本研究以病原菌为检测对象，通过蛋白A将病原菌抗体固定于金叉指阵列微电极表面，制备了一种阻抗型传感器。以Fe(CN)3－/4－6作为氧化还原对，经过化学电阻抗谱表征电极表面修饰及抗原捕获过程，采用等效电路阐述其阻抗谱的变化。实验结果表明，待测溶液中病原菌浓度的对数值与叉指阵列微电极的电子传递阻抗的变化值呈线性关系。传感器系统将上面的输出信号进行电压放大、A/D转换等处理，然后由已知的定量检测模型得出表征被测物含量的数值，并通过LCD装置进行显示，且可在超过安全值时进行报警。
1．2基本结构
实现定量检测和自动报警等功能，单片机是核心部件。本设计选用STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可满足系统工作的要求。该系统以STC89C52单片机为核心，包括阻抗测试模块、阻抗电压转换模块、电压放大电路模块、A/D转换模块和显示及报警模块。此系统采用模块化设计不仅便于扩充不同测量单元，而且可防止各模块间相互干扰，利于仪器稳定。
2硬件选型及电路设计
2．1集成放大器选择
A/D转换电路所需的电压幅值一般为2V，而叉指微电极输出的电压信号比较小，所以需要对叉指微电极输出的电压信号进行放大。主放大电路采用放大器ICL7650，其电路具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用及价格低廉等优点，广泛应用在各种电路中。
2．2A/D转换模块设计
经放大电路输出的电压值是模拟信号，不能直接送入单片机进行处理，还必须进行A/D转换后送入单片机进行处理。本设计选择ADC0809芯片作为AD转换装置，此芯片功能简单，能稳定实现本设计的要求。
2．3显示及报警模块设计
2．3．1显示电路设计
传感器需要输出液晶显示结果，主要包括检测物名及物质浓度等。本系统选用LCD1602液晶显示屏，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×2(16列2行，即32个)字符，可满足显示检测物名称和浓度的要求。
2．3．2报警电路设计
为了实现超限自动报警的功能，需要蜂鸣器接受单片机发出的超限报警信号发出警报，警示微生物的数量已经超标。要实现自动报警的功能，可采用实现单频音报警。其接口电路较简单，发音元件为压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压时，可产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可在单片机一端口接一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。浓度超标时，单片机P3．6输出高电平，驱动蜂鸣器报警，提醒检测者被测物超标，并做相应处理。
3软件设计
为了便于程序修改和升级，软件系统采用模块化设计方法，主要程序包括:主程序、键盘处理子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序及报警子程序。系统工作流程为:检测人员通过键盘输入被测物种类，MCU通过判断处理之后，阻抗测试仪测量获得多个阻抗值，经阻抗电压转换电路和放大电路，A/D转换器处理，将得到的数字信号送入MCU;MCU对数字进行计算、比较等处理，得到被测物浓度，判断出浓度是否超限;接着，MCU将浓度送入LCD进行显示，判断比较结果是否需要进行报警，需要时则控制报警器报警。
引言
随着机器人技术和复杂检测系统的出现，人们对触觉传感器提出了更高的要求。随着触觉阵列规模的扩大，希望A/D转换速度加快，而原先在小规模阵列触觉传感器系统中采用的共用A/D转换器的方法，已不能满足大规模阵列触觉传感器信号采集实时性的要求。因此，要想实现高速、高分辨率并且对小信号敏感的大规模阵列触觉传感器信号采集系统，关键部件就是A/D转换器。
本文利用混沌帐篷映射方法和开关电容（SC）技术，设计了一种新型A/D转换器。该A/D转换器的电路具有调理放大、误差补偿和A/D转换功能一体化的优点，并且电路简单、便于集成、功耗小；能以很高的性能价格比实现多路触觉传感器输出信号的并行采样和A/D转换。
1阵列触觉传感器信号采集系统的组成
模拟式阵列触觉传感器信号采集系统的原理电路见图1。该系统由m×n阵列传感器、列读取电路、行扫描电路、n个ADC电路、时序控制电路和计算机等组成。在时序控制电路的控制下，行扫描电路对m行阵列触觉传感器发送周期性激励信号；而列读取电路则周期性地并行读入n列输出信号。读n个信号经n个A/D转换器，把模拟信号转换成格雷码序列直接送到计算机；计算机完成格雷码向二进制码的转换，接着在时序逻辑的控制下，读取下一行的n列信号并进行A/D转换。计算机在获得1帧m×n触觉传感器信号后，就可以进行信号处理了。图1中除A/D转换器需要特殊设计外，其余各电路都有现有的产品，没有特殊要求。
