专利名称：一种智能传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术，具体涉及釆用单片机技术实现的且同时具有模 拟信号输出和数字信号输出的智能传感器。在工业控制及监测系统中，传感器应用越来越多，现有的压电传感器由 于压电敏感器件本身的内阻抗很高，使得压电器件难以直接使用一般的放大 器，而必须进行前置阻抗变换，同时由于轴承加工所产生的毛刺、传感器安 装以及环境干扰等因素将会在传感器输出信号上叠加一定的高频干扰，而且 原始信号经过传输、放大、变换等处理过程，还会混入各种不同形式的噪声， 从而会影响测量精度，同时，现有传感器输出信号单一，通常是只以模拟量 输出或者只以数字量输出，给工业应用带来诸多不便。 发明内容本发明所要解决的技术问题在于提供一种电路简单、精度高、同时具有 模拟信号输出和数字信号输出的智能传感器。为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是，提供一种智能传感 器，包括压电传感器、处理电路、微控制器电路，其中，压电传感器将振动信号转换成电荷信号输入到处理电路； 处理电路接收压电传感器输出的电荷信号，将电荷信号处理后输出； 在处理电路的输出端与微控制器电路的模拟量输入端之间连接模拟输 出与数字转换控制电路，并且微控制器电路的串行通讯接口输出端连接到通 讯接口驱动电路，微控制器电路与通讯接口驱动电路之间的信号为双向传
输，当智能传感器需要输出模拟信号时，模拟信号通过模拟输出与数字 转换控制电路输出，当智能传感器需要输出数字信号时，模拟信号通过模拟 输出与数字转换控制电路输入微控制器电路，通过微控制器电路完成将模拟 信号转换成数字信号输出，同时微控制器电路通过通讯接口驱动电路实现UART串口通信。根据本发明的一个优选方案，所述处理电路由电荷放大器、滤波电路、 归一化放大器组成，所述电荷放大器接收压电传感器输出的电荷信号，将电 荷信号转换成电压信号后输出到滤波电路，所述滤波电路对电压信号进行隔 直和滤波，输出到归一化放大器，所述归一化放大器将模拟信号通过模拟输 出与数字转换控制电路输出或者输入到微控制器电路。根据本发明的一个优选方案，所述模拟输出与数字转换控制电路由继电 器KMb KM2、停止按钮SB" A/D转换控制按钮SB2、模拟输出按钮SB3组成， 其中继电器KM2的常开触点连接在归一化放大器的输出端，继电器KM:的常开 触点连接在归一化放大器的输出端和微控制器电路的输入端之间；A/D转换 控制按钮SB2的常开触点与继电器KM!的常开触点并联连接后与继电器KNh的 线图、继电器KNb的常闭触点、模拟输出按钮SB3的常闭触点、停止按钮SBi 的常闭触点串联连接，同时，模拟输出按钮SB3的常开触点与继电器KM2的常 开触点并联连接后与继电器KM2的线圏、继电器KM:的常闭触点、A/D转换控 制按钮SB2的常闭触点、停止按钮SBi的常闭触点串联连接，停止按钮SB!的 常闭触点的一端连接电源，继电器KM!的线圈和继电器KM2的线圈的一端接 地。本发明的一个优选方案，所述电荷放大器由电容d、 C2和电阻Ri、 R2、 放大器Aj且成，所述压电传感器输出的电荷信号通过电容G和电阻R2加到 放大器Ai的反相放大端，反馈电容d连接在放大器A!的输出端和压电传感 器的输出端之间，电阻R!连接在放大器Ai的输出端和反相输入端之间，同时
放大器A1的同相输入端接地。根据本发明的一个优选方案，所述滤波电路是釆用单个运算放大器构成 的滤波器电路，电路为正反馈的电路。根据本发明的一个优选方案，所述微控制器电路具有存储器和A/D控制 单元。根据本发明的一个优选方案，所述控制单元包括单片机IC1,所述单片 机IC1具有以下装置系统开始运作时，先对单片机IC1的相关定时器，寄存器与中断等进行 初始化的装置；判断单片机IC1端口 ADCO是否为高电平装置；采集数据装置当单片机IC1端口 ADCO是高电平时进行数据的釆集装置；判断定时器T0的TFO位是否为1装置；数据比较装置用采集到的数据与存放在单片机IC1中的振动量限定值 即电压信号转换后的最大值进行比较；点亮LED灯装置当采集到的数据超过振动量限定值则点亮LED灯报警，中断装置使定时器Tl产生中断，关闭定时器中断，把超过振动量限 定值的数据进行传送，然后打开中断，进行中断返回。数据存储装置当采集到的数据没有超过振动量限定值则把数据存储到 外部数据存储区。本发明所述的一种智能传感器的有益效果是，通过传感器获取温度、压 力、流量、转速、位移、速度、加速度、声发射信号等信号，并对振动信号 放大、滤波、转换、计算处理、有模拟量和数字量两种输出形式，具有按要 求滤波及输出所需信号的智能化功能，可使数据采集环节高度集成化，提高 了强噪声环境下提取微弱故障信号的真实性，P争低数据采集环节自身故障的 可能性，大幅度缩小故障诊断前端的体积，可灵活地实现多点智能并行监测。
