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摘要 题 目：在印刷设备中的应用的运输 包装黑匣子 学科领域：印刷工程 作者姓名：赵庆海 签名： 导师姓名：成刚虎 教授 签名： 答辩日期：2 0 0 5 年 1 月 摘 要 在中国，由运输包装损坏所造成的损失每年约为 1 4 0 亿。为防止包装 件损坏要完善产品包装，改善运输管理。 本课题针对这一现实需要，设计了对包装件进行全过程监测的黑匣子 及其数据读出系统。通过黑匣子对流通过程中包装件的加速度、温度、湿度 进行监测并记录在存储器中; 然后通过对黑匣子记录数据的读取, 取得损害 原因数据, 从而确定损坏原因，完善产品的包装设计。作者从对被测信息的 分析入手，合理的选择了加速度、温度、湿度传感器，利用低功耗单片机和 存储器设计了运输包装黑匣子并加工制作了样机， 利用 C 语言完成了对单片 机的编程，利用 V B 编制了在微型计算机上运行的数据读取软件。为了微型 计算机能够有效地读取运输包装黑匣子的数据， 设计了单片机的串行通讯接 口。最后对样机进行了模拟运输实验，实验证明样机运行可靠。 本课题的研究首次将存储测试技术应用于运输包装领域， 对于像印刷 设备等价值较高的产品脆值的取得和改善运输管理具有一定的应用价值。 关键词：运输包装，存储测试， 单片机，传感器 本研究得到陕西省教委专项科研基金（项目号：0 3 J K 1 6 4 ）的资助 A b s t r a c t S U B J E C T : B l a c k B o x o f T r a n s p o r t P a c k a g i n g A p p l y i n g t o P r i n t i n g E q u i p m e n t S P E C I A L T Y ：P r i n t i n g E n g i n e e r i n g A U T H O R : Z h a o Q i n g h a i ( S i g n a t u r e : ) I N S T R U C T O R : P r o f e s s o r . C h e n g G a n g h u ( S i g n a t u r e : ) Abstract I n C h i n a , t h e l o s s c a u s e d b y d a m a g e d p a c k a g e i s a b o u t 1 4 b i l l i o n Y u a n p e r y e a r . I n o r d e r t o p r e v e n t d a m a g e o f p a c k a g e , t h e d e s i g n o f p a c k a g i n g a n d m a n a g e m e n t t r a n s p o r t a t i o n m u s t b e i m p r o v e d . T o m e e t t h e s e r e q u i r e m e n t s , t h e B l a c k B o x u s e d f o r i n s p e c t i n g p a c k a g e d u r i n g t r a n s p o r t a t i o n , b a s e d o n s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r a n d d a t e c o l l e c t s y s t e m a r e d e s i g n e d c a n b e a d o p t e d t o c o m p l e m e n t d a t a a c q u i s i t i o n o f t e m p e r a t u r e , h u m i d i t y a n d a c c e l e r a t i o n a n d s i m u l t a n e o u s l y t o p u t t h e t i m e a n d t h e d a t a i n t o m e m o r i e s . T h r o u g h a c c e s s i n g t o d a t a i n B a c k B o x , t h e r e a s o n o f d a m a g e c a n b e a n a l y z e d , d e s i g n o f p a c k a g i n g c a n b e p r o v e d a n d t h e m a n a g e m e n t o f t r a n s p o r t a t i o n c a n b e i m p r o v e d . T h r o u g h t h e B l a c k B o x , s u c h a s a c c