專利名稱：一種智能傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)，具體涉及釆用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的且同時具有模 擬信號輸出和數(shù)字信號輸出的智能傳感器。在工業(yè)控制及監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器應(yīng)用越來越多，現(xiàn)有的壓電傳感器由 于壓電敏感器件本身的內(nèi)阻抗很高，使得壓電器件難以直接使用一般的放大 器，而必須進(jìn)行前置阻抗變換，同時由于軸承加工所產(chǎn)生的毛刺、傳感器安 裝以及環(huán)境干擾等因素將會在傳感器輸出信號上疊加一定的高頻干擾，而且 原始信號經(jīng)過傳輸、放大、變換等處理過程，還會混入各種不同形式的噪聲， 從而會影響測量精度，同時，現(xiàn)有傳感器輸出信號單一，通常是只以模擬量 輸出或者只以數(shù)字量輸出，給工業(yè)應(yīng)用帶來諸多不便。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種電路簡單、精度高、同時具有 模擬信號輸出和數(shù)字信號輸出的智能傳感器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個技術(shù)方案是，提供一種智能傳感 器，包括壓電傳感器、處理電路、微控制器電路，其中，壓電傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換成電荷信號輸入到處理電路； 處理電路接收壓電傳感器輸出的電荷信號，將電荷信號處理后輸出； 在處理電路的輸出端與微控制器電路的模擬量輸入端之間連接模擬輸 出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路，并且微控制器電路的串行通訊接口輸出端連接到通 訊接口驅(qū)動電路，微控制器電路與通訊接口驅(qū)動電路之間的信號為雙向傳
輸，當(dāng)智能傳感器需要輸出模擬信號時，模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字 轉(zhuǎn)換控制電路輸出，當(dāng)智能傳感器需要輸出數(shù)字信號時，模擬信號通過模擬 輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路輸入微控制器電路，通過微控制器電路完成將模擬 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，同時微控制器電路通過通訊接口驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)UART串口通信。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述處理電路由電荷放大器、濾波電路、 歸一化放大器組成，所述電荷放大器接收壓電傳感器輸出的電荷信號，將電 荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出到濾波電路，所述濾波電路對電壓信號進(jìn)行隔 直和濾波，輸出到歸一化放大器，所述歸一化放大器將模擬信號通過模擬輸 出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路輸出或者輸入到微控制器電路。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路由繼電 器KMb KM2、停止按鈕SB" A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2、模擬輸出按鈕SB3組成， 其中繼電器KM2的常開觸點(diǎn)連接在歸一化放大器的輸出端，繼電器KM:的常開 觸點(diǎn)連接在歸一化放大器的輸出端和微控制器電路的輸入端之間；A/D轉(zhuǎn)換 控制按鈕SB2的常開觸點(diǎn)與繼電器KM!的常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接后與繼電器KNh的 線圖、繼電器KNb的常閉觸點(diǎn)、模擬輸出按鈕SB3的常閉觸點(diǎn)、停止按鈕SBi 的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，同時，模擬輸出按鈕SB3的常開觸點(diǎn)與繼電器KM2的常 開觸點(diǎn)并聯(lián)連接后與繼電器KM2的線圏、繼電器KM:的常閉觸點(diǎn)、A/D轉(zhuǎn)換控 制按鈕SB2的常閉觸點(diǎn)、停止按鈕SBi的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，停止按鈕SB!的 常閉觸點(diǎn)的一端連接電源，繼電器KM!的線圈和繼電器KM2的線圈的一端接 地。本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述電荷放大器由電容d、 C2和電阻Ri、 R2、 放大器Aj且成，所述壓電傳感器輸出的電荷信號通過電容G和電阻R2加到 放大器Ai的反相放大端，反饋電容d連接在放大器A!的輸出端和壓電傳感 器的輸出端之間，電阻R!連接在放大器Ai的輸出端和反相輸入端之間，同時