2混沌开关电容A/D转换器的设计
2.1混沌开关电容A/D转换的原理
利用开关电容技术进行误差补偿的基本原理是电荷的再分配。电容失配误差利用开关转换储存起来，结果由电容上电荷的再分配而得到补偿。混沌帐篷映射是一种离散非线性系统，其映射关系为：
这一映射可以看到由两步组成：先将区间[0,1]伸长2倍，然后再压缩成原区间[0,1]。如此反复迭代操作，最终导致相邻点的指数分离，从而进入混沌状态。这种映射对初始值（系统的输入信号）的放大与通常的线性放大方法不同：线性放大倍数为一常数，而且受工作范围限制；而处于混沌状态的帐篷映射系统，是在有界的区间内，迭代1次将信号放大2倍，反复有限次迭代后，可以将微弱信号放大到可观测的水平，而不会出现溢出再现象。显然，这是一种非线性放大。帐篷映射系统的输入值Vin对应于系统的初始状态x0。x0可以二进制小数表示：
为了得到离散帐篷映射的迭代输出与x0的关系，引入另一种非线性映射——离散贝努利移位是映射：
这一映射的作用是每迭代一次，就将二进制位t1、t2、t3、……向左依次移出一个二进制位，即
对于贝努利移位映射，令bn=sgn(x''''n-0.5)，作为贝努利移位映射的第n次迭代输出，由于bn=tn,且bi(i=0,1,2,…)是一个二进制序列；对于帐篷映射，令gn=sgn(xn-0.5)，则gi是与bi对应的格雷码序列，即
根据上述和初始时刻x0=x''''0=Vi，可得：
因此，通过将帐篷映射迭代输出的格雷码序列gi(i=0,1,2,…)，转换成贝努利移位映射的二进制序列bi(i=0,1,2，…)，可推算出初始值（输入信号的二进制数字量），即
式（7）中{Vin}表示输入信号的二进制数字量。gi(i=0,1,2,…)就是经过帐篷映射完成了对输入信号的非线性放大和A/D转换的格雷码形式的数字量。
2.2混沌开关电容A/D转换电路的实现
利用并关电容技术进行电路设计，有其独特的优点：电路的性能与电容无关，只取决于电容之比，两个电容比值的误差小于1/1000，因此电路运算精度高；电路便于实现大规模集成，因而电容体积小、工作可靠、成本低，功耗小（一个开关电容A/D转换器功耗4mW）等。这些优点对模拟式阵列触觉传感器信号采集系统最有利，因此该系统需要大量的ADC。
图2混沌开关电容A/D转换电路
基于帐篷映射的开关电容A/D转换电路如图2所示。运放A1、A2及周围的电路完成帐篷映射，即完成对输入信号的非线性放大和A/D转换；C4、C5、A3及周围的电子模拟开关组成保持电路，输出信号V0为输入信号的格雷码形式的数字量。图3为电路时序控制逻辑。
图2电路，当启动信号为高电平时，电子模拟开关指向“1”端，输入信号Vi接通。延时t1时间后，D触发器产生一个脉冲信号，这时，若0≤Vi≤0.5，则电子模拟开关S1指向“2”端，C1、C3和A2及有关的电子模拟开关构成一个开关电容比例延时器，如图4所示。在（n-1）T时，Vi给C1充电，充电电荷为C1Vi（n-1），C3被短路，V02(n-1)=0;在nT时，C1中电荷转移到C3中，充电电荷为C3V02（n），由电荷守恒原理，其差分方程为：
C1Vi(n-1)=C3[V02(n)-V02(n-1)]=C3V02(n)(8)
式（8）经过Z变换可得该电路Z域传递函数：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)Z-1(9)
若取C3=0.5C1，则有：
H（Z）=V02(Z)/Vi(Z)=(C1/C3)/Z-1=(C1/0.5C1)Z-1=2Z-1(10)
可见，图4的电路具有起放大作用的比例延时功能，实现了对输入信号的翻倍，即实现了y=2x的运算；同时对C4充电，当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C1充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号入大，直到可观测为止。
同理，当0.5≤Vi≤1时，Vi向C2充电，电子模拟开关S2指向“2”端，这时，C2、C3和A2构成另一个开关电容比例延时器，把式（9）中的C1换成C2，就是这个比例延时器的Z域传递函数。“e”脉冲为高电平时，C2中电荷Q=C2Vi转换到C3中，若取C3=0.5C2,就实现了y=2(1-x)的运算；当下一个“o”脉冲为高电平时，C4中电荷转移到C5中，这时开关S0指向“2”端，把输出信号Vo反馈到输入端，给C2充电，实现迭代运算。经过n次迭代后，使Vi信号放大到可观测为止。
这样，经过一个周期T，完成了对Vi一个样点的采集。如此周而复始地进行A/D转换工作。D触发器输出的信号就是格雷码序列：
将gk序列和初始条件b0=Q0代入式（6）中，就得到贝努利二进制序列bk（k=0,1,2,…）。当然，只要把ADC的输出信号Vo(格雷码序列)送入计算机，转换成二进制数字量的工作，可由计算机通过软件来实现。