e l e r a t i o n , t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y d u r i n g t r a n s p o r t a t i o n t h e d a t a o f p a c k a g e h a s b e e n i n s p e c t e d a n d w r i t t e n i n m e m o r y ; t h e r e a s o n o f t h e d a t a f r o m B a c k B o x i s g a i n e d b y a n a l y z i n g t o i m p r o v e t h e p a c k a g e d e s i g n . A n a l y z i n g t h e k e y f a c t o r s , t h e a c c e l e r a t i o n , t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y s e n s o r s a r e d e t e r m i n e d ; t h e t r a n s p o r t a t i o n p a c k a g e i s d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d u s i n g s i n g l e c h i p a n d m e m o r y . T h e s i n g l e c h i p i s p r o g r a m m e d u s i n g C a n d t h e s o f t w a r e o f V B i s d e v e l o p e d o n M C . T h e s i n g l e c h i p s e r i a l i n t e r f a c e i s a l s o d e s i g n e d . F i n a l l y , t h e s i m u l a t e d e x p e r i m e n t i s m a d e . T h e c r e d i b i l i t y o f B a c k B o x i s p r o v e d . T h e p a p e r a p p l y m e m o r y t e s t t e c h n o l o g y t o t h e f i e l d o f t r a n s p o r t a t i o n p a c k a g e f o r t h e f i r s t t i m e . I t i s p r a c t i c a l t o d e t e r m i n e t h e p r o d u c t c r i t i c a l v a l u e o f p r i n t i n g e q u i p m e n t a n d t o i m p r o v e t r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n t . K e y w o r d s : t r a n s p o r t p a c k a g i n g ; t e s t i n g ; s i n g l e c h i p ; s e n s o r 前言 1 前言 1.1 研究背景及其意义 1.1.1 问题的提出 据不完全统计，全国商品流通过程中由于包装不善造成的经济损失， 每年约为 1 4 0 亿元 1 ， 而其中由于运输包装系统设计不当和管理紊乱造成的 损失占大部分。运输包装主要研究在流通过程中引起包装件损坏的各种危 害，研究造成这些危害的多种因素和将损坏减少到最低程度所采用的技术 或管理手段。引起包装件在流通过程中损坏的主要因素是 1 ： （1 ）包装件在流通过程中的装卸、运输、仓储等多个环节中，受到诸 多环境因素的影响，但因装卸运输路线、工具、地域条件、仓储设备的不 同，各种环境负荷有很大的随机性，较难预测和模拟。 （2 ）内包装物自身 的特性。 （3 ）包装设计。 而产品包装的设计者由于缺少相应的影响包装件损坏的各种真实数 据，其设计很难保证合理、可靠，现在所采用的方法主要通过计算机的模 拟 4 以及在包装动力学基础上建立所谓缓冲包装五步法 1 （确定环境、确定 产品的脆值、选用适当的缓冲垫、设计与制造原型包装、实验原型包装） 或六步法 1 （定义运输环境、产品脆值估计、产品重新设计、缓冲材料计算、 设计包装系统、试验包装系统原型） ，但是这种方法的每一步骤都存在保守 设计因素。 在产品/ 包装件定型之前，进行性能测试是必不可少的。目前所采用的 方法是通过实验室模拟真实运输环境。中国包装科研测试中心、五九所、 铁道部标准化研究所、外贸包装研究所等单位在这方面有完整的测试手段 并且作了大量的工作。