放大器A1的同相輸入端接地。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述濾波電路是釆用單個運(yùn)算放大器構(gòu)成 的濾波器電路，電路為正反饋的電路。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述微控制器電路具有存儲器和A/D控制 單元。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述控制單元包括單片機(jī)IC1,所述單片 機(jī)IC1具有以下裝置系統(tǒng)開始運(yùn)作時，先對單片機(jī)IC1的相關(guān)定時器，寄存器與中斷等進(jìn)行 初始化的裝置；判斷單片機(jī)IC1端口 ADCO是否為高電平裝置；采集數(shù)據(jù)裝置當(dāng)單片機(jī)IC1端口 ADCO是高電平時進(jìn)行數(shù)據(jù)的釆集裝置；判斷定時器T0的TFO位是否為1裝置；數(shù)據(jù)比較裝置用采集到的數(shù)據(jù)與存放在單片機(jī)IC1中的振動量限定值 即電壓信號轉(zhuǎn)換后的最大值進(jìn)行比較；點(diǎn)亮LED燈裝置當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過振動量限定值則點(diǎn)亮LED燈報(bào)警，中斷裝置使定時器Tl產(chǎn)生中斷，關(guān)閉定時器中斷，把超過振動量限 定值的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，然后打開中斷，進(jìn)行中斷返回。數(shù)據(jù)存儲裝置當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)沒有超過振動量限定值則把數(shù)據(jù)存儲到 外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。本發(fā)明所述的一種智能傳感器的有益效果是，通過傳感器獲取溫度、壓 力、流量、轉(zhuǎn)速、位移、速度、加速度、聲發(fā)射信號等信號，并對振動信號 放大、濾波、轉(zhuǎn)換、計(jì)算處理、有模擬量和數(shù)字量兩種輸出形式，具有按要 求濾波及輸出所需信號的智能化功能，可使數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)高度集成化，提高 了強(qiáng)噪聲環(huán)境下提取微弱故障信號的真實(shí)性，P爭低數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)自身故障的 可能性，大幅度縮小故障診斷前端的體積，可靈活地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)智能并行監(jiān)測。


圖l是本發(fā)明所述的診斷用智能傳感器的原理框圖。圖2是本發(fā)明所述的診斷用智能傳感器的電路圖。 圖3是本發(fā)明所述的裝入單片機(jī)的程序流程框圖。 圖4是本發(fā)明所述的裝入單片機(jī)的中斷程序流程框圖。
具體實(shí)施方式
參見圖l,本發(fā)明所述的一種智能傳感器由壓電傳感器1、電荷放大器2、 濾波電路3、歸一化放大器4、處理電路8、微控制器電路5、模擬輸出與數(shù) 字轉(zhuǎn)換控制電路6、通訊接口驅(qū)動電路7組成，其中所述電荷放大器2、濾 波電路3、歸一化放大器4組成處理電路8;將壓電傳感器1的輸出端連接 到電荷放大器2的輸入端，電荷放大器2的輸出端連接濾波電路3的輸入端， 濾波電路3的輸出端連接歸一化放大器4的輸入端，歸一化放大器4的輸出 端連接模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路6，模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路6的 一個輸出端連接微控制器電路5的模擬量輸入端，微控制器電路5的串行通 訊接口輸出端連接通訊接口驅(qū)動電路7，其中，壓電傳感器l將振動信號轉(zhuǎn) 換成電荷信號輸入到電荷;故大器2,電荷放大器2的輸入為壓電傳感器1輸 出的電荷信號，將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源后輸出到濾波電路 3;濾波電路3對電壓信號進(jìn)行隔直和濾波，輸出到歸一化放大器4;歸一化 放大器4將濾波以后的模擬信號按測量范圍的要求進(jìn)行歸一化處理，其輸出 模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路6輸出或者輸入到微控制器電路 5,微控制器電路5通過通訊接口驅(qū)動電路7實(shí)現(xiàn)UART串口通信。參見圖2,本發(fā)明所述的一種智能傳感器，所述模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控 制電路6由繼電器KMi、 KM2、停止按鈕SBh A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2、模擬輸 出按鈕SB3組成，其中繼電器KM2的常開觸點(diǎn)連接在歸一化放大器4的輸出端，