3实验结果
利用图4的信号系统对5×7应变式微型阵列传感器输出的信号进行非线性放大和A/D转换实验，实验结果见表1。表1中为第4行7个传感器输出信号进行A/D转换的结果。实验结果表明，基于帐篷映射的开关电容A/D转换器可有效地实现对小信号的放大和A/D转换。
4结论
本文利用混沌电路对小信号敏感及它具有的非线性变换的独特性能，设计了混沌帐篷映射开关电容新型A/D转换器。这种A/D转换器适用于机器人模拟阵列触觉传感器输出信号的A/D转换。它集调理放大和A/D转换于一体，具有电路简单、易于集成及功耗小的特点。开关电容电路只有二相时钟，电路性能只取决于两个电容之比而与电容绝对值无关，因而电路运算精度高、成本低。利用该A/D转换器可实现多路触觉信号的并行采样和A/D转换，以满足大规模阵列传感器信号的实时采集要求。实验结果证明了本方法的有效性。
表1A/D转换实验结果
传感器（4，1）（4，2）（4，3）（4，4）（4，5）（4，6）（4，7）
测量值/mV0806718824617025
计算值/mV0.080.266.4187.5242.3168.924.7
格雷码
引言
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。
一、系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
二、工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。
工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
三、硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。
3.1单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。
3.2传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。
3.3键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
3.4液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
3.5AD转换电路及控制输出
AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。
四、软件设计
4.1键盘程序
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。
五、结束语
基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。
参考文献：
2模块电路设计
2．1主控制器端口分配及人机交互模块
主控制器选择TI公司的MSP430F169，利用其丰富的中断作为按键输入，内部自带的UART模块实现串口通信，采用IO口模拟SPI总线与DAC通信，低功耗的128×64LCD用于显示输出信号大小及对应的气象量。主控制器的最小系统及端口分配如图2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按键，采用中断方式。4个按键的功能包括：调节电信号和气象量之间的转换关系键SET、增大和减小输出信号键UP和DOWN、确认保存参数键ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等为LCD的控制总线；P5．0～P5．7为LCD的数据总线；P3．6～P3．7为单片机部自带的UART模块的收发端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作为DAC的SPI总线；P4．3～P4．6用于存储器的总线。TDO／TDI～TCK为单片机的下载口。P6．0端口MeaV为单片机内部自带的ADC模拟输入通道，用来监测系统电源。晶振X2和电容C1、C2构成时钟电路，电阻R8和电容C3构成上电复位电路。
2．2模拟信号产生DAC模块