但由于真实环境有很大的随机性，较难预测和模拟。 西安理工大学硕士学位论文 故实验室模拟真实运输环境代替不了真实运输环境。对于那些低价值的产 品可以通过跌落试验确定产品的脆值数据，从而利用产品的脆值设计产品 的包装；然而，对于像印刷设备等价值较高的产品，通过跌落试验确定产 品的脆值本身要损坏产品，因而是不可取的，对高价值产品的包装设计现 仍采用“五步法”或“六步法” 。 前已指出，由于包装件在运输、储存等过程中的随机性，其过程很难 模拟，因此研制一种在包装件流通过程中现场测试与记录装置运输包 装黑匣子， 通过它来测试包装件流通过程中的各种数据，对原包装设计方 案进行修改，使包装件及容器的结构、强度、内部缓冲衬垫、集装方式等 更趋合理，确保产品流通的可靠性，防止过度包装造成的浪费；同时监测 运输企业是否按操作规程进行装卸，给运输企业的管理者提交真实数据， 改善管理，同时为厂商提供产品运输过程中的数据，看是否是由于运输企 业管理不善造成产品的损坏，从而向运输企业提出索赔，挽回经济损失。 为了监测包装件因装卸（冲击振动） 、运输路线、工具（随机振动） 、地域 条件、仓储设备（温度、湿度）等随机因素造成的损害，可通过测试包装 件在流通过程中的加速度、温度、湿度三种物理量来实现。 1.1.2 解决问题的思路及课题的主要研究内容 本研究思路拟采用同M C S - 5 1 系列单片机相兼容的L P C 7 6 8 为核心芯片, 自动采集湿度、温度、加速度三个参数, 将所采参数用 P C F 8 5 6 3 时间控制器 产生的时间信号控制存入 E P R O M存储器 A t 2 4 C 1 0 2 4中，构成运输包装黑匣 子。待产品的包装件打开时, 取回运输包装黑匣子, 通过 U S B接口连接到微 型计算机上, 微型计算机与黑匣子进行通讯, 取出以时间为基准的三个参数 数据, 微型计算机通过软件输出三个参数随时间变化的曲线。 本研究内容是： 第一，在对流通环境进行分析的基础之上，研制应用于印刷设备流通 真实环境中使用的运输包装监测仪器一台，设计以单片机为核心的数据采 集系统，对温度传感器进行合理的选择以测试印刷设备包装件运输和贮存 前言 的温度，对加速度传感器进行选择，以测试印刷设备包装件在运输过程中 受到的各种冲击、振动，对湿度传感器进行选择，以测定印刷设备包装件 在运输和储存过程中是否受到雨淋等。选用低功耗大存储量元器件对存储 器进行设计，以保证该仪器的测试时间和数据存储量，设计单片机和 P C 机 的接口，编制单片机和 P C 机的通讯软件，以用于存储测试参数和读取测试 数据，构成运输包装监测仪器，放置在产品的包装内用来采集数据。 其主要技术指标如下： 1 仪器尺寸：1 0 0 1 0 0 1 0 0 m m 3 2 数据存储量： 1 M b i t 3 适应温度范围： - 4 0 + 8 5 4 最大加速度： 5 0 g 5 湿度范围： 相对湿度 6 0 9 6 % R H 6 采样时间间隔： 可设定 第二，编制 PC 机应用软件以读取测试数据，和对测试数据的分析。最 后形成完整的测试系统。 第三，该系统设计完成后，进行模拟试验，用来检验所涉及的仪器是 否符合印刷设备包装件运输和贮存的要求。 1.1.3 现状 1 9 9 9年由美国 5个大的跨国公司组成了一个联盟，来共同对付他们所 面临的问题：运往中国及在中国国内运输的产品，一直又无法忍受的高破 损率。于是，采用真实模拟试验方案开展了“中国项目” ，做了大量的静态 和动态测量，至此之后这五个公司根据数据改进了其包装设计，减少了破 损，但没有公布其测试数据 2 。我国目前尚未开展这样的研究。 目前，建立在单片微型计算机和微电子技术基础上的存储测试技术 3 已广泛地应用于兵器测试、石油测井等领域，其核心是将微测试系统直接 放入被测体内，直接测试被测体在工作过程中的各种主要参数变化，将数 据存储起来。将存储的数据通过计算机接口读出，从而得到被测参数随时 西安理工大学硕士学位论文 间变化的曲线。M E M S传感器技术近年得到了长足的发展，各种传感器的体 积不断减小，性能逐步提高，M E M S传感器可以实现传统产品更新换代，同 时也为存储测试技术插上翅膀，拓宽了其应用领域。 印刷设备属于较高价值的产品。通过对国内最大的印刷机制造企业北 人股份公司的调查，长期以来其产品的包装设计依靠经验，没有印刷设备 的脆值数据，其原因在于印刷设备没有进行包装动力学的测试。当然也不 可能将价值较高的印刷设备进行跌落试验，否则损失太大。 1.1.4 意义 从包装动力学的角度来看，包装件和运输工具构成一个系统，运输的 线路成为激励。对于铁路运输而言，火车驶过钢轨接缝时受到冲击，这对 系统是一种周期性激励，它引发系统周期性强迫振动；对于公路运输而言， 由于路面起伏，车速等因素对系统造成的激励是一种随机激励，使系统受 到随机强迫振动。而对于包装件本身而言，在装卸过程中，都有可能因人 为或偶发因素使包装件自由跌落，此时包装件受到的是冲击激励。上述三 种情况说明包装件受到的激励是复杂激励，在复杂激励下，如包装不适将 使产品受到损坏。在包装设计上重要的参数产品脆值也可以通过本项目的 研究得到。 