第14章智能式传感器14.1概述传感器与微处理机结合可以通过以下两个途径来实现：采用微处理机或微型计算机系统以强化和提高传统传感器的功能，即传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理。借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，成为大规模集成电路智能传感器，简称集成智能传感器。就目前来看，已有少数以组合形式出现的智能传感器作为产品投入市场，如美国Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅压阻式智能传感器,ParScientific公司的1000系列数字式石英智能传感器。我国也着手智能传感器的开发与研究，主要是在现有使用的传感器中，采用先进的微处理机和微型计算机系统，使之完成第一类途径的智能化。智能传感器因其在功能、精度、可靠性上较普通传感器有很大提高，已经成为传感器研究开发的热点。近年来，随着传感器技术和微电子技术的发展，智能传感器技术也发展很快。发展高性能的以硅材料为主的各种智能传感器已成为必然。14.1.2智能传感器的功能和构成与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下功能：①具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、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移等的误差补偿，提高了测量准确度。②具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试，以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。③具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。④具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。⑤具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。⑥具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。智能式传感器系统一般构成框图如图14-1所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。图14–1智能传感器的结构框图14.2传感器的智能化微型计算机或微处理机是智能式传感器的核心。传感器的信号经一定的硬件电路处理后，以数字信号的形式进入计算机，于是计算机即可根据其内存中驻留的软件实现对测量过程的各种控制、逻辑判断和数据处理以及信息输送等功能，从而使传感器获得智能。在智能传感器中，其控制功能、数据处理功能和数据传输功能尤为重要。实际上，为了使智能式传感器真正具有智能，控制功能就应该包括：键盘控制功能、量程自动切换功能、多路与多路通道切换功能、数据极限判断与越限报警功能、自诊断与自校正功能。例如为使智能式传感器具有自校正功能，在传感器系统设计时，可考虑预留一路模拟量输入通道作自校正用，然后通过计算机编程实现自校正。该程序执行步骤为：所用微机先向Ｄ/Ａ转换口输出一个定值(固定代码)，经DAC变换为对应的模拟电压值，再送到Ａ/Ｄ通路的自校正输入端。此后，由微机启动ADC，待Ａ/Ｄ转换结束，再取回转换结果值，并与原送出的代码进行比较。如结果相符或误差在允许范围内，则认为自校正功能正常。若感觉仅在一点上进行自校正还不能说明问题，可以设置2～3个自校正点，如可设置其零点、中点及满刻度点为自校正点，并分三次比较。通过比较和判断，确定输入、输出以及接口等是否正常。在数据处理功能方面，智能式传感器须具备标度变换功能、函数运算功能、系统误差消除功能、随机误差处理功能以及信号合理性判断功能。在数据传输功能方面，智能式传感器应实现各传感器之间或与其它微机系统的信息交换及传输。数据传输可采用并行和串行两种方式，无论采用哪种传输方式，都要在传送的双方配置相同的标准接口。IEEE-48总线和RS232总线在并行和串行两种数据传送方式中，分别可起重要作用。图14–2智能式应力传感器的硬件结构图图14–3智能式应力传感器的软件结构图图14-2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位的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。它共有6路应力传感器和1路温度传感器，其中每一路应力传感器由4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。温度传感器用于测量环境温度，从而对应力传感器进行误差修正。采用8031单片机作为数据处理和控制单元