用10.2 湿度传感器工作原理及其应用湿度传感器工作原理及其应用10.3 超声波传感器工作原理及其应用超声波传感器工作原理及其应用10.4 智能传感器及其应用智能传感器及其应用10.1 气敏传感器工作原理及其应用气敏传感器工作原理及其应用10.1.1 概述概述现代生活中排放的气体日益增多，这些气体中有些现代生活中排放的气体日益增多，这些气体中有些是易燃、易爆（如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化是易燃、易爆（如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化石油气等），有些是对人体有害的气体（如一氧化石油气等），有些是对人体有害的气体（如一氧化碳、氨气等）。碳、氨气等）。为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存在的情况进行有效监控。在的情况进行有效监控。（1）气敏传感器的检测对象与应用）气敏传感器的检测对象与应用（2）气敏传感器的分类）气敏传感器的分类 气敏传感器简称气敏传感器简称气敏电阻气敏电阻，可以把某种气体的成分、，可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。压信号。气敏传感器的分类气敏传感器的分类（3）传感器的结构）传感器的结构常见传感器的外形如图所示。常见传感器的外形如图所示。气敏传感器在工作时必须加热，加热的主要目的是加气敏传感器在工作时必须加热，加热的主要目的是加速吸收气体的吸附、脱出过程，烧去气敏元件的油垢速吸收气体的吸附、脱出过程，烧去气敏元件的油垢和污物，起清洗作用。同时，可以通过温度的控制来和污物，起清洗作用。同时，可以通过温度的控制来对检测的气体进行选择。对检测的气体进行选择。气敏传感器实物图气敏传感器实物图u气敏电阻的分类气敏电阻的分类按照加热方式气敏电阻可分为按照加热方式气敏电阻可分为直热式直热式和和旁热式旁热式两种。两种。（1）直热式气敏电阻：该类型气敏电阻的结构与符号）直热式气敏电阻：该类型气敏电阻的结构与符号如图所示。如图所示。直热式气敏电阻的结构和符号直热式气敏电阻的结构和符号（a）结构）结构 （b）符号）符号（2）旁热式气敏电阻）旁热式气敏电阻 该类型气敏电阻的结构与符号如图所示。该类型气敏电阻的结构与符号如图所示。旁热式气敏电阻的结构和符号旁热式气敏电阻的结构和符号（a）结构）结构 （b）符号）符号10.1.2 气敏传感器的测量电路气敏传感器的测量电路 气敏电阻基本测试电路如图所示。它包括加热回路和气敏电阻基本测试电路如图所示。它包括加热回路和测试回路。测试回路。用直流法还是交流法测试，不影响测试用直流法还是交流法测试，不影响测试结果，可根据实际情况选用。结果，可根据实际情况选用。（a）QM-N5型；型；（b）TGS812型；型；（c）TGS109型型气敏电阻测试电路气敏电阻测试电路10.1.3 气敏传感器的应用电路气敏传感器的应用电路（1）煤气报警器）煤气报警器图示为某煤气报警电路的原理图。电路中一部分是煤图示为某煤气报警电路的原理图。电路中一部分是煤气报警器，在煤气达到危险界限前发生警报，另一部气报警器，在煤气达到危险界限前发生警报，另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子中的臭氧反应，生成对人体无害的二氧化碳。离子中的臭氧反应，生成对人体无害的二氧化碳。煤气安全报警器原理图煤气安全报警器原理图（2）简易酒精测试器）简易酒精测试器图示是一种酒精测试器。此电路采用图示是一种酒精测试器。此电路采用TGS812型酒精型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）。简易酒精测试电路简易酒精测试电路（3）矿灯瓦斯报警器）矿灯瓦斯报警器 图示为一种矿灯瓦斯报警器电路，其瓦斯探头由图示为一种矿灯瓦斯报警器电路，其瓦斯探头由QM-N5型气敏传感器、限流电阻及矿灯蓄电池等组成。因为气型气敏传感器、限流电阻及矿灯蓄电池等组成。因为气敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏传敏元件在预热期间会输出信号造成误报警，所以气敏传感器在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。矿灯瓦感器在使用前必须预热十几分钟以避免误报警。矿灯瓦斯报警器直接安放在矿工工作帽内，以矿灯蓄电池为电斯报警器直接安放在矿工工作帽内，以矿灯蓄电池为电源。当瓦斯超限，矿灯自动闪光并发出报警声。源。当瓦斯超限，矿灯自动闪光并发出报警声。矿灯瓦斯报警器电路矿灯瓦斯报警器电路10.2 湿度传感器工作原理及其应用湿度传感器工作原理及其应用10.2.1 概述概述（1）湿度传感器的应用领域）湿度传感器的应用领域 湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围见表湿度传感器的应用领域及其应用湿度范围见表10-2所示。所示。（2）湿度传感器的分类）湿度传感器的分类湿度传感器依据使用材料可分为电解质型、陶瓷型、湿度传感器依据使用材料可分为电解质型、陶瓷型、高分子型和单晶半导体型。高分子型和单晶半导体型。1）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作）电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。2）高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，）高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原理也各不相同。