通过运输包装黑匣子在的印刷设备运输包装中的运用，可在大量运输 过程中，监测印刷设备所承受的加速度变化，一旦发生损坏，就可以知道 是在多大加速度冲击情况下发生的，从而根据破损是的加速度值确定印刷 设备的脆值，为印刷设备的包装设计提供可靠的数据。 本课题的研究、发展和推广，将较大程度地提高我国运输包装的设计 水平和设计效率，减少各类商品在流通过程中的损失。同时在解决包装流 通纠纷，进行包装事故责任仲裁上亦有重要作用。每年 1 4 0亿元的损失若 能通过本项目的研究和推广减少三分之一，也是十分有益的。因此本研究 具有广泛的应用前景。 1 . 2课题来源 前言 由于我国目前尚未开展这样的研究，作者向申请了陕西省教委申请了 专项科研基金并获得了批准其项目号为 0 3 J K 1 6 4 。 西安理工大学硕士学位论文 2 被测信号的分析 这里所指的被测信号，就是运输包装黑匣子所要测试的加速度、温 度和湿度信号。一个包装件在流通过程中的运输、装卸、仓储等多个环节 中可能受到什么样的加速度、温度和湿度？他们的值为多大，多快？对被 测信号的分析正是后边所有工作的前提。 2.1 包装件在流通环境受到的冲击 2.1.1 包装件在装卸时受到的冲击 包装件在装卸时依靠人工或者机械，无论人工和机械，都有可能因为 人为的因素或者偶然的因素使包装件自由跌落。此时包装件与地面发生 碰撞产生冲击，那么这种情况下包装件所受到的冲击加速度为多大呢？ 对于人工装卸而言，最常见的是货物从人肩上或手中跌落。冲击加 速度的值取决于跌落的高度和重量。有些行业经过统计归纳，冲击加速 度同包装件的重量有下列关系 4 ： 高冲击值： 704. 0 801 =WGH 式 2 - 1 中冲击值： 306. 0 203 =WGM 式 2 - 2 低冲击值： 100. 0 2 . 53 =WGL 式 2 - 3 式中：G 为冲击加速度；W 为包装件重量。 据测定 1 ，人工装卸时的跌落加速度通常在 1 0 g左右（g为重力加速 度） ，最高达 1 0 0 g 。 对于机械装卸而言，起重机垂直起吊包装件和垂直下落时会产生很 大的加速度；铲车垂直托举货物，也会产生冲击。表 2 - 1 、2 - 2 列出了起 重机作业和铲车作业时产生冲击加速度的统计值。 2.2.2 包装件在运输过程中受到的冲击 A 公路运输 被测信号的分析 表 2- 1 起重机作业冲击加速度 作业内容 冲击加速度（g ） 吊钩速度（m / m i n ） 起吊上升 0 . 1 0 . 1 5 1 0 1 3 下降时紧急制动 0 . 9 1 . 2 正常着地 0 . 5 1 . 4 9 1 3 快速着地 1 . 0 7 . 5 （离地 1 0 9 0 c m ） 表 2- 2 铲车作业冲击加速度 加速度（g） 作业内容 垂直方向 左右方向 前后方向 上升起动时 1. 7 下降起动时 0. 2 0. 3 下降结束时 0. 41. 0 0. 10. 2 0. 40. 8 公路运输所造成的冲击主要由路面状态、车辆的起动和制动、货物重 量等引所决定。在各种情况下汽车运输对货物造成的冲击值见表 2- 3。 表 2 - 3 公路运输时所产生的冲击 最大加速度（g） 运行情况 上下 左右 前后 0.20 . 9 0.10 . 2 0.10 . 2 运行中 304 0 k m / h 铺修路 非铺修路 13 0.41 . 0 0.51 . 5 越过 2cm 高障碍 1.62 . 5 1.02 . 4 1 . 1 2 . 3 以 354 0 k m / h 车速刹车 0 . 2 0 . 7 0 . 6 0 . 7 以 506 0 k m / h 车速刹车 0 . 2 0 . 3 0 . 7 0 . 8 B 火车运输 火车运输所造成的冲击因素主要两种。一是火车运行通过铁轨接缝时 产生的垂直冲击，冲击次数时 801 2 0 次/分钟，加速度为 1g；另一种是车 辆编组连挂作业时产生的水平冲击，连挂作业时速为 14.5km/h时，加速度 西安理工大学硕士学位论文 加 速 度 g 图 2- 1 汽车运输的振动特性 f(Hz) 为 18g。 C 飞机运输 飞机运输的冲击主要发生在起降过程。 一般为 12g 左右， 最大 14g， 作用时间 50ms。 2.2 包装件在流通环境受到的振动 影响包装件振动的因素来自于运输工具种类、运输环境状况、包装结 构形式、装载重量等方面。 2.2.1汽车运输 汽车运输振动加速度的大小与路面状况、行驶速度、车型和载重量 有关。但主要因素为公路的起伏和不平度。图 2- 1 为汽车运输的振动特 性。 2.2.2火车运输 火车驶过钢轨接缝时车轮受到冲击，这对装在火车上的包装件来说 相当于受到一种周期性的激励，因而产生了振动加速度。图 2- 2 为火车 运输的振动特性。 被测信号的分析 2.2.3飞机运输 空运时飞机的振 动主要取决于飞机发 动机的振动，主要取 决于飞机发动机的振 动，表现出单振动、 高频激励的特点。图 2- 3 为飞机运输的振 动特性。 2.2.4货船运输 图 2- 4 为货船运 输的振动特性。 