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如何使用单片机实现智能传感器系统的设计
张敏
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近年来随着传感器技术和信息处理技术的快速发展，工程应用中对传感器的测量精度、数据传输距离和信息处理能力都提出了更高的要求。为了克服普通力敏、光敏传感器抗干扰能力差、传输距离短、调零难、测量节点无法直接与上位机通信等缺点，本文设计了一种以 Freescale MC9S08SH4 单片机和 AD7705 为核心构成的智能传感器系统，在普通传感器上增加了软件调零、浮点数据处理、自动补偿、与上位机双向通讯、标准化数字输出等功能，可以很方便地实现上位机对数据的实时采集和处理，并具有测量精度高、结构紧凑、抗干扰能力强等特点。
1、系统组成
智能传感器系统由信号调理电路、A/D 转换电路、主控电路、调零电路、RS-485 通信电路和电源电路等模块组成。其中信号调理模块负责对传感器输出的 mV 级差分信号进行调理和放大；A/D 转换模块将信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号供 MCU 处理；调零模块可以在任意时刻将当前的输入值设置为参考零点；RS-485 通信模块实现主控电路与上位机之间的通信；电源模块为主控电路、传感器、信号调理模块和 RS-485 通信模块提供电源。系统结构如图 1 所示。
2、功能模块设计
2.1 信号调理和 A/D 转换模块
传感器的输出信号一般为 mV 级的差分信号，传统的信号调理电路是在 A/D 转换前加一级或多级高精度的放大电路，这样不但增加了成本，电路也较为复杂。而 AD7705 具有完整的模拟前端，内置增益可编程放大器（PGA）和可编程数字滤波器，能直接对传感器输出的 mV 级信号进行调理、滤波、放大和 A/D 转换，然后串行输出，无需使用外部仪表放大器，极大地简化了电路设计。 AD7705 的 A/D 转换功能也很强，其采用的Σ-Δ转换技术最高可实现 16 位无误码传输。在本次设计中，AD7705 的两个全差分模拟输入通道可以同时满足两路传感器输出信号的输入，通过软件编程可以方便地对信号增益、极性、输入通道、数据输出更新率和数字滤波器进行设置。AD7705 电路模块如图 2 所示。其中，传感器输出信号直接接入 AD7705 的差分模拟输入通道 AIN1 端。
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