图l是本发明所述的诊断用智能传感器的原理框图。图2是本发明所述的诊断用智能传感器的电路图。 图3是本发明所述的装入单片机的程序流程框图。 图4是本发明所述的装入单片机的中断程序流程框图。
具体实施方式
参见图l,本发明所述的一种智能传感器由压电传感器1、电荷放大器2、 滤波电路3、归一化放大器4、处理电路8、微控制器电路5、模拟输出与数 字转换控制电路6、通讯接口驱动电路7组成，其中所述电荷放大器2、滤 波电路3、归一化放大器4组成处理电路8;将压电传感器1的输出端连接 到电荷放大器2的输入端，电荷放大器2的输出端连接滤波电路3的输入端， 滤波电路3的输出端连接归一化放大器4的输入端，归一化放大器4的输出 端连接模拟输出与数字转换控制电路6，模拟输出与数字转换控制电路6的 一个输出端连接微控制器电路5的模拟量输入端，微控制器电路5的串行通 讯接口输出端连接通讯接口驱动电路7，其中，压电传感器l将振动信号转 换成电荷信号输入到电荷;故大器2,电荷放大器2的输入为压电传感器1输 出的电荷信号，将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源后输出到滤波电路 3;滤波电路3对电压信号进行隔直和滤波，输出到归一化放大器4;归一化 放大器4将滤波以后的模拟信号按测量范围的要求进行归一化处理，其输出 模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路6输出或者输入到微控制器电路 5,微控制器电路5通过通讯接口驱动电路7实现UART串口通信。参见图2,本发明所述的一种智能传感器，所述模拟输出与数字转换控 制电路6由继电器KMi、 KM2、停止按钮SBh A/D转换控制按钮SB2、模拟输 出按钮SB3组成，其中继电器KM2的常开触点连接在归一化放大器4的输出端，
继电器KMi的常开触点连接在归一化放大器4的输出端和微控制器电路5的 输入端之间；A/D转换控制按钮SB2的常开触点与继电器KM!的常开触点并联 连接后与继电器KM!的线圈、继电器KM2的常闭触点、模拟输出按钮SBs的常 闭触点、停止按钮SBi的常闭触点串联连接，同时，模拟输出按钮SB3的常开 触点与继电器KM2的常开触点并联连接后与继电器KM2的线圈、继电器KM!的 常闭触点、A/D转换控制按钮SB2的常闭触点、停止按钮SB!的常闭触点串联 连接，停止按4丑SBi的常闭触点的一端连接电源，继电器KMi的线圈和继电器 KM2的线圈的一端接地。所述电荷放大器2由电容d、 C2和电阻Rb R2、放大器Aj且成，所述压电 传感器l输出的电荷信号通过电容C2和电阻R2加到放大器Ai的反相放大端，反 馈电容d连接在放大器Ai的输出端与压电传感器l的输出端之间，电阻l连接 在放大器Ai的输出端与反相输入端之间，同时放大器Ai的同相输入端接地。所述滤波电路3采用单个运算放大器构成的滤波器电路，电路采用正反 馈的设计方法，具有隔离直流分量及低通滤波的作用。本实施例中滤波电路 3由放大器A2、电容C3、 C4、 C5、电阻R3、 R4、 R5组成，其中滤波电路3的输入 端与电荷放大器2的输出端相连，滤波电路3的输入端通过由电容C3和电阻R5组成的隔直电路，然后通过电阻R3、电阻R4加到放大器A2的同相放大端，同时 放大器A2的同相放大端与电容C5的一端相连接，电容C5的另一端直接接地，反 馈电容C4的一端连接在放大器A2的输出端，另一端连接在电阻R3和电阻R4的连 接节点上，放大器A2的反相放大端与其输出端相连。所述归一化放大器4由放大器A3、电阻Rs、 R7、 R8、电位器Wi组成，其 中，归一化放大器的输入端与其信号滤波电路的输出端相连，电压信号经输入回路调整电位器^和电阻R6加到放大器A3的反相放大端，而放大器A3的