2.3 包装件流通环境的温度、湿度 资料表明 4 ，包装件在流通过程中温度的变化范围为- 6870, 但出 现- 4 0 以下的情况非常少见；包装件在流通过程中湿度的最大值为 96%RH。 加 速 度 g 图 2- 2 火车运输的振动特性 加 速 度 g 图 2- 3 飞机运输的振动特性 西安理工大学硕士学位论文 2.4 小结 通过以上的分析，我们可以认为，包装件在流通过程中受到的加速度、 温度、湿度的范围为： 加速度：上限 100g 温度范围： - 6870 湿度：上限 96%RH。 对于包装件在流通过 程中受到的温度和湿度而 言，他们随时间的变化是 缓慢的，对选用的温度、 湿度传感器的时间常数 可以不做要求。 对于包装件在流通过程中受到的加速度而言， 在选用传感器时不但要考 虑其测量范围，还要考虑其动态响应时间。 综合前面的数据，对温度传感器测量范围应该在- 4070；湿度传感 器的测量的上限为 96%RH；加速度传感器的量程上限不低于 20g，上限 频率 1kHz。 f(Hz) 图 2- 4 货船运输的振动特性 运输包装黑匣子的硬件实现 3 运输包装黑匣子的硬件实现 通过前面对被测信号的分析和包装件实际的流通状态，总体上运输包 装黑匣子必须采用电池供电并且能长期有效地进行数据的采集和存储。这 样其关键是如何使运输包装黑匣子本身的功耗最小，只有做到最小才能在 电池有限的能量供给状态下工作最长的时间，也才使运输包装黑匣子的使 用效率最佳。即依靠低功耗器件的合理使用，尽最大的努力使相应的电路 设计达到最低功耗。这样在元器件的选择和硬件电路的设计上就受到了相 当大的限制。 3 . 1 传感器的选择 3.1.1 加速度传感器 目前，加速度传感器正向微型化、集成化的方向发展。最近问世的单片 加速度传感器，内含加速度传感器和信号调理电路。单片加速度传感器的 典型产品有美国 A D I公司生产的 A D X L 0 5 、A D X L 2 0 2 、A D X L 2 1 0和 A D X L 5 0 ， 还有美国 M o t o r o l a 公司生产的 M M A 1 2 0 0 D 、M M A 1 2 0 1 P 和 M M A 1 2 2 0 D 。这种单 片传感器正好符合本项目的需求。因此选用了西安中星卫星测控有限公司 生产的以 A D X L 5 0 和 A D X L 2 0 2 为核心芯片的 C S _ L A S I 加速度传感器。 A 加速度传感器的原理 下面就以 A D X L 5 0 为例，介绍单片加速度传感器的原理。 a A D X L 5 0 型单片加速度传感器的性能特点 （1 ） 在 A D X L 5 0 芯片中集成了一个完整的加速度测量系统，内部包含用 单晶硅制成的加速度敏感元件和信号调理电器。 （2 ）它属于力平衡式加速度传感器，测量加速度时满量程为1 g 5 0 g （1 g 9 . 8 m / s 2 ） ，具体量程可通过外围元件来设定。传感器的谐振频率 西安理工大学硕士学位论文 图 3- 1 加速度传感器原理及管脚图 图 3- 2 传感器部件图 为 1 k H z 。 （3 ）过载能力强，在通电时可以承受 5 0 0 g 的加速度冲击, 不加电时可 以承受 2 0 0 0 g 的加速度冲击而不致损坏。 （4 ）外围电路简单，测加速度时通常只需接 3 只电容和 3 只电阻。输 出的电压信号可直接送至数字电压表进行 A / D转换及数字显示，亦可配单 片机系统作数据处理。 （5 ）利用重力加速度可以校准传感器的极性。芯片还具有自检 （s e l f - t e s t ）功能，可检测传感器或外围元件是否发生故障。 （6 ） 电源电压范围是4 . 7 5 5 . 2 5 V ，典型值为 5 V ，工作电流 约为 8 m A 。 工作范围是- 4 0 8 5 。 b A D X L 5 0型单片加速度传感器 的工作原理 A D X L 5 0是一个完整的加速 度测量系统, 他将一个传感器部 件和完成加速度测量有关的电 路, 包括振荡器、解调器、前置 运输包装黑匣子的硬件实现 放大器、缓冲放大器、参考电源及温度补偿电路等, 全部集成在一片硅晶片 上。芯片封装在如图 3 - 1 ( b ) 所示的 1 0 脚 T O 1 0 0 管壳内。这 1 0 脚的定义如 下: 为 5 V 电源; ，为外接解调器电容; 为振荡器去藕电容; 为公共端; 为 3 . 4 V 参考电源输出; 为自检数字信号输入; 为前置放大器输出; 为缓冲放大器输出; 为缓冲放大器反相输入。 图 3 - 1 ( a ) 为加速度传感器的原理框图。图中的传感器部件是整个器件的关 键部件, 其原理如图 3 - 2 所示。 图 3 - 2 中只绘出了传感器部件的一个电容单 元, 他由 1片中心片和相互独立的 2片固定片组成, 2片固定片等距排列在 中心片的两侧。实际的传感器部件包括一组共 4 2片中心片, 这些中心片固 定在一个中心臂上, 中心臂可带着 4 2片中心片沿图中水平方向移动。每片 中心片和其两侧的 2 片固定片构成一对电容 C s 1 和 C s 2 , C s 1 和 C s 2 在电路 上相互串联, 构成一个电容分压器, 分压器的中点即为可移动的中心片。