繼電器KMi的常開觸點(diǎn)連接在歸一化放大器4的輸出端和微控制器電路5的 輸入端之間；A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2的常開觸點(diǎn)與繼電器KM!的常開觸點(diǎn)并聯(lián) 連接后與繼電器KM!的線圈、繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)、模擬輸出按鈕SBs的常 閉觸點(diǎn)、停止按鈕SBi的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，同時，模擬輸出按鈕SB3的常開 觸點(diǎn)與繼電器KM2的常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接后與繼電器KM2的線圈、繼電器KM!的 常閉觸點(diǎn)、A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2的常閉觸點(diǎn)、停止按鈕SB!的常閉觸點(diǎn)串聯(lián) 連接，停止按4丑SBi的常閉觸點(diǎn)的一端連接電源，繼電器KMi的線圈和繼電器 KM2的線圈的一端接地。所述電荷放大器2由電容d、 C2和電阻Rb R2、放大器Aj且成，所述壓電 傳感器l輸出的電荷信號通過電容C2和電阻R2加到放大器Ai的反相放大端，反 饋電容d連接在放大器Ai的輸出端與壓電傳感器l的輸出端之間，電阻l連接 在放大器Ai的輸出端與反相輸入端之間，同時放大器Ai的同相輸入端接地。所述濾波電路3采用單個運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波器電路，電路采用正反 饋的設(shè)計(jì)方法，具有隔離直流分量及低通濾波的作用。本實(shí)施例中濾波電路 3由放大器A2、電容C3、 C4、 C5、電阻R3、 R4、 R5組成，其中濾波電路3的輸入 端與電荷放大器2的輸出端相連，濾波電路3的輸入端通過由電容C3和電阻R5組成的隔直電路，然后通過電阻R3、電阻R4加到放大器A2的同相放大端，同時 放大器A2的同相放大端與電容C5的一端相連接，電容C5的另一端直接接地，反 饋電容C4的一端連接在放大器A2的輸出端，另一端連接在電阻R3和電阻R4的連 接節(jié)點(diǎn)上，放大器A2的反相放大端與其輸出端相連。所述歸一化放大器4由放大器A3、電阻Rs、 R7、 R8、電位器Wi組成，其 中，歸一化放大器的輸入端與其信號濾波電路的輸出端相連，電壓信號經(jīng)輸入回路調(diào)整電位器^和電阻R6加到放大器A3的反相放大端，而放大器A3的
同相放大端通過補(bǔ)償電阻R7接地，反饋電阻R8連接在^L大器A3的輸出端和 反相輸入端之間。所述微控制器電路5中包括單片機(jī)IC1和復(fù)位集成電路芯片IC3，其中單 片機(jī)ICl采用的型號可以選用ADiaC812，復(fù)位集成電路芯片IC3可以釆用 ADM810,系統(tǒng)通信可以使用RS-485總線，也可以采用RS-232實(shí)現(xiàn)UART串口通信。所述通訊接口驅(qū)動電if各7主要由通訊接口驅(qū)動芯片IC2組成，利用通訊接 口驅(qū)動電路7以實(shí)現(xiàn)UART串口通信，并獲取較遠(yuǎn)的通信距離和較好的抗干擾 特性，驅(qū)動芯片IC2可以采用7MAX485。在單片機(jī)中裝入圖3、圖4所示的程序，其中主程序的工作流程是系統(tǒng)開始運(yùn)作時，先對單片機(jī)IC1的相關(guān)定時器，寄存器與中斷等進(jìn)行 初始化8，然后判斷單片機(jī)IC1端口 ADC0是否為高電平9，若是高電平則說 明有信號輸入，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集IO，低電平則繼續(xù)判斷等待；當(dāng)數(shù)據(jù)開始 采集后，同時判斷定時器TO的TFO位是否為1 11，當(dāng)定時器TO的TFO位 為l則說明到達(dá)設(shè)定的采集時間，停止采集，再用采集到的數(shù)據(jù)與存放在單 片機(jī)IC1中的振動量限定值即電壓信號轉(zhuǎn)換后的最大值進(jìn)行比較12,如果采 集到的數(shù)據(jù)超過振動量限定值則點(diǎn)亮LED燈報(bào)警14,同時利用定時器Tl產(chǎn) 生中斷15;如果采集到的數(shù)據(jù)沒有超過振動量限定值則把數(shù)據(jù)存儲到外部數(shù) 據(jù)存儲區(qū)13,接著再進(jìn)行下次采集。中斷服務(wù)程序流程是產(chǎn)生中斷后，關(guān)閉定時器中斷，把超過振動量 限定值的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，然后打開中斷，進(jìn)行中斷返回。本發(fā)明所述的診斷用智能傳感器的工作原理是壓電傳感器1輸出的高 內(nèi)阻的電荷源經(jīng)過電荷放大器2轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 并使電荷放大器2的輸出電壓與輸入電荷成正比，輸出的電壓信號再經(jīng)過濾
