《智能傳感器》PPT課件.ppt

19.1 智能傳感器的特點(diǎn) 19.2 智能傳感器的實(shí)現(xiàn) 19.3 智能傳感器的應(yīng)用 19.4 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路,第19章 智能式傳感器,引 言,智能傳感器是美國宇航局(NASA) 在開發(fā)宇宙飛船的過程中產(chǎn)生的。宇宙飛船需要速度、加速度、位置和姿態(tài)等傳感器,宇航員的生活環(huán)境需要溫度、氣壓、空氣成份和微量氣體傳感器,科學(xué)觀測也要用大量的各種傳感器。宇宙飛船觀測到的各種數(shù)據(jù)是很龐大的,處理這些數(shù)據(jù)需要用超大型計(jì)算機(jī)。要不丟失數(shù)據(jù),并降低成本,必須有能實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器。因此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理由集中處理變?yōu)榉稚⑻幚?避免使用超大型計(jì)算機(jī)，由此而產(chǎn)生了智能傳感器。,現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)： 傳感器技術(shù)：信息的采集 “感官” 通 信 技 術(shù) ：信息的傳輸 “神經(jīng)” 計(jì)算機(jī)技術(shù)：信息的處理 “大腦” 智能傳感器(Intelligent sensor)是既有獲取信息的功能又有信息處理的功能的系統(tǒng)，是傳感器、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的結(jié)合。,微傳感器系統(tǒng) 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng) 藍(lán)牙傳感器系統(tǒng) 生物傳感器系統(tǒng),智能傳感器的主要發(fā)展趨勢：,目前智能傳感器具有自補(bǔ)償、自診斷、自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)處理、存儲記憶、雙向通信、數(shù)字輸出等功能，幾乎包括了儀器儀表的全部功能。,與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測信息的功能與微處理器(CPU)的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，從而具有一定的人工智能，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。它能充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對內(nèi)部工作過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，是采集數(shù)據(jù)最佳。,智能傳感器就是一個(gè)最小的微機(jī)系統(tǒng)，其中作為控制核心的微處理器通常采用單片機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)框圖如下：,與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）精度高 1.可通過自動校零去除零點(diǎn)； 2.與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對比以自動進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定； 3.自動進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正； 4.通過對采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影響等。,19.1 智能傳感器的特點(diǎn),（2）可靠性與高穩(wěn)定性強(qiáng) 1.自動補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化所引起的系統(tǒng)特性的漂移，如溫度變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度漂移； 2.當(dāng)被測參數(shù)變化后能自動改換量程； 3.能實(shí)時(shí)自動進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)，分析、判斷所采集到的數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理（報(bào)警或故障提示）。,（3）高信噪比和高分辨率 1.由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能，通過軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，從而將有用信號提取出來； 2.通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)測量的分辨能力。,（4）自適應(yīng)能力強(qiáng) 由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況，優(yōu)化與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，并保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。,（5）性格價(jià)格比高 智能傳感器所具有的上述高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善，對傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試來獲得，而是通過與微處理器/計(jì)算機(jī)相結(jié)合，即是采用低價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來實(shí)現(xiàn)的。,1. 集成化實(shí)現(xiàn) 這種傳感器系統(tǒng)采用為機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料硅作為基本材料來制作敏感元件，將信號調(diào)理電路、為處理單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的，故稱為集成智能傳感器。