加 速度传感器中的振荡器( 见图 3 - 1 ( a ) ) 在通电时产生一对幅度相等, 相位相 反的 1 M H z 方波信号。这一对方波信号加在中心片侧不同的固定片上。无加 速度时, 中心片处于两固定片的中央, 此时C s 1 = C s 2 , 因此在电容分压器的中 点即中心片上的电压为 0 。当传感器作加速运动时, 由于惯性, 中心臂带着 中心片相对于固定片向着与加速度相反的方向运动, 此时C s 1 与C s 2 不相等 ( 见图3 - 2 ) , 这就在中心片上产生一个电压信号, 此信号经解调器处理, 再经 前置放大器放大, 在前置放大器的输出端就得到一个与加速度成正比的电 压信号 V P R 并接到 A D X L 5 0 的第 8 脚上。 西安理工大学硕士学位论文 图 3- 3 ADXL50 常用电路 c A D X L 5 0 的基本测量电路 用 A D X L 5 0 构成的基本测量电路如图 3 - 1 ( a ) 所示。 其中使用了 3 个外接 电容和 3 个外接电阻。 C 1 为解调器电容, 用以决定测量系统的带宽, C 2 为振 荡器去藕电容, C 3 为电源去藕电容。 C 1 , C 2 的容量一般选用 0 . 0 2 2 F , C 3 一 般为 0 . 1 F 即可。A D X L 5 0 在出厂前, 厂家已将其前置放大器后的测量灵敏 度调为 1 9 m V / g , 其 0 g时的输出电压 V P R 为 1 . 8 V 。因此, 若加速度为5 0 g , 则V P R = 1 . 8 0 . 9 5 V ,若 加速度为 2 0 g ,则 V P R = 1 . 8 0 . 3 8 V 。由于 在 V P R上的 信号不标准 化, 不适于直 接读取进行 显示或进行 数字化处理。 另外, A D X L 5 0前置放大器的注入电流最大只能有 2 5 A , 驱动能力很小, 因 此, V P R 上的信号要作进一步处理, 才能满足需要。一般外接几个电阻, 与缓 冲放大器构成一个放大环节, 以调整传感器的V P R 的0 g 电位, 并提高输出信 号的灵敏度。经缓冲放大后的加速度信号, 其变化范围最好处于 0 . 5 4 . 5 V 之间, 使之距电源的高低两端都有一定的余量。若加速度正、负两方向的变 化幅度相近, 就可将 0 g电位调在 2 . 5 V左右。这样, 正、负加速度信号在传 感器输出口 V o u t 上就有2 V 的变化范围。 设待测加速度的范围为5 0 g , 则 V P R = 1 . 8 0 . 9 5 V , 欲使 V o u t = 2 . 5 2 . 0 V , 就需将信号中的交流分量放大。由图 3 - 1 ( a ) 可知, 缓冲放大器的放大 运输包装黑匣子的硬件实现 系数为- R 3 / R 1 , 所以, 取 R 1 = 5 0 k , 即可确定 R 3 = 1 0 5 k 。R 3 / R 1 = V o u t变化 量/ V P R变化量= 2 . 0 / 0 . 9 5 = 2 . 1 0在图 3 - 1 ( a ) 中, R 2的一端接地, 为使 0 g时 V o u t = 2 . 5 V , R 2 应满足下面的条件: R 2 = ( 1 . 8 V R 3 ) / ( V o u t - 1 . 8 V ) = 2 7 0 k ( 1 ) 图 3 - 3为一个更常用的电路。其中使用了 A D X L 5 0片内提供的 3 . 4 V参 考电压, 增加了一个电位器 R t 。这时的 V o u t 由下式确定: V o u t = R 3 / R 1 ( 1 . 8 V - V P R ) + R 3 / R 2 ( 1 . 8 V - V x ) + 1 . 8 V ( 2 ) 可以看出, V o u t 的 0 g 电压可在更大的范围内调 B C S _ L A S I 加速度传感器的技术参数 C S _ L A S I 加速度传感器的技术参数如表 3 - 1 所示。 表 3 - 1 C S _ L A S I 加速度传感器的技术参数表 核心芯片 量程 ( g ) 输出形式 输出灵敏 度( m V / g ) 分辨力 ( g ) 非线性度 ( F S ) 带宽 ( K H z ) 工作温度 ( ) 重量 ( k g ) A D X L 5 0 5 0 模拟 3 8 0 . 0 0 5 0 . 2 1 - 4 0 8 5 0 . 0 4 A D X L 2 0 2 2 模拟 3 1 2 0 . 0 1 0 . 2 5 - 4 0 8 5 0 . 0 4 注：1 g 9 . 8 m / s 2 3 . 1 . 2 温度传感器 温度传感器选用的是 L M 3 5 D 精密集成电路温度传感器，其输出的电压 线性地与摄氏温度成正比。因此，L M 3 5 比按绝对温标校准的线性温度传感 器优越感得多。L M 3 5 系列传感器生产制作时已经过校准，输出电压与摄氏 温度一一对应，使用极为方便。灵敏度为 1 0 . 0 m V / ，精度在 0 . 4 至 0 . 