多功能传感器信号采集与数字化处理研究

摘要

温度湿度在人们生活和工农业生产和运输过程中起着非常重要的作用，温湿度信息的获取主要依赖于温度湿度传感器，传统的温湿度传感器体积相对较大，成本较高，而且需要人工读取，满足不了现代传感器数字化、智能化、网络化的要求。MEMS传感器是利用成熟的集成电路（IC）CMOS工艺结合MEMS后处理工艺制作的，它的体积小、成本低、性能稳定、已成为国内外研究的热点。 目前，实验室的MEMS温湿度传感器制作工艺已经比较成熟，但是传感器输出的电压较微弱，而且易受外界因素（如温度）的影响，本文研究的重点就是在硬件和软件上克服这些弱点，并在传感器芯片后加上传感器的控制电路和微弱信号检测电路，以及数据处理、通讯、显示等模块，使之成为数字化、智能化、网络化的温湿度传感器微系统。 本文所研究的温度传感器和湿度传感器都是通过对电阻阻值的检测来感应温度和湿度的变化，所以传感器的检测电路是以能精确测量电阻的惠斯通电桥配以电压放大电路。作为智能化传感器系统的核心——微控制器（MCU）选用Silicon Laboratories公司的C8051F350，它是一款增强型单片机，有8个I/O作为专用的模拟信号输入口，片内AD为24位，集成SNBus/12C，8KB flash存储器，能满足系统多功能，高精度，即时通讯，智能编程的需要。 系统软件部分以嵌入式程序和算法为主。嵌入式程序主要为系统提供必备的功能，如MCU的驱动、信号采样、通讯功能以及液晶显示等。而算法包括基于切比雪夫神经网络的非线性补偿算法和基于BP神经网络的温度补偿算法。非线性补偿算法和温度补偿算法分别用神经网络的思想来解决由传感器变化的物理量（电压）到得出环境温度和湿度值的飞跃。人工神经网络在数据处理、函数逼近以及建立模型方面体现出越来越强大的功能，并已在传感器算法领域得到了检验，切比雪夫神经网络非线性补偿算法利用切比雪夫多项式最佳一致逼近的特点，建立一个单输入三层网络，通过样本的学习，能有效逼近实际传输特性曲线，减少非线性误差影响。BP神经网络温度补偿算法则是建立一个双输入的三层网络，两个输入量分别是传感器输出电压以及干扰量温度值，通过样本的学习，完成对网络的训练，消除温度的影响，建立模型。 微系统的封装采用特别设计的管壳，保护微系统的同时能保证传感器对外界温度湿度的有效感应，整个温湿度传感器系统封装后只留有四个接口分别连接电源和通讯所需要的时钟信号和数据信号。 实验室对封装后的温湿度传感器微系统做了大量的测试工作，从测试结果来看，温湿度传感器系统性能表现良好，温度传感器在整个温度区间内分辨率都在1℃以内。湿度传感器的高湿与低湿部分的分辨率是5％RH以内，而在20％RH～60％RH的湿度区间内，分辨率达到2％RH以内，湿度传感器在稳定性测试中，12小时测试时间内湿度输出稳定，温漂测试中，有效控制了温漂对湿度传感器的影响。 在本文的最后对所做的工作进行了总结，并提出改进意见。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 本论文的主要工作

1.3 论文纲要

第二章 温湿度传感器工作原理与芯片结构

2.1 MEMS温度传感器

2.2 湿度表示方法和性能要求

2.2.1 湿度表示法

2.3 湿度传感器性能要求

2.3.1 湿度量程

2.4 压阻式湿度传感器工作原理

2.5 本章小结

第三章 微系统硬件设计

3.1 微系统结构

3.2 信号采集与处理电路

3.2.1 惠斯通电桥电路

3.2.2 运算放大器AD623

3.2.3 微控制器(MCU)

3.2.4 电源系统

3.2.5 信号采集与处理电路原理图

3.3 系统封装

3.4 人机界面

3.5 本章小结

第四章 温度补偿与非线性补偿算法

4.1 湿度传感器的温漂效应

4.2 基于BP神经网络的温度补偿算法

4.2.1 BP神经网络简介

4.2.2 BP神经网络温度补偿算法原理

4.2.3 BP神经网络训练算法

4.2.4 BP神经网络温度补偿算法的实现

4.2.5 BP神经网络温度补偿算法测试及结果分析

4.3 非线性补偿算法

4.3.1 非线性误差介绍

4.3.2 插值算法的非线性误差

4.3.3 基于切比雪夫神经网络的非线性补偿算法

4.3.4 非线性补偿算法的测试与结果分析

4.4 本章小结

第五章 温湿度传感器微系统嵌入式程序设计

5.1 系统软件开发工具

5.2 系统主程序流程设计

5.3 温湿度值计算子程序设计

5.3.1 温湿度值计算子程序流程设计

5.3.2 温度湿度值的标定

5.3.3 温湿度值计算算法

5.4 微系统通讯子程序设计

5.4.1 SMBUS总线规范

5.4.2 通讯系统流程设计

5.5 人机界面子程序

5.5.1 OCMJ2×4C液晶串口通讯时序

5.5.2 液晶显示子程序设计

5.5.3 系统按键响应程序设计

5.6 本章小结

第六章 温湿度传感器微系统测试结果及分析

6.1 温度传感器测试结果

6.2 湿度传感器测试结果

6.3 本章小结

第七章 工作总结与展望

7.1 工作总结

7.1 工作展望

附录

致 谢

作者简介

作者攻读硕士期间发表的论文

参考文献