理也各不相同。3）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工）陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。气中水蒸气的敏感特性而制成。4）单晶半导体型：所用材料主要有单晶硅，用半导）单晶半导体型：所用材料主要有单晶硅，用半导体工艺制成二极管湿敏器件和体工艺制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器湿度敏感器件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。件，其特点是易于和半导体电路集成在一起。（3）湿度传感器的图形符号湿度传感器的图形符号 湿度传感器的图形符号如图。对于半导体陶瓷湿敏湿度传感器的图形符号如图。对于半导体陶瓷湿敏传感器，其图形符号代表电阻元件。传感器，其图形符号代表电阻元件。图中图中A-A端为测量电极，端为测量电极，B-B端为加热清洗电极。加端为加热清洗电极。加热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除热清洗电极通电后，内部电加热丝产生热量可排除传感器湿层中的水分子。传感器湿层中的水分子。湿敏传感器的图形符号湿敏传感器的图形符号10.2.2 陶瓷湿度传感器陶瓷湿度传感器 该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是 系多孔陶系多孔陶瓷，如图所示。瓷，如图所示。该陶瓷湿度传感器的电阻该陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性随着相对湿度湿度特性随着相对湿度的增加，电阻值急剧下降，基本按指数规律下降。的增加，电阻值急剧下降，基本按指数规律下降。系系传感器感器结构构系系传感器感器电阻湿度特性阻湿度特性10.2.3 高分子湿度传感器高分子湿度传感器（1）高分子薄膜电解质电容式）高分子薄膜电解质电容式 图示为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结图示为高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。感湿高分子材料介电常数并不大，当水分子被高构。感湿高分子材料介电常数并不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化；因而湿度传感分子薄膜吸附时，介电常数发生变化；因而湿度传感器的电容量增加，所以根据电容量的变化可测得相对器的电容量增加，所以根据电容量的变化可测得相对湿度。湿度。高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的电容随着环高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的电容随着环境相对湿度的增加而增加，基本上呈线性关系。当境相对湿度的增加而增加，基本上呈线性关系。当测试频率为测试频率为1.5MHz左右时，其输出特性有良好的线左右时，其输出特性有良好的线性度。性度。对其他测试频率，如对其他测试频率，如1kHz、10kHz，尽管传感器电，尽管传感器电容量变化很大，但线性度欠佳。可外接转换电路，容量变化很大，但线性度欠佳。可外接转换电路，使电容湿度特性趋于理想直线。使电容湿度特性趋于理想直线。电容式电容式湿度曲线湿度曲线（2）高分子薄膜电阻式）高分子薄膜电阻式 图示为聚苯乙烯磺酸锂高分子薄膜电阻式湿度传感图示为聚苯乙烯磺酸锂高分子薄膜电阻式湿度传感器的结构图。器的结构图。当环境湿度变化时，在整个湿度范围内，传感器均当环境湿度变化时，在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。标纸上近似为一直线。10.2.4 湿度传感器的应用湿度传感器的应用（1）湿度传感器应用注意事项）湿度传感器应用注意事项 电源选择：湿敏电阻必须工作于交流电路中。电源选择：湿敏电阻必须工作于交流电路中。线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性，线性化：一般湿敏元件的特性均为非线性，为便于测量，应将其线性化。为便于测量，应将其线性化。温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻温度补偿：通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数湿度温度系数0.10.3，故在测湿精度要求高，故在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。的情况下必须进行温度补偿。测湿范围：电阻式湿敏元件在湿度超过测湿范围：电阻式湿敏元件在湿度超过95%RH时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生时，湿敏膜因湿润溶解，厚度会发生变化。变化。（2）阻容值的测量）阻容值的测量测量湿度传感器阻值和容值三种电路所示。测量湿度传感器阻值和容值三种电路所示。（3）加热去污）加热去污陶瓷元件的加热去污应切实控制在陶瓷元件的加热去污应切实控制在450。它利用。它利用元件的温度特性进行温度检测和控制；元件的温度特性进行温度检测和控制；当温度达到当温度达到450 即中断加热。由于未加热前元件即中断加热。