8 ( - 5 5 至+ 1 5 0 温度范围内) , 重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部 精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工 作。 A 特性： a 在摄氏温度下直接校准 b + 1 0 . 0 m V / 的线性刻度系数 c 确保 0 . 5 的精度( 在 2 5 ) 西安理工大学硕士学位论文 d 额定温度范围为- 5 5 至+ 1 5 0 e 适合于远程应用 f 工作电压范围宽, 4 V 至 3 0 V g 低功耗, 小于 6 0 u A h 在静止空气中, 自热效应低, 小于 0 . 0 8 的自热 I 非线性仅为1 / 4 J 输出阻抗，通过 1 m A 电流时仅为 0 . 1 B 应用电路 由于运输包装黑匣子 是电池供电，仅有单电源， 在测- 5 5 至+ 1 5 0 时采用 了图 3 - 4 所示电路。 3 . 1 . 3 湿度传感器 湿度, 即大气中含有水汽的多少。它对人们的生活和工农业生产, 以及 动植物的生长与生存, 有着密切的关系。 目前, 湿度传感器品种繁多, 但就其所使用的感湿材料而言, 主要有电 解质和高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料、以及元素半导体和多孔 金属氧化物半导体材料等。电解质湿度传感器具有测量范围窄、可重复性 差、使用寿命短等缺点。高分子化合物湿度传感器具有感湿性能好、灵敏 度高等优点; 以及在高温和高湿条件下性能变差、稳定性差、抗腐蚀和抗沾 污能力差等缺点。半导体陶瓷材料湿度传感器具有感湿性能较好、生产简 单、成本低、响应时间较短、可加热清洗等优点; 以及精确测量较难、高温 下性能差、难以集成化等缺点。多孔氧化物湿度传感器具有响应速度快、 化学稳定性好、承受高温和低温能力强、可集成化等优点。湿度传感器需 图 3- 4 管脚及应用电路图 运输包装黑匣子的硬件实现 要和测量电路配合工作。湿度传感器和测量电路通过目前相当成熟的 C M O S 工艺已集成到同一芯片上。为此，本项目采用了基于硅 M O S 型 A l2O3单片集 成湿度传感器 H I H 3 6 1 0 。 A H I H 3 6 1 0 湿度传感器原理 湿度传感器工作原理：湿度传感器的感湿介质由于外界环境的相对湿 度变化吸附、脱附空气中的水汽分子，使得感湿介质的介电常数发生变化， 引起湿度传感器的电容值改变，相对湿度与敏感电容之间存在确定关系。 环境相对湿度升高时湿度传感器电容值增加，相对湿度降低时电容值相应 减少。湿度传感器输出端连接外围电路敏感电容值经过接口电路将其转化 为可测电压。 所示。铝电极板分别由 2 1 根宽 3 、长 4 0 0 的条形铝电极组成 的梳状结构, 相邻的极板间距为4 。 加热多晶硅采用梳状并联型结构, 利于均匀加热, 每根多晶硅条长度为 4 5 0 、宽 3 , 1 4 根多晶硅条分 别并联在一起, 然后串联, 总电阻为 1 . 5 左右。二氧化硅是硅衬底上的 绝缘层, 厚度为 1 0 0 , 铝电极之间的二氧化硅被刻去一部分。考虑工艺 实现中的偏差, 二氧化硅的宽度比 铝电极多出 1 , 铝电极间二氧 化硅宽为 4 。 氮化硅厚度为 3 0 0 , 用以防止铝电极被聚酰亚胺 吸附的水汽腐蚀, 聚酰亚胺的厚度 约为 1 。 该结构具有以下优点: ( 1 ) 采 用铝电极梳状并联结构增加敏感电 容; ( 2 ) 将衬底接地消除外界干 扰; ( 3 ) 淀积氮化硅有效防止因为聚 酰亚胺吸水而腐蚀铝电极; ( 4 ) 利用 梳状并联多晶硅作为加热电路, 加 图 3 - 5 湿度传感器结构简图 西安理工大学硕士学位论文 热均匀, 有效去除湿度传感器表面可挥发性杂质, 缩短湿度传感器的脱附时 间; ( 5 ) 将铝电极之间二氧化硅层刻去而填充聚酰亚胺, 减少铝电极与二氧 化硅层间的边缘效用, 提高线性度, 减少寄生电容; ( 6 ) 利用聚酰亚胺作为感 湿介质, 它具有灵敏度高, 线性度、滞回特性好, 长期可靠等优点。? B H I H 3 6 1 0 湿度传感器主要性能 精度：2 % R H ，极好的线形输出 量程：1 9 9 % R H ， 工作温度范围： 4 0 1 0 0 湿度输出受温度影响小，常温使用无须温度补偿 响应时间 5 秒 ，浸水或结露后 1 0 秒钟迅速恢复 抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体物质 长期稳定性及可靠性，年漂移量 0 . 5 % R H / 年 电容与湿度变化 0 . 3 4 p f / % R H ，典型值 1 8 0 p f 5 5 % R H 图 3- 6 输出电压与相对湿度的关系 运输包装黑匣子的硬件实现 3 . 2 主要芯片的选用 3 . 2 . 1 单片机 单片机是运输包装黑匣子的核心芯片，完成运输包装黑匣子的控制和 协调其它器件的工作。本项目选用的是 P H I L I P S半导体公司推出的 P 8 7 L P C 7 6 9 。 