《传感器技术与应用》课件-项目12：智能传感器

传感器技术与应用14.1概述CONTANTS目录14.1概述0114.2单片智能温度传感器020214.3集成湿度传感器0314.4单片硅压力传感器0414.5集成磁敏传感器0514.1概述01集成化智能传感器-概述半导体技术和电子技术的进步推动了传感器技术的迅猛发展。目前，传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。集成化智能传感器-概述加速度传感器、压力传感器、温度传感器.液位传感器;还有高智能化的用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星定位等新型传感器据预测，目前智能传感器的市场销售量将以每年20%的速度增长，应用领域也越来越广泛，仅在汽车上使用的智能传感器就达几十种，如:单片集成传感器作为21世纪最具有影响力和发展前景的一项高科技产品，必然引起国内外相关领域的高度关注。智能传感器的基本特点智能传感器的最大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，一定意义上看具有类似人工智能的作用。1、智能传感器的功能智能传感器不仅可自动检测各种被测量，还具有自动调零、自动调节平衡、自动校准、自标定功能。智能传感器的主要功能与特点如下:智能传感器的基本特点2智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器的主要特点是:高精度、宽量程、多功能化、高可靠性、高性价比、自适应能力、微型化、微功耗、高信噪比等。智能传感器的发展智能传感器正朝着单片集成化、网络化、系统化、多功能、高精度、高可靠性的方向发展。其发展趋势主要表现在以下几个方面:计算机技术和微电子技术的进步推动了传感器技术发展，这种技术和生产力的转化使传感器的研究和制作有新的突破功能。1.新的半导体工艺智能传感器的发展单片系统的英文缩写为SOC(SystemOnChip)，可译为"系统级芯片"或"系统芯片”,其含义是将一个可灵活应用的系统集成在一个芯片上。2.单片传感器系统智能传感器的发展理想的智能微尘(SmartMicroDust)是一种具有电脑功能的超微型传感器。用肉眼看，它和一粒沙子差不多大，但是内部包含了从信息收集、信息处理到信息传输所必需的全部部件。目前智能微尘直径约为5mm。3.智能微尘传感器智能传感器的发展1-WIRE总线—单总线;USB——通用串行总线;SPl——三线串行总线;12C——二线串行总线;SMBus——系统和电源管理控制总线;CAN——系统控制总线;4.总线技术的标准化与规范化传感器的总线技术正逐步实现标准化、规范化。目前智能型传感器的总线主要有:智能传感器的发展所谓虚拟传感器有虚拟仪器的概念，就是基于软件系统开发和研制智能传感器。5.虚拟传感器和网络传感器智能传感器一般具有自检和自校准功能。利用传感器的自检模式，可以模拟各种条件下的不同状态，定期检查系统的性能。6.可靠性与安全性设计智能传感器的发展智能传感器的分类方法与模块一中传统传感器的分类方法基本相同，可按照传感器的物理量分类;传感器的工作原理分类;传感器的信号输出的性质分类。7.智能传感器的主要产品传感器技术与应用14.2单片智能温度传感器CONTANTS目录14.1概述0114.2单片智能温度传感器020214.3集成湿度传感器0314.4单片硅压力传感器0414.5集成磁敏传感器0514.2单片智能温度传感器01单片智能温度传感器目前，温度传感器正向着单片集成化、数字化、智能化、网络化和系统化的方向发展。实际应用中单片集成式温度传感器分为:数字集成温度传感器;模拟式集成温度传感器;智能温度传感器;通用智能温度控制器。工作原理、输出信号和使用方法上也有一定的差别。智能型温度传感器、温控器是将AD转换电路，ROM存储器集成在一个芯片上，广泛应用于自动控制系统。MAX6654DS18B20单片智能温度传感器基于1-WIRE总线的DS18B20DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。单线接口方式，可实现双向通讯;支持多点组网功能，多个18B20可并联在唯一的总线上实现多点测温；内部有唯一序列号;使用中不需要任何外围器件;测量结果以9位数字量方式串行传送;温度范围-55～+125°C;供电电压+3~+5.5V。DS18B20与其它温度传感器相比有以下特点:内部原理框图DS18B20内部电路框图主要包括7个部分:寄生电源、温度传感器、64位ROM与接口、便笺式RAM、高速暂存器、高温TH触发寄存器、低温TL触发寄存器，存储与控制逻辑，8位循环冗余校验码(CRC）发生器。低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号送计数器1;高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器2;计数器1和温度寄存器被预置在-55°℃对应的基数值;计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲进行减法计数;当计数器1预置减到0时，温度寄存器加1，计数器1预置重新装入计数器1重新对低温度系数振荡器计数;如此循环，直到计数器2计数到0时，停止对温度寄存器累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。高温度系数振荡器相当于T/f转换器，将被测温度转换成频率信号f;当门打开时对低温度系数振荡器计数;计数门的开启时间有高温度系数振荡器决定。省电方式连接利用一个CMOS管，把传感器的数据线接连接到电源的正，利用微机来控制CMOS管的导通与截止，即给数据线提供一个很强的上拉电压;使用这种方法时，必须把传感器第三引脚VDD接到电源的接地端;