由于未加热前元件吸附有水分，突然加热会出现相当于时的阻值；吸附有水分，突然加热会出现相当于时的阻值；实际温度并未达到实际温度并未达到450，因此应在通电后延迟，因此应在通电后延迟23s再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再开始再检测电阻值。加热终了，应冷却至常温再开始检测湿度。检测湿度。（4）基本应用电路）基本应用电路交流电源湿度检测电路如图所示。交流电源湿度检测电路如图所示。交流电源湿度检测电路交流电源湿度检测电路电容式湿度传感器应用电路如图所示。电容式湿度传感器应用电路如图所示。10.3 超声波传感器工作原理及其应用超声波传感器工作原理及其应用10.3.1 概述概述 声波按照频率可分为次声波、可闻声波及超声波三种形式。声波按照频率可分为次声波、可闻声波及超声波三种形式。10.3.2 超声波的原理及结构超声波的原理及结构超声波传感器是利用超声波在气体、液体和固体介超声波传感器是利用超声波在气体、液体和固体介质中传播的回声测距原理检测物体的位置，故超生质中传播的回声测距原理检测物体的位置，故超生波传感器有气介式、液介式和固介式，如图所示。波传感器有气介式、液介式和固介式，如图所示。单探头形式，即探头（换能器）既发射又接收超声单探头形式，即探头（换能器）既发射又接收超声波；双探头形式，发射和接收超声波各由一个探头波；双探头形式，发射和接收超声波各由一个探头承担。承担。（a）液介式单探头；）液介式单探头；b）液介式双探头）液介式双探头 （c）气介式单探头）气介式单探头 （d）气介式双探头）气介式双探头几种超声波传感器的工作原理几种超声波传感器的工作原理 图示为超声波发射器和超声波接收器结构原理图。图示为超声波发射器和超声波接收器结构原理图。10.3.3 超声波探头及耦合技术超声波探头及耦合技术 超声波传感器的实物，如图所示。超声波传感器的实物，如图所示。（1）超声波探头超声波探头 超声波探头又称超声波换能器。超声波换能器的工作超声波探头又称超声波换能器。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中主要采用压电式。中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、高温探头、空气传导探头和其他专探头、聚焦探头、高温探头、空气传导探头和其他专用探头等。用探头等。超声波探头超声波探头 超声波探头中的压电陶瓷芯片如图所示。超声波探头中的压电陶瓷芯片如图所示。（2）耦合技术）耦合技术 超生探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面超生探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面强烈的杂间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面强烈的杂乱发射波，造成干扰，并造成很大的衰减。乱发射波，造成干扰，并造成很大的衰减。必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，常使用称为耦合剂的入射到被测介质中。在工业中，常使用称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的使用。常用耦合剂有自来水、机油、甘油等。使用。常用耦合剂有自来水、机油、甘油等。当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为类型称为透射型透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。接近开关等。超声波发射器与接收器置于同侧的属于超声波发射器与接收器置于同侧的属于反射型反射型，反射，反射型可用于接近开关、测距和测液位等。型可用于接近开关、测距和测液位等。10.3.410.3.4超声波传感器的应用电路超声波传感器的应用电路（1）多普勒效应）多普勒效应如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出做多普勒效应。测出 就可得运动速度。就可得运动速度。多普勒效应演示图多普勒效应演示图（2）超声波防盗报警器）超声波防盗报警器 超声波防盗报警器的原理如图所示。图中的上半部超声波防盗报警器的原理如图所示。图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率率f=40KHZ左右的超声波。左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应而发生体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应而发生频率偏移频率偏移 。超声波防盗报警器原理图超声波防盗报警器原理图（3）超声波测量液位仪器）超声波测量液位仪器 在液灌上方安装空气传导型超生发生器和接收器，根在液灌上方安装空气传导型超生发生器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液位。据超声波的往返时间，就可测得液体的液位。超声波测量液位结构原理图超声波测量液位结构原理图（4）超声波传感器的其他应用）超声波传感器的其他应用 超声波传感器还有其他用途，如图所示。超声波传感器还有其他用途，如图所示。10.4 智能传感器及其应用智能传感器及其应用 10.4.1 智能传感器的概述智能传感器的概述（1）智能传感器的基本概念）智能传感器的基本概念智能传感器，是一种带有微处理器机的，兼有信息智能传感器，是一种带有微处理器机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。的传感器。