A P 8 7 L P C 7 6 9 的引脚排列及主要特性 P 8 7 L P C 7 6 9是 P H I L I P S半导体公司推出的 O T P系列单片机, 它采用 2 0 脚封装, 可提供高速和低速的晶振和 R C振荡方式, 也可以通过软件编程选 择时钟。 该单片机具有较宽的操作电压范围, 可通过控制寄存器编程来选择 I / O 口的输出模式, 内含数字看门狗电路和I 2 C 总线, 其内部的二个模拟比较 器可组成8 位A / D 及D / A 转换器, 同时具有上电复位检测和欠压复位检测功 能, 其 I / O口的驱动电流可 达到 2 0 m A 。 指令执行速度是标准 8 0 C 5 1的两倍, 温度范围为 - 4 0 + 8 5 , 该单片机本身 的电磁兼容性极好, 并继承 了 P H I L I P S半导体的低功 耗特性以及不可破译性等 特 性 。 图 所 示 为 P 8 7 L P C 7 6 9单片机的引脚 图。该芯片的主要特点如 下: 采用 2 0 脚 D I P 和 S O 封装, 可满足不同用户的需求； 时钟频率最大可达 2 0 M H Z , 除乘法和除法指令外, 其加速执行时间可 提高到 3 0 0 6 0 0 n S 。 内含通道多路 8 位 A / D 转换器, 在振荡频率 fo s c为 2 0 M H Z 时，转换 时间只有 9 . 3 S 。 具有极宽的电压适用范围。 在用于数字功能时, 其操作电压的变化范 围为 2 . 7 6 . 0 V 。 图 3 - 7 P 8 7 L P C 7 6 9 单片机引脚图 西安理工大学硕士学位论文 内含 4 K 字节 O T P 程序存储器和 1 2 8 字节的 R A M 。另有 3 2 B 的用户代 码区，可用来存放序列码及设置参数。 内含 2个 1 6位的定时计数器, 每一个定时器都可设置为溢出时触 发相应端口输出方式。其内部含有 2 个模拟比较器。 带有全双工通用异步接收发送( U A R T ) 及 I 2 C 通信接口, 并具有 2 个 外部中断输入和 8 个键盘中断输入以及 4 个中断优先级。 具有内部数字看门狗电路, 看门狗定时器利用片内独立振荡器工作。 由于不需要外接元器件, 因此可以用于振荡器的失效检测。 其看门狗溢出时 间有 8 种选择方式。 具有低电平和低电压两种复位方式。 在低电平复位时, 可通过片内上 电复位而不需要外接元件; 在低电压复位时, 可选择事先预设的两种电压之 一来复位, 并可在掉电时使系统安全关闭。此外, 也可将其设定为一个中断 源。 可编程 I / O口输出模式具有准双向口、开漏输出口、上拉和输入口 等模式, 并可通过施密特触发输入模式来控制口线输出转换速度以降低 E M I 。所有 I / O 口线均具有 2 0 m A 的驱动能力。 通过串行 E P R O M可在线编程, 并有 2 位 E P R O M安全码可防止程序被读 出。 具有低功耗功能, 当电压为 3 . 3 V , 频率为 2 0 K H Z 1 0 0 K H Z时的静态电 流只有 9 4 4 A 。并有空闲和掉电两种省电模式, 具有掉电唤醒功能。 B P 8 7 L P C 7 6 9 的主要功能 P 8 7 L P C 7 6 9 本身具有多种功能, 图 3 - 8 所示是该器件的逻辑符号图。 a增强型的 M C U 图 3 - 8 P 8 7 L P C 7 6 9逻辑符号 运输包装黑匣子的硬件实现 由于 P 8 7 L P C 7 6 9单片机采用 8 0 C 5 1加速处理结构, 运行速度是标准 8 0 C 5 1 的 2 倍, 这就意味着 P 8 7 L P C 7 6 9 在 1 0 M H Z 时的性能与标准的 8 0 C 5 1 采 用 2 0 M H Z 时的性能相同。 它的一个机器周期由 6 个振荡周期组成, 而大多数 指令执行时间为 6个或 1 2个振荡周期, 因此可通过内部寄存器选择为标准 8 0 C 5 1 M C U 时序来使一个机器周期变为 1 2 个振荡周期。 b可设定的模拟功能 P 8 7 L P C 7 6 9 内部集成有 1 个 A / D 转换器、 2 个模拟比较器和 2 个 D / A 转 换器, 因此, 在使用中, 为了提高性能和降低功耗, 可通过置位和清除内部寄 存器 P O T A D和 P X M 1 、P X M 2的相应位, 以使用于模拟功能管脚的数字信号输 入( D A C 输出脚除外) 和输出功能关闭。 c A / D 转换器 P 8 7 L P C 7 6 9 内部带有一个四通道的 8 位 A / D 转换器。四个 P 0 口可选择 为 A / D 转换的输入。其 A / D 转换的电源和参考电压与 M C U 共用 V c c 和 V s s 。 而 A / D 转换的最低工作在为 3 V , A / D 转换器的连结方法如图 3 - 9 所示。A / D 转换器包括一个 4 模拟多路开关选择器和一个 8 位逐次逼近 A D C 。 其中 A / D 还带有一个比率电位计以保证 D A C 的单调性。该 A / D 转换器可由特殊功能 寄存器 A D C O N