不对E2ROM进行操作时，传感器处于省电状态。对E2ROM进行操作时，由导通的CMOS管通过数据线给传感器提供一个较大的王作电流,这个时间至少要维持10uS以上。使用这种方法，在对E2ROM进行操作时，不要求通过传感器的数据线来给传感器提供工作电流,因此可以在该IO线上连接其它的驱动。把传感器的数据线通过一个上拉电阻直接接到正电源的上，同时把第三引脚也连接到正电源上。18B20的耗电比较小，无须考虑省电状态，这种方法使用起来不但硬件电路比较简单，软件设计也较简单。在进行温度数据转换的时候，发出跳过内存命令和转换启动命令即可，需要注意的是在这种工作方式下，只要传感器的3脚上有正电压，传感器就处于工作状态。DS18B20使用到了单总线传输数据。单总线协议接口的元器件都属于从机，只有当主机发送复位脉冲且从机应答后才能对从机发送命令或读取数据。主机发送复位脉冲和从机应答脉冲如下所示。同样，读时序也是根据这套时序完成的。时序图如下所示：单总线数据采用串行传输，传输的每个字节数据是从高位开始传输，单总线协议中主机写数据时序如下图所示:ROM指令ReadROM(33h）读ROMMatchROM(55h)比较SkipROM(CCh)跳过ROMSearchROM(F0h)搜索、查找AlarmROM(ECh)报警专用指令WriteScratchpad[便签式](4Eh)写便签RAMReadScratchpad(BEh)读数据CopyScratchpad(48h)复制ConvertT(44h）启动转换RecallE2(B8h)搜索、调用ReadPowerSupply(B4h)读电源电压DS18B20内部自带5个ROM指令、6条专用指令:通过数据线，利用串行传输方式，先发出跳过ROM命令，再发出温度转换命令;温度传感器把采集到的温度经过转换后，以十六进制10H表示1℃存储于自带的存储器E2ROM中;后发出读数据指令，把温度传感器E2ROM中的数据读入单片机。在E2ROM中，当温度为负值时，以补码的形式表示。复位时，其值为+85℃。温度的低字节、温度的高字节分别装入两个单元。在查询阈值或设定阈值的时候不能进行温度采集，先判断是否在查询或设定阈值。这里就必须判断标志位，如果标志位为1，表示正在进行阈值查询或设定，跳过温度采集程序，否则执行温度采集程序。主要使用指令:SkipROM(CCh);跳过命令，ConvertT(44h);启动转换命令，ReadScratchpad(BEh);读数据命令。主程序单总线时序具体程序如下：uint8_tDS18B20_Check(void)｛

uint8tretry=0;

DS18B20I0

IN();

while(DS18B20_DQ_IN&&retry<200)｛

retry++;

Delay_us(1);

｝;if(retry>=200)return1;

elseretrv=0;

while(!D518B20_DQ_IN&&retry<24)｛

retry++;

Delay_us(1);