实质是用微处理器形成一个智能化的数据采集处理实质是用微处理器形成一个智能化的数据采集处理系统，实现人们希望的功能。系统，实现人们希望的功能。其最大的特点是将传感器检测信息的功能与微处理其最大的特点是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。器的信息处理功能有机地融合在一起。“带微处理器带微处理器”包含两种情况：包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成“单片智能传感器单片智能传感器”；另一种情况是传感器配接单；另一种情况是传感器配接单独的微处理器形成智能传感器。独的微处理器形成智能传感器。下图为某种智能压力传感器的结构图。下图为某种智能压力传感器的结构图。（a）模块分解图；）模块分解图；（b）模块组合图；）模块组合图；（c）外形图）外形图 将传感器、微处理器都一起集成在同一硅片上实现将传感器、微处理器都一起集成在同一硅片上实现集成智能传感器，如图所示。集成智能传感器，如图所示。日本已开发出三维多功能多层结构的智能传感器。日本已开发出三维多功能多层结构的智能传感器。智能传感器也可说是一个微机小系统，其中作为系智能传感器也可说是一个微机小系统，其中作为系统统“大脑大脑”的微处理机通常是单片机。的微处理机通常是单片机。集成一体化的智能传感器集成一体化的智能传感器（2）智能传感器的基本功能智能传感器的基本功能具有自适应、自调整功能。具有自适应、自调整功能。智能传感器内含的特定算智能传感器内含的特定算法可根据待测物理量的数值大小及变化情况等自动选法可根据待测物理量的数值大小及变化情况等自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。具有自诊断、自校正功能。具有自诊断、自校正功能。可实现开机自检（在接通可实现开机自检（在接通电源时进行）和运行自检（在工作中实时进行），以电源时进行）和运行自检（在工作中实时进行），以确定哪一组件有故障，从而可以提高工作的可靠性。确定哪一组件有故障，从而可以提高工作的可靠性。极强的数据处理能力。极强的数据处理能力。可进行各种复杂运算（测量算可进行各种复杂运算（测量算法和控制算法），可对检测数据进行分析、统计和修法和控制算法），可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行分析、统计和修正，还可进行线性、非正，还可进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，可大大提高测量准确度。移等的误差补偿，可大大提高测量准确度。具有数据通信功能。具有数据通信功能。（3）智能传感器的基本结构）智能传感器的基本结构 智能传感器的结构包括以下几个部分：智能传感器的结构包括以下几个部分：微处理器部分微处理器部分智能传感器的核心部分；智能传感器的核心部分；A/D部分部分主要决定智能传感器精度的部分；主要决定智能传感器精度的部分；传感器测量及信号调理部分传感器测量及信号调理部分主要包括信号的放大、滤波、主要包括信号的放大、滤波、电平转换等；电平转换等；其他辅助部分，如键盘显示电路等。其他辅助部分，如键盘显示电路等。智能传感器的组成智能传感器的组成10.4.2 智能传感器实现的途径智能传感器实现的途径（1）非集成化实现）非集成化实现 非集成智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集非集成智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。整体而构成的一个智能传感器系统。非集成式智能传感器外壳非集成式智能传感器外壳（2）集成化实现）集成化实现 这种传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成这种传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的，故又称为集成智能传感器。芯片上而构成的，故又称为集成智能传感器。集成式智能传感器外壳集成式智能传感器外壳（3）混合实现）混合实现 根据需要与可能，将系统各个集成化环节以不同组合根据需要与可能，将系统各个集成化环节以不同组合方式集成在两块或三块芯片上，并制作到一个电路板方式集成在两块或三块芯片上，并制作到一个电路板上，就是智能传感器的混合实现方式，如图所示。上，就是智能传感器的混合实现方式，如图所示。图中图中I IIVIV分别是集成化实现的智能传感器，它们分别分别是集成化实现的智能传感器，它们分别由智能化敏感元件、信号调理电路、微处理器单元组由智能化敏感元件、信号调理电路、微处理器单元组成，而且是集成在一个芯片里，然后将这几个智能传成，而且是集成在一个芯片里，然后将这几个智能传感器按照一定的总线时序要求连接到一起，再与上位感器按照一定的总线时序要求连接到一起，再与上位计算机进行通信，上位计算机根据实际应用，协调管计算机进行通信，上位计算机根据实际应用，协调管理各个智能化的传感器。理各个智能化的传感器。智能传感器的混合实现：智能传感器的混合实现：10.4.3 智能传感器的应用智能传感器的应用（1）智能传感器温度传感器）智能传感器温度传感器DS18B201）DS18B20基本介绍基本介绍DS18B20数字温度传感器采用美国数字温度传感器采用美国Dallas半导体公司半导体公司的数字化温度传感器，的数字化温度传感器，温度传感器支持温度传感器支持“一线总线一线总线”接口（接口（1-Wire），从），从DS18B20读出信息或写入信息，读出信息或写入信息，仅需要一根口线（单线接口），大大提高了系统的抗仅需要一根口线（单线接口），大大提高了系统的抗干扰性能，适合于恶劣环境的现场温度测量。