波電路3、歸一化放大器4的處理，通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路6實(shí) 現(xiàn)對信號的模擬輸出，以及通過與微控制器電路5相連，完成對模擬信號的 數(shù)字化轉(zhuǎn)換的自動控制，同時微控制器電路5通過通訊接口驅(qū)動電路7實(shí)現(xiàn) UART串口通信。在模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路6中，按下A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2，繼電器 KMi的線圈"得電"，其常開觸點(diǎn)閉合，使信號傳入ADpC812芯片，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換。按下停止按鈕SB^繼電器KMi的線圈"失電"，信號的傳輸中斷。當(dāng)按下 信號模擬輸出按鈕SB對，繼電器KM2的線圈"得電"，其常開觸點(diǎn)閉合，信號 不再傳入ADpC812芯片而直接以模擬狀態(tài)輸出。將繼電器KMi和KM2的常閉觸點(diǎn) 分別與對方的線圈串聯(lián)，可以保證繼電器KM!和KM2的線圈不會同時"得電"， 這種安全措施在繼電器電路中被稱為"互鎖"。除此之外，為了方便操作， 還設(shè)置了 "按鈕聯(lián)鎖，，，即將繼電器KMi的線圈與信號模擬輸出按鈕SB3的常閉 觸點(diǎn)串聯(lián)，將繼電器KM2的線圈與A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)。當(dāng)信 號處在A/D轉(zhuǎn)換的過程中時，如果想轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出狀態(tài)，可以不按停 止按鈕SBi而直接按下模擬輸出按鈕SB3，繼電器KM2的線圈"得電"，同時模擬 輸出按鈕SB3的常閉觸點(diǎn)斷開，繼電器KMi的線圈"失電"，進(jìn)入模擬信號輸出 狀態(tài)。信號從模擬信號輸出狀態(tài)到A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可通過A/D轉(zhuǎn)換控制按 鈕SB2直接完成。
權(quán)利要求
1、一種智能傳感器，包括壓電傳感器(1)、處理電路(8)、微控制器電路(5)，其中壓電傳感器(1)將振動信號轉(zhuǎn)換成電荷信號輸入到處理電路(8)；處理電路(8)接收壓電傳感器(1)輸出的電荷信號，將電荷信號處理后輸出；其特征在于在處理電路(8)的輸出端與微控制器電路(5)的模擬量輸入端之間連接模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路(6)，并且微控制器電路(5)的通訊接口輸出端連接到通訊接口驅(qū)動電路(7)，微控制器電路(5)與通訊接口驅(qū)動電路(7)之間的信號為雙向傳輸，當(dāng)智能傳感器需要輸出模擬信號時，模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路(6)輸出，當(dāng)智能傳感器需要輸出數(shù)字信號時，模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路(6)輸入微控制器電路(5)，通過微控制器電路(5)完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，同時微控制器電路(5)通過通訊接口驅(qū)動電路(7)實(shí)現(xiàn)UART串口通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能傳感器，其特征在于所述 處理電路由電荷放大器(2)、濾波電路(3)、歸一化放大器(4)組 成，電荷放大器(2)的輸入為壓電傳感器(1)輸出的電荷信號，將 電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出到濾波電路(3);濾波電路(3)對 電壓信號進(jìn)行隔直和濾波，輸出到歸一化放大器(4);所述歸一化放 大器(4 )將隔直和濾波后的信號按測量范圍的要求進(jìn)行歸一化放大， 其輸出的模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路(6)輸出或者 輸入到微控制器電路(5)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種智能傳感器，其特征在于模擬 輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路(6)由繼電器KMi、 KM2、停止按鈕SBi、 A/D 轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2、模擬輸出按鈕SB3組成，其中繼電器KM2的常開觸點(diǎn)連接在歸一化放大器(4)的輸出端，繼電器KMi的常開觸點(diǎn)連接 在歸一化放大器(4)的輸出端和微控制器電路(5)的輸入端之間； A/D轉(zhuǎn)換控制按4丑SB2的常開觸點(diǎn)與繼電器KN^的常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接后 與繼電器KM!