同相放大端通过补偿电阻R7接地，反馈电阻R8连接在^L大器A3的输出端和 反相输入端之间。所述微控制器电路5中包括单片机IC1和复位集成电路芯片IC3，其中单 片机ICl采用的型号可以选用ADiaC812，复位集成电路芯片IC3可以釆用 ADM810,系统通信可以使用RS-485总线，也可以采用RS-232实现UART串口通信。所述通讯接口驱动电if各7主要由通讯接口驱动芯片IC2组成，利用通讯接 口驱动电路7以实现UART串口通信，并获取较远的通信距离和较好的抗干扰 特性，驱动芯片IC2可以采用7MAX485。在单片机中装入图3、图4所示的程序，其中主程序的工作流程是系统开始运作时，先对单片机IC1的相关定时器，寄存器与中断等进行 初始化8，然后判断单片机IC1端口 ADC0是否为高电平9，若是高电平则说 明有信号输入，则进行数据的采集IO，低电平则继续判断等待；当数据开始 采集后，同时判断定时器TO的TFO位是否为1 11，当定时器TO的TFO位 为l则说明到达设定的采集时间，停止采集，再用采集到的数据与存放在单 片机IC1中的振动量限定值即电压信号转换后的最大值进行比较12,如果采 集到的数据超过振动量限定值则点亮LED灯报警14,同时利用定时器Tl产 生中断15;如果采集到的数据没有超过振动量限定值则把数据存储到外部数 据存储区13,接着再进行下次采集。中断服务程序流程是产生中断后，关闭定时器中断，把超过振动量 限定值的数据进行传送，然后打开中断，进行中断返回。本发明所述的诊断用智能传感器的工作原理是压电传感器1输出的高 内阻的电荷源经过电荷放大器2转换成低内阻的电压源，以实现阻抗匹配， 并使电荷放大器2的输出电压与输入电荷成正比，输出的电压信号再经过滤
波电路3、归一化放大器4的处理，通过模拟输出与数字转换控制电路6实 现对信号的模拟输出，以及通过与微控制器电路5相连，完成对模拟信号的 数字化转换的自动控制，同时微控制器电路5通过通讯接口驱动电路7实现 UART串口通信。在模拟输出与数字转换控制电路6中，按下A/D转换控制按钮SB2，继电器 KMi的线圈"得电"，其常开触点闭合，使信号传入ADpC812芯片，进行A/D转 换。按下停止按钮SB^继电器KMi的线圈"失电"，信号的传输中断。当按下 信号模拟输出按钮SB对，继电器KM2的线圈"得电"，其常开触点闭合，信号 不再传入ADpC812芯片而直接以模拟状态输出。将继电器KMi和KM2的常闭触点 分别与对方的线圈串联，可以保证继电器KM!和KM2的线圈不会同时"得电"， 这种安全措施在继电器电路中被称为"互锁"。除此之外，为了方便操作， 还设置了 "按钮联锁，，，即将继电器KMi的线圈与信号模拟输出按钮SB3的常闭 触点串联，将继电器KM2的线圈与A/D转换控制按钮SB2的常闭触点串联。当信 号处在A/D转换的过程中时，如果想转换成模拟信号输出状态，可以不按停 止按钮SBi而直接按下模拟输出按钮SB3，继电器KM2的线圈"得电"，同时模拟 输出按钮SB3的常闭触点断开，继电器KMi的线圈"失电"，进入模拟信号输出 状态。信号从模拟信号输出状态到A/D转换状态的转换可通过A/D转换控制按 钮SB2直接完成。
权利要求
1、一种智能传感器，包括压电传感器(1)、处理电路(8)、微控制器电路(5)，其中压电传感器(1)将振动信号转换成电荷信号输入到处理电路(8)；处理电路(8)接收压电传感器(1)输出的电荷信号，将电荷信号处理后输出；其特征在于在处理电路(8)的输出端与微控制器电路(5)的模拟量输入端之间连接模拟输出与数字转换控制电路(6)，并且微控制器电路(5)的通讯接口输出端连接到通讯接口驱动电路(7)，微控制器电路(5)与通讯接口驱动电路(7)之间的信号为双向传输，当智能传感器需要输出模拟信号时，模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路(6)输出，当智能传感器需要输出数字信号时，模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路(6)输入微控制器电路(5)，通过微控制器电路(5)完成将模拟信号转换成数字信号输出，同时微控制器电路(5)通过通讯接口驱动电路(7)实现UART串口通信。