,19.2 智能傳感器的實(shí)現(xiàn),2. 非集成化實(shí)現(xiàn) 非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能）、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一個(gè)整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)。,模糊傳感器是一種非集成化的新型智能傳感器。 模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理和知識合成，以模擬人類自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果。 模糊傳感器的核心部分就是模擬人類自然語言符號的產(chǎn)生及其處理。,模糊傳感器的“智能”之處在于：它可以模擬人類感知的全過程，核心在于知識性，知識的最大特點(diǎn)在于其模糊性。 模糊傳感器由硬件層和軟件層兩部分構(gòu)成。其突出特點(diǎn)是其具有豐富強(qiáng)大的軟件功能。 模糊傳感器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵也在于軟件的設(shè)計(jì)。,3. 混合實(shí)現(xiàn) 混合實(shí)現(xiàn)是根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并安裝在一個(gè)外殼內(nèi)。 集成化敏感單元：彈性敏感元件及變換器； 信號調(diào)理電路：多路開關(guān)、醫(yī)用放大器、基準(zhǔn)、 A/D轉(zhuǎn)換器等； 微處理器單元：數(shù)字存儲(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等。,1.ST-3000系列智能壓力傳感器,19.3 智能傳感器的應(yīng)用,圖示為ST-3000系列智能壓力傳感器圖，它是由檢測和變送 兩部分組成。,2.固體圖像傳感器,固體圖像傳感器主要有三種類型：第一種是電荷耦合器件(CCD)；第二 種是MOS圖像傳感器，又稱為自掃描光電二極管陣列(SSPA)；第三種是電荷注入器件(CID) 。,固體圖像傳感器是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展（光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大），能給出直觀、真實(shí)、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息。,目前，由于傳感器智能化和集成化的要求，使得固體圖像傳感器有三維集成的發(fā)展趨勢。例如，在同一硅片上，用超大規(guī)模集成電路工藝制作三維結(jié)構(gòu)的智能傳感器，下圖為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一種形式。,右圖為具有三層結(jié)構(gòu)的三維集成智能圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它用以提取待測物體的輪廓圖，它的第一層為光電轉(zhuǎn)換面陣，由第一層輸出的信號并行進(jìn)入第二層電流型MOS模擬信號調(diào)理電路，輸出的模擬信號再進(jìn)入第三層，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)并存儲在存儲器中，與第三層相連的是信號讀出（放大）單元。信號讀出單元的作用是通過地址譯碼讀取存儲器中的信號信息。,下圖為多個(gè)智能圖像傳感器組成的圖像識別系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由光學(xué)透鏡系統(tǒng)、多個(gè)智能圖像傳感器和一個(gè)主計(jì)算機(jī)組成。,下面以智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)為例介紹一下智能傳感器的設(shè)計(jì)思路。,19.4 智能傳感器的設(shè)計(jì)思路,1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能壓力傳感器是由半導(dǎo)體力敏元件（制作力敏元件時(shí),同時(shí)制作兩只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、雙積分AD轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、接口電路、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、存儲器和部分外圍電路組成。,敏感元件 （壓力、溫度）,放大器,轉(zhuǎn)換開關(guān),A/D,D/A,單片機(jī),接口電路,EPROM,IEEE-488接口,2敏感元件設(shè)計(jì) 利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點(diǎn)應(yīng)力分在半導(dǎo)體圓形基片上擴(kuò)散出四個(gè)電阻，同時(shí)生成兩個(gè)溫敏二極管。這四個(gè)電阻通常接成電橋形式，使輸出信號與測量壓力成正比例，并將阻值增加的兩個(gè)電阻對接，阻值減小的兩個(gè)電阻對接，使電橋靈敏度最大。,3傳感器工藝設(shè)計(jì) 傳感器中的微處理器采用MCS-51系列8031單片機(jī)，它通過鎖存器74LS373等與外部存儲器EPROM相連?？蛇x用2716（2K*8)、2732（4K*8）、2764（8K*8）等不同芯片作存儲器，用來存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其他電路（如放大器、A/D、D/A、IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口、接口電路等）可合理分布在不同的模板上，組裝進(jìn)一個(gè)殼體內(nèi)。,4.軟件設(shè)計(jì) 用8031單片機(jī)構(gòu)成的智能 壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。 智能傳感器的重要特點(diǎn)之一是多功能。一般可用兩種方式去執(zhí)行: 一是用戶通過鍵盤發(fā)出所選功能的指令；另一種是自動方式，由內(nèi)部功能控制程序協(xié)調(diào)已編制好的數(shù)據(jù)采集與處理程序工作，或通過IEEE-488總線接受外部遠(yuǎn)控向智能傳感器發(fā)出控制指令。,