干扰性能，适合于恶劣环境的现场温度测量。由于每片由于每片DS18B20含有一个唯一的编码，所以在一条含有一个唯一的编码，所以在一条总线上可挂接任意多个总线上可挂接任意多个DS18B20芯片。总线本身也可芯片。总线本身也可以向所挂接的以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。供电，而无需额外电源。下图为下图为DS18B20外观及结构：外观及结构：2）DS18B20结构组成结构组成 DS18B20主要由主要由64位激光位激光ROM、温度传感器、非易、温度传感器、非易失性温度报警触发器失性温度报警触发器TH和和TL等部分组成，结构如图。等部分组成，结构如图。3）DS18B20温度采集的软件设计温度采集的软件设计 根据根据DS18B20DS18B20的通信协议，主机（单片机）控制的通信协议，主机（单片机）控制DS18B20DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对每一次读写之前都要对DS18B20DS18B20进行复位操作，复位进行复位操作，复位成功后发送一条成功后发送一条ROMROM指令，最后发送指令，最后发送RAMRAM指令，这样才指令，这样才能对能对DS18B20DS18B20进行预定的操作。进行预定的操作。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。数据和命令的传输都是低位在先。初始化。单总线上的所有处理均从初始化开始。初始化。单总线上的所有处理均从初始化开始。ROM操作指令：总线主机检测到操作指令：总线主机检测到DS18B20的存在，的存在，即初始化完成后，便可以发出即初始化完成后，便可以发出ROM操作命令，这些操作命令，这些命令如下表。命令如下表。存储器操作命令，如下表。存储器操作命令，如下表。4）用）用DS18B20设计环境温度检测器设计环境温度检测器 电路图设计。电路图设计。图中图中DS18B20采用外接电源方式，其采用外接电源方式，其 端用电源供电。端用电源供电。环境温度检测原理图环境温度检测原理图 程序流程图。程序流程图。温度转换算法分析：由于温度转换算法分析：由于DS18B20转换后的代码并转换后的代码并不是实际的温度值，所以要进行计算转换。不是实际的温度值，所以要进行计算转换。温度高字节（温度高字节（MS Byte）高）高5位用来保存温度的正负，位用来保存温度的正负，高字节低高字节低3位和低字节来保存温度值。其中低字节位和低字节来保存温度值。其中低字节（LS Byte）的低）的低4位来保存温度的小数位（位来保存温度的小数位（03位）。位）。当采用当采用0.0625的精度时，小数部分的值，可以用后的精度时，小数部分的值，可以用后4位位代表的实际数值乘以代表的实际数值乘以0.0625，得到真正的数值。，得到真正的数值。程序流程图如图所示：程序流程图如图所示：（2）智能式应力传感器）智能式应力传感器图图10-45是智能式应力传感器的硬件结构图。是智能式应力传感器的硬件结构图。智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部分智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部分的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。它共有障情况。它共有6路应力传感器和路应力传感器和1路温度传感器，其路温度传感器，其中每一路应力传感器由中每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和个应变片构成的全桥电路和前级放大器组成，用于测量应力大小。前级放大器组成，用于测量应力大小。能式应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理、能式应力传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、键盘监控及通过串口与计算机通信功能。模拟量输出、键盘监控及通过串口与计算机通信功能。其软件采用模块化和结构化设计方法，软件结构如图。其软件采用模块化和结构化设计方法，软件结构如图。主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功能模块调用的功能。其中信号采集模块主要完成数据能模块调用的功能。其中信号采集模块主要完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正以及检索查滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正以及检索查表等功能。故障诊断模块的任务是对各个应力传感器表等功能。故障诊断模块的任务是对各个应力传感器的信号进行分析，判断飞机机翼的工作状态及是存在的信号进行分析，判断飞机机翼的工作状态及是存在损伤及是否存在损伤或故障。损伤及是否存在损伤或故障。键盘输入及显示模块的任务如下：键盘输入及显示模块的任务如下：1）查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块）查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块，主程序模块根据键执行或调用相应的功能模块。，主程序模块根据键执行或调用相应的功能模块。2）显示各路传感器的数据和工作状态。输出打印模块主）显示各路传感器的数据和工作状态。输出打印模块主要控制模拟量输出，通信模块主要控制要控制模拟量输出，通信模块主要控制RS-232串口通串口通信口和上位机发通信。信口和上位机发通信。