的線圈、繼電器KM2的常閉觸點(diǎn)、模擬輸出按鈕SB3的常 閉觸點(diǎn)、停止按鈕SBi的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，同時，模擬輸出按鈕SB3 的常開觸點(diǎn)與繼電器KM2的常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接后與繼電器KM2的線圈、 繼電器KMi的常閉觸點(diǎn)、A/D轉(zhuǎn)換控制按鈕SB2的常閉觸點(diǎn)、停止按鈕 SB!的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，停止按鈕SB!的常閉觸點(diǎn)的一端連接電源， 繼電器KN^的線圈和繼電器KM2的線圈的一端接地。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種智能傳感器，其特征在于 所述電荷放大器(2)由電容d、 C2和電阻R^ R2、放大器Aj且成，所述壓電傳感器(1)輸出的電荷信號通過電容C2和電阻R2加到放大器A!的反相放大端，反饋電容d連接在放大器A!的輸出端和壓電傳 感器(1)的輸出端之間，電阻Ri連接在放大器Ai的輸出端和反相輸 入端之間，同時》文大器A!的同相輸入端接地。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種智能傳感器，其特征在于濾波 電路(3)采用單個運(yùn)算放大器構(gòu)成，電路為具有隔離直流作用的有 源二階低通濾波電路。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種智能傳感器，其特征在于所述微控制器電路(5 )具有存儲器和A/D變換及串行通訊接口的控制單 元。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種智能傳感器，其特征在于所述 控制單元包括單片機(jī)IC1，所述單片機(jī)IC1具有以下裝置系統(tǒng)開始運(yùn)作時，先對單片機(jī)IC1的相關(guān)定時器，寄存器與中斷 等進(jìn)行初始化的裝置(8);判斷單片機(jī)IC1端口 ADCO是否為高電平裝置(9);采集數(shù)據(jù)裝置(10):當(dāng)單片機(jī)IC1端口 ADCO是高電平時進(jìn)行數(shù) 據(jù)的采集裝置；判斷定時器TO的TFO位是否為1裝置(11);數(shù)據(jù)比較裝置(12):用采集到的數(shù)據(jù)與存放在單片機(jī)IC1中的 振動量限定值即電壓信號轉(zhuǎn)換后的最大值進(jìn)行比較；點(diǎn)亮LED燈裝置(14 ):當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過振動量限定值則點(diǎn) 亮LED燈報(bào)警，中斷裝置(15):使定時器T1產(chǎn)生中斷，關(guān)閉定時器中斷，把超 過振動量限定值的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，然后打開中斷，進(jìn)行中斷返回。數(shù)據(jù)存儲裝置(13):當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)沒有超過振動量限定值則 把數(shù)據(jù)存儲到外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能傳感器，包括壓電傳感器、處理電路、微控制器電路，其中，壓電傳感器將振動信號轉(zhuǎn)換成電荷信號輸入到處理電路；處理電路接收壓電傳感器輸出的電荷信號，將電荷信號處理后輸出；其特征在于在處理電路的輸出端與微控制器電路的模擬量輸入端之間連接模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路，并且微控制器電路的串行通訊接口輸出端連接通訊接口驅(qū)動電路，當(dāng)需要輸出模擬信號時，模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路輸出，當(dāng)需要輸出數(shù)字信號時，模擬信號通過模擬輸出與數(shù)字轉(zhuǎn)換控制電路輸入微控制器電路，通過微控制器電路完成數(shù)字信號輸出，本發(fā)明具有按要求濾波及輸出所需信號的智能化功能，可靈活地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)智能并行監(jiān)測。
文檔編號G05B19/042GK101118428SQ200710092670
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者邵毅敏, 馬祥華 申請人:重慶大學(xué)