CN100465832C - 一种智能传感器 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体涉及采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。
背景技术
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KM1、KM2、停止按钮SB1、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KM1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；模拟输出按钮SB3的常闭触点、继电器KM2的常闭触点、继电器KM1的线圈按所述顺序串联连接，模拟输出按钮SB3的常闭触点的另一端同时与A/D转换控制按钮SB2的常开触点的一端和继电器KM1的常开触点的一端连接；A/D转换控制按钮SB2的常闭触点、继电器KM1的常闭触点、继电器KM2的线圈按所述顺序串联连接，A/D转换控制按钮SB2的常闭触点的另一端同时与模拟输出按钮SB3的常开触点的一端和继电器KM2的常开触点的一端连接；并且所述模拟输出按钮SB3的常开触点的另一端、继电器KM2的常开触点的另一端、A/D转换控制按钮SB2的常开触点的另一端以及继电器KM1的常开触点的另一端同时与停止按钮SB1的常闭触点的一端连接，停止按钮SB1的常闭触点的另一端连接电源，继电器KM1的线圈和继电器KM2的线圈的另一端接地。
本发明的一个优选方案，所述电荷放大器由电容C1、C2和电阻R1、R2、放大器A1组成，所述压电传感器输出的电荷信号通过电容C2和电阻R2加到放大器A1的反相输入端，反馈电容C1连接在放大器A1的输出端和压电传感器的输出端之间，电阻R1连接在放大器A1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，所述滤波电路是采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ADC0是否为高电平的装置，当单片机IC1端口ADC0为高电平时说明有信号输入
采集数据装置：当单片机IC1端口ADC0是高电平时进行数据的采集装置；
判断定时器T0的TF0位是否为1的装置，当定时器T0的TF0位为1时，停止数据采集；
数据比较装置：用采集到的数据与存放在单片机IC1中的振动信号限定值即电压信号进行A/D变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信号限定值则点亮LED灯报警，
中断装置：使定时器T1产生中断，关闭定时器中断，把超过振动信号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信号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，降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。
附图说明
图1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1，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1将振动信号转换成电荷信号输入到电荷放大器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KM1、KM2、停止按钮SB1、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KM1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；模拟输出按钮SB3的常闭触点、继电器KM2的常闭触点、继电器KM1的线圈按所述顺序串联连接，模拟输出按钮SB3的常闭触点的另一端同时与A/D转换控制按钮SB2的常开触点的一端和继电器KM1的常开触点的一端连接；A/D转换控制按钮SB2的常闭触点、继电器KM1的常闭触点、继电器KM2的线圈按所述顺序串联连接，A/D转换控制按钮SB2的常闭触点的另一端同时与模拟输出按钮SB3的常开触点的一端和继电器KM2的常开触点的一端连接；并且所述模拟输出按钮SB3的常开触点的另一端、继电器KM2的常开触点的另一端、A/D转换控制按钮SB2的常开触点的另一端以及继电器KM1的常开触点的另一端同时与停止按钮SB1的常闭触点的一端连接，停止按钮SB1的常闭触点的另一端连接电源，继电器KM1的线圈和继电器KM2的线圈的另一端接地。
所述电荷放大器2由电容C1、C2和电阻R1、R2、放大器A1组成，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A1的反相输入端，反馈电容C1连接在放大器A1的输出端与压电传感器1的输出端之间，电阻R1连接在放大器A1的输出端与反相输入端之间，同时放大器A1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的同相输入端，同时放大器A2的同相输入端与电容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的反相输入端与其输出端相连。
所述归一化放大器4由放大器A3、电阻R6、R7、R8、电位器W1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W1和电阻R6加到放大器A3的反相输入端，而放大器A3的同相输入端通过补偿电阻R7接地，反馈电阻R8连接在放大器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IC1采用的型号可以选用ADμC812，复位集成电路芯片IC3可以采用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路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18，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10，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T0的TF0位是否为111，当定时器T0的TF0位为1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中的振动信号限定值即电压信号进行A/D变换后的最大值进行比较12，如果采集到的数据超过振动信号限定值则点亮LED灯报警14，同时利用定时器T1产生中断15；如果采集到的数据没有超过振动信号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KM1的线圈“得电”，其常开触点闭合，使信号传入ADμC812芯片，进行A/D转换。按下停止按钮SB1，继电器KM1的线圈“失电”，信号的传输中断。当按下信号模拟输出按钮SB3时，继电器KM2的线圈“得电”，其常开触点闭合，信号不再传入ADμC812芯片而直接以模拟状态输出。将继电器KM1和KM2的常闭触点分别与对方的线圈串联，可以保证继电器KM1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KM1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SB1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KM1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。
Claims (7)
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)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KM1、KM2、停止按钮SB1、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KM1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；模拟输出按钮SB3的常闭触点、继电器KM2的常闭触点、继电器KM1的线圈按所述顺序串联连接，模拟输出按钮SB3的常闭触点的另一端同时与A/D转换控制按钮SB2的常开触点的一端和继电器KM1的常开触点的一端连接；A/D转换控制按钮SB2的常闭触点、继电器KM1的常闭触点、继电器KM2的线圈按所述顺序串联连接，A/D转换控制按钮SB2的常闭触点的另一端同时与模拟输出按钮SB3的常开触点的一端和继电器KM2的常开触点的一端连接；并且所述模拟输出按钮SB3的常开触点的另一端、继电器KM2的常开触点的另一端、A/D转换控制按钮SB2的常开触点的另一端以及继电器KM1的常开触点的另一端同时与停止按钮SB1的常闭触点的一端连接，停止按钮SB1的常闭触点的另一端连接电源，继电器KM1的线圈和继电器KM2的线圈的另一端接地。
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C1、C2和电阻R1、R2、放大器A1组成，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A1的反相输入端，反馈电容C1连接在放大器A1的输出端和压电传感器(1)的输出端之间，电阻R1连接在放大器A1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。
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(18)；
判断单片机IC1端口ADC0是否为高电平的装置(9)，当单片机IC1端口ADC0为高电平时说明有信号输入；
采集数据装置(10):当单片机IC1端口ADC0是高电平时进行数据的采集装置；
判断定时器T0的TF0位是否为1的装置(11)，当定时器T0的TF0位为1时，停止数据采集；
数据比较装置(12):用采集到的数据与存放在单片机IC1中的振动信号限定值即电压信号进行A/D变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信号限定值则点亮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，把超过振动信号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信号限定值则把数据存储到外部数据存储区。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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