2、 根据权利要求1所述的一种智能传感器，其特征在于所述 处理电路由电荷放大器(2)、滤波电路(3)、归一化放大器(4)组 成，电荷放大器(2)的输入为压电传感器(1)输出的电荷信号，将 电荷信号转换成电压信号后输出到滤波电路(3);滤波电路(3)对 电压信号进行隔直和滤波，输出到归一化放大器(4);所述归一化放 大器(4 )将隔直和滤波后的信号按测量范围的要求进行归一化放大， 其输出的模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路(6)输出或者 输入到微控制器电路(5)。
3、 根据权利要求2所述的一种智能传感器，其特征在于模拟 输出与数字转换控制电路(6)由继电器KMi、 KM2、停止按钮SBi、 A/D 转换控制按钮SB2、模拟输出按钮SB3组成，其中继电器KM2的常开触点连接在归一化放大器(4)的输出端，继电器KMi的常开触点连接 在归一化放大器(4)的输出端和微控制器电路(5)的输入端之间； A/D转换控制按4丑SB2的常开触点与继电器KN^的常开触点并联连接后 与继电器KM!的线圈、继电器KM2的常闭触点、模拟输出按钮SB3的常 闭触点、停止按钮SBi的常闭触点串联连接，同时，模拟输出按钮SB3 的常开触点与继电器KM2的常开触点并联连接后与继电器KM2的线圈、 继电器KMi的常闭触点、A/D转换控制按钮SB2的常闭触点、停止按钮 SB!的常闭触点串联连接，停止按钮SB!的常闭触点的一端连接电源， 继电器KN^的线圈和继电器KM2的线圈的一端接地。
4、 根据权利要求2或3所述的一种智能传感器，其特征在于 所述电荷放大器(2)由电容d、 C2和电阻R^ R2、放大器Aj且成，所述压电传感器(1)输出的电荷信号通过电容C2和电阻R2加到放大器A!的反相放大端，反馈电容d连接在放大器A!的输出端和压电传 感器(1)的输出端之间，电阻Ri连接在放大器Ai的输出端和反相输 入端之间，同时》文大器A!的同相输入端接地。
5、 根据权利要求4所述的一种智能传感器，其特征在于滤波 电路(3)采用单个运算放大器构成，电路为具有隔离直流作用的有 源二阶低通滤波电路。
6、 根据权利要求5所述的一种智能传感器，其特征在于所述微控制器电路(5 )具有存储器和A/D变换及串行通讯接口的控制单 元。
7、根据权利要求6所述的一种智能传感器，其特征在于所述 控制单元包括单片机IC1，所述单片机IC1具有以下装置系统开始运作时，先对单片机IC1的相关定时器，寄存器与中断 等进行初始化的装置(8);判断单片机IC1端口 ADCO是否为高电平装置(9);采集数据装置(10):当单片机IC1端口 ADCO是高电平时进行数 据的采集装置；判断定时器TO的TFO位是否为1装置(11);数据比较装置(12):用采集到的数据与存放在单片机IC1中的 振动量限定值即电压信号转换后的最大值进行比较；点亮LED灯装置(14 ):当采集到的数据超过振动量限定值则点 亮LED灯报警，中断装置(15):使定时器T1产生中断，关闭定时器中断，把超 过振动量限定值的数据进行传送，然后打开中断，进行中断返回。数据存储装置(13):当采集到的数据没有超过振动量限定值则 把数据存储到外部数据存储区。
全文摘要
本发明公开了一种智能传感器，包括压电传感器、处理电路、微控制器电路，其中，压电传感器将振动信号转换成电荷信号输入到处理电路；处理电路接收压电传感器输出的电荷信号，将电荷信号处理后输出；其特征在于在处理电路的输出端与微控制器电路的模拟量输入端之间连接模拟输出与数字转换控制电路，并且微控制器电路的串行通讯接口输出端连接通讯接口驱动电路，当需要输出模拟信号时，模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路输出，当需要输出数字信号时，模拟信号通过模拟输出与数字转换控制电路输入微控制器电路，通过微控制器电路完成数字信号输出，本发明具有按要求滤波及输出所需信号的智能化功能，可灵活地实现多点智能并行监测。
文档编号G05B19/042GK101118428SQ200710092670
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者邵毅敏, 马祥华 申请人:重庆大学