｝;if(retry>=240)return1;

return0;｝short

DS18B20_Get_Temp(void)｛

uint8_ttemp;

uint8_tTL,TH;

shorttem;

DS18B20_start();

DS18B20_Rst();

DS18B20Check();

DS18B20_Write_Byte(0xcc);

DS18B20_Write_Byte(0xbe);TL=DS18B20_Read_Byte();

TH=DS18B20_Read_ByteIF();if(TH>7)｛

TH=~TH;TL=~TL;temps=0;

｝elsetemp=1;

tem=TH;tem<<=8;tem+=TL;

tem=(float)tem*.625;//转换

if(temp)returntem;//返回值

elsereturn

-tem;

｝MAX6654是美国MAXIM公司生产的双通道智能温度传感器，可同时测量远程温度和本地温度（即芯片的环境温度)。MAX6654是"―种大规模集成器件"由12504只晶体管组成,器件模块包括PN结温度传感器、11位AD转换、多路转换器、控制逻辑、地址译码、SMBus串行总线接口。内部电路中有11个寄存器、2个数字比较器和漏极开路的输出级。有多种工作模式，可编程的温度上限\下限报警器功能。SMBus串行总线接口能与I2C总线兼容;总线上最多可接入9片MAX6654;时钟频率范围是0～100kHz。MAX6654典型应用电路如图。远程传感器VT采用2N3904型晶体管，将它粘贴在CPU芯片上。

C1为远程传感器消噪电容，R1和C2构成高频干扰滤波器。R2~R4为上拉电阻。单片机通过SMBus串行总线接口与MAX6654连接，同时为MAX6654提供时钟完成读/写操作。一旦CPU的温度越限，MAX6654的ALERT端输出低电平报警信号，使单片机产生中断，控制散热风扇，使CPU处于正常温度范围。传感器技术与应用14.3集成湿度传感器CONTANTS目录14.1概述0114.2单片智能温度传感器020214.3集成湿度传感器0314.4单片硅压力传感器0414.5集成磁敏传感器0514.3集成湿度传感器01近年来，国内外湿度传感器取得了长足的发展和进步，湿敏传感器从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发湿度/温度测控系统和提高测量技术水平提供了有利条件。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品有:Honeywell公司的HIH-36021HIH-36051HIH-3610型;Humirel公司的HM150O\HM1520NHTF32231HF3223型;瑞士Sensiron(森斯瑞)公司的SHT11\SHT15型。这些产品主要分为四种类型:1)线性电压输出式i;2)线性频率输出式;3)频率/温度输出式;4)单片智能化集成温/湿度传感器;HM1500/HM1520传感器内部包含一个由HS1101湿敏电容器构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能够输出与相对湿度呈线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70Q,适配带ADC的单片机。采用+5V电源供电，工作电流典型值为0.4mA，漏电流<300uA,工作温度范围是-30°℃~+60°C。HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围0～100%RH，输出电压+1V~+4V，相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度±3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为+0.1%RH/°C，响应时间10s。HM1500/HM1520结构特征RH(%)101520253035404550Uo/V1.3251.4651.6001.7351.8601.9902.1102.2352.360RH(%)556065707580859095Uo/V2.4802.6052.3702.8602.9903.1253.2603.4053.555元件尺寸为34mm(长)×22mm(宽)×9mm（高);3个引脚分别是:GND;Ucc(电源);Uo(电压输出);相对湿度在(10%~95%）RH范围内，TA=+23℃时，输出电压Uo与相对湿度RH的对应关系如下表:输出电压的计算公式为:HM1500/HM1520器件参数

由HM1500/1520型湿度传感器和单片机构成的智能湿度测量仪电路如图所示。该电路采用5V电源由4只共阴极LED数码管显示整数两位小数两位的湿度。电路中使用了美国微芯片(Microchip)公司生产的PIC16F874单片机，MC1413为达林顿管组成的反相驱动器阵列。

现利用PA0(亦称AIN0)口线接收湿度传感器的输出电压信号;PA1~PA4输出位扫描信号，经过MC1413获得反相后的位驱动信号。RB口中的RBO~RB6输出7段码信号，接LED显示器相应的笔段电极a~g。HM1500/HM1520典型应用HTF3223测量相对湿度的范围10%~95%RH，所对应的输出频率为9560~8030Hz，测量相对湿度的精度为+5%RH，温度系数为±1%RH/°C，相对湿度滞石重刀相刈湿度的±1.5%，响应时间的恢复时间均为10ns。呵应速度火，抗腐蚀性强，不怕水浸。采用+5V电源供电，工作电流为0.1mA（典型值)。HTF3223的集成电路外形结构图如下图所示，4个引出的端口分别为电源Ucc(+5V)频率输出端Fout、接地端GND、负温度系数热敏电阻引出端NTC。

HTF3223的集成电路主要包括四个部分:湿敏电容;由桥式振荡器、低通滤波器和放大器构成的信号调理器;NTC电阻;引出端口。其输出频率与相对湿度的响应曲线有线性关系。SHT10传感器内部包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，在器件的封装上与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

产品提供表面贴片LCC(无铅芯片）或4针单排引脚封装。每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP(一次性可编程)ROM内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中需要调用这些校准系数。1)电源引脚，SHT10电源供电电压为+2.4--V~+5.5V。电源引脚之间可增加-个10OnF的电容，用以去耦滤波。2)串行接口，SHT10的串行接口为两线双向，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理;3）串行时钟输入(SCK)，用于微处理器与SHT10之间的通讯同步;4）串行数据(DATA)，DATA三态门用于数据的读取。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如:10kQ）将信号提拉至高电平。传感器技术与应用14.4单片硅压力传感器CONTANTS目录14.1概述0114.2单片智能温度传感器020214.3集成湿度传感器0314.4单片硅压力传感器0414.5集成磁敏传感器0514.4单片硅压力传感器04单片硅压力传感器属于压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器与金属膜片式传感器测量原理相同，只是使用的材料和工艺不同，传感器利用集成电路工艺，构成应变电桥。有压力作用在膜片上，膜片上各点的应力分布与金属膜片式传感器相同,压阻式的灵敏度比金属应变片大50～100倍。普通压阻式压力传感器属于简单传感器，近年单片集成硅压力传感器进入市场，英文缩写为ISP(lntegratedSiliconPressure)单片集成硅压力传感器内部除传感器单元外，增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。输出端（Uo）公共地（GND）电源端（Us）NC引脚分布在器件的热塑壳内部有密封真空室，提供参考压力，当垂直方向受到压力P时，将检测压力P与真空压力PO相比较，输出电压正比于绝对压力。传感器输出电压与绝对压力在20～105kPa范围内成正比关系，超出压力范围后输出电压UO基本不随压力P变化。内部电路和结构框图内部电路和结构框图:包括压敏电阻传感器单元;经过激光修正的薄膜温度补偿器及第一级放大器;第二级放大器及模拟电压输出电路（基准电路、压力修正、电平偏移电路等）3个部分组成。其中+5V为US供电，C1、C2为退耦电容;LM3914驱动LED(bargraph）条状图形显示器，一片LM3914可驱动10点（10段)LED条图，配刻度尺，可根据发光段长度或位数确定被测压力大小。RP1可调节LM3914输入电压的大小，为零刻度调节电位器，当被测压力为零时，调节RP1可使LED显示器全部消隐。测量范围是0~100kPa，分辨力10kPa。由MPX5100和LM3914构成10段压力计电路:ST3000系列智能压力传感器是美国霍尼韦尔（(Honeywell)公司1983年推出的，并已实现商品化的智能传感器;它将差压、静压、温度等多参数传感信号与智能化的信号调理功能电路融为一体，打破了传感器与变送器的界限。ST3000变送器是带微处理器的智能变送器，具有优良的性能和出色的稳定性。它能测量气体和液体的压力及液位，将被测量的差压转换成模拟信号和数字信号。ST3000具有同时测量压差(△P)、静压(P）和温度(T）三个参数的独特性能,半导体复合传感器可实现对温度和静压特性的补偿。芯片中包含微处理器、存储器、A/D转换器、DIA转换器和数字I/O接口，协议通信具有两种输出形式，模拟信号标准输出4~20mADC，数字信号输出DE协议。可以提供HART协议通信，HART是HART通信基金会的登录商标。利用数字输出的双向通信，通过SFC便于调节传感器参数，如重新设定量程范围、自动调零、自行诊断等，ST3000特别适用于现场总线控制。电路结构主要包括9个部分:差压传感器;静压传感器;温度传感器;多路转换器（MUX)A/D转换器;微处理器(P)﹔存储器（ROMPROMRAME2PROM);D/A转换器;数字VO接口。整个传感器可视为两大部分，一部分是差压/静压温度传感器，另一部分是信号调理器，传感器通过现场通信接口与现场总线传输数据。被测压力通过硅膜片作用于硅压敏电阻上，使电阻值发生变化，从内部桥路上产生的输出电压与差压成正比。传感器芯片上两个辅助传感器分别检测静压力和环境温度，所产生的差压、静压、温度三路信号经多路开关接入A/D转换器，A/D输出送信号调理器。传感器技术与应用14.5集成磁敏传感器CONTANTS目录14.1概述0114.2单片智能温度传感器020214.3集成湿度传感器0314.4单片硅压力传感器0414.5集成磁敏传感器0514.5集成磁敏传感器04单片集成磁场传感器有着非常广泛的应用领域，它不仅可以测量磁场（如磁场强度、磁通密度)，还可以测量电量（如频率、相位)以及非电量测量（如振动、位移、位置、转速、转数、导磁产品的计数等)。单片集成磁场传感器是把磁敏电阻、霍尔元件以及信号调理电路集成在一个芯片上，使磁场传感器的性能、可靠性、稳定性、灵敏度以及实用性大大提高。下面主要介绍基于磁敏电阻的HMC系列单片集成磁场传感器和基于霍尔元件的AD22151线性输出式集成磁场传感器。SOIC-16封装12345678161514131211109AB12345678

（SIP-8）封装HMC系列是美国霍尼威尔(Honeywell）公司生产的单片集成化磁场传感器，简称MR(磁敏电阻）传感器。该系列有6种型号:其中HMC1001、1021D、1021S、1021Z为单轴磁场传感器HMC1002、1022属于双轴磁场传感器。单轴磁场和双轴磁场传感器配套使用，可构成3轴(X、Y、Z轴）磁场传感器，测量立体空间磁场。这种传感器体积小、灵敏度高、价格低，可用于地球磁场探测仪、导航系统、磁疗设备以及自动化装置中。传感器内部有4只半导体磁敏电阻（HMC1001典型值为850L2)个马EXMNU:=受到外部磁场作用时桥臂电阻会发生变化，使电桥输出一个差分电压信号;灵敏度:对磁场的敏感程度可达3nT;测量范围:可达±6×10-4THMC1001MR电桥

RRRRUBROUT+OUT-GND

OFFSET+OFFSET-S/R+S/R-补偿线圈

置位/复位线圈

YX以HMC1001为例，HMC1001内部电路框图包括:集成工艺制成的MR电桥;两个带绕式线圈;一个补偿线圈可等效于2.5Q的标称电阻;另一个是置位/复位线圈，等效1.5Q的标称电阻。当线圈上有电流通过时，所产生的磁场就耦合到MR电桥上。这两个线圈具有磁场信号调理功能。YX接入电源后，传感器能测量沿水平轴方向的环境磁场或外加磁场;外部磁场加到传感器时改变磁敏电阻的电阻值，产生变化率△R/R，使MR输出电压随外部磁场信号变化，配上数字电压表即可测量磁场。补偿线圈可实现下述功能:1)无检测磁场时，补偿线圈上有电流通过，就形成X轴方向的磁场(敏感方向)，利用这个磁场可以抵消环境磁场(地磁)的影响。因为补偿电流从-端流向+端时，补偿线圈产生一个与原磁场方向相反的磁场;25mA电流产生磁通5×10-5T使原