为产生程控的高精度电压信号，采用高精度的数模转换芯片，辅以总线隔离、电源隔离等措施提高精度。工艺上采用四层印制板电路。产生的信号为微伏级，选用16位的低功耗、单通道电压输出型DAC芯片AD5660，满量程输出电压范围可达2．5V。软件编程模拟SPI总线与主控制器通信。AD5660内部硬件结构如图3所示，主要由数字量输入寄存器、电阻串型DAC、基准源、输出缓冲放大电路组成。由图3可知，AD5660内部含有一个增益为2的放大器。设D为载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，则输出电压VOUT的大小为16位的AD5660－1内置1．25V的基准电压，输入数字量D的范围为0～65535。根据式（1），输出电压VOUT的范围为：0～2．5V。采用总线隔离和电源隔离措施，以提高输出电压的精度。iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM1401具有优于光耦合器的出色性能［4］，系统利用ADUM1401作为DAC模块的SPI总线数据转换器，使AD5660的总线与主控制器完全隔离。同时，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D为信号产生部分提供独立电源。MEB01Z－05S05D的输出功率可达到1W，且其具有极低的纹波，Vp－p≤10mV。其电路如图4所示。
2．3信号调理电路
湿度传感器输出信号为0～1V，气压传感器设置于模拟模式时，输出电压为0～5V，而总辐射传感器的输出信号十分微弱，小于30mV。DAC输出信号需要经过调理电路，产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。这里以产生0～30mV的微弱电压信号为例，设计其信号调理电路如图5所示。
2．4参数存储及串口构成软件补偿电路
除采用总线隔离、电源隔离、低温度系数电阻、低失调电压运放等提高系统输出信号的精度外。设计参数存储和串口通信电路，利用软件来对信号输出进行校准，进一步提高输出信号的精度。软件补偿的思路是采用零满刻度校准法，用高精度的61／2位数字万用电表测量系统在零点和满量程时的实际输出，并记录与理想值的偏差。上位机通过串口将偏差值写入到存储器中。系统每次进行D／A转换之间先读取存储器中的偏差值，并调整单片机送给DAC的数字量，使输出信号接近理想值。偏差值存储于EEPROM中，如图6所示。同时，气象量和电信号之间的转换函数关系也存储于EEPROM中。MSP430F169内部自带了UART模块，只需在辅以常用的MAX232构成电平转换电路即可与上位机通信。
3系统软件电路设计
系统任务主要包括时钟初始化、LCD的初始化、信息显示、系统电源电量显示、软件校准、按键切换输出档位等。根据各功能模块，确定系统的软件设计流程和中断服务程序功能。主程序主要完成初始化工作；电量检测需定期进行，故在定时中断服务程序中完成；档位切换和信息显示等在外部中断服务程序中实现；校准参数和转换函数通过串口的中断服务程序由上位机写入EEPROM中。系统主程序流程如图7所示。输出信号大小的调整由按键中断服务程序实现，图8为UP键按下时的服务程序流程。
4系统测试
为提高系统精度，PCB采用4层印制板。中间2层为GND和隔离后的电源。利用高精度的61／2位数字万用电表对系统进行零满刻度校准。校准步骤如下：（1）设定输出值为0mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值V1；（2）将V1通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1计算零点偏差，并保存于EEPROM中；（3）设定输出值为30mV，利用万用电表测量此时的实际输出电压值为V2；（4）将V2通过串口调试助手写入下位机，单片机根据V1，V2，计算线性校准函数的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系统校准后，再通过按键切换输出档位，并用万用电表测量实际输出值，测试结果如表1所示。结果表明，系统经过软件校准后，输出微弱电压信号的误差小于10μV。但通过高速的数据采集卡测量，系统瞬时值存在80μV的抖动。分析其原因是由于万用电表测量时进行了滑动平均处理，测量值为短暂时间的平均值，抖动被抵消。经过反复测试和分析得知，虽然采用4层PCB在硬件上减小了干扰，但空气中的电磁场仍然在PCB板上形成了干扰。整个PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的电磁环境下测试。
2学习任务
任务1：制作防盗报警器．任务2：制作位置传感器．任务3：制作模拟电梯关门控制电路。
3问题与方案
通过阅读教材与实验探究完成以下问题：（1）什么是霍尔效应及应用？（2）单、双干簧管的检测方法有哪些？（3）磁敏元件在控制电路中起什么作用？（4）用干簧管与霍尔开关设计、制作简易的磁敏传感器．能画出方案图并说出工作过程．
4探究过程
4.1熟悉器材
具体器材如下：磁敏元件，稳压电源，负载［电位器、定值电阻、12V或6V直流电动机、蜂鸣器、小灯泡、SRD－05V或JZC－23F（12V）的直流电磁继电器］，MF－47型万用表，DT830B型数字万用表，逻辑非门74LS14或74LS04，三极管（S9013，S9018，S8050等），面包板等．
4.2实验探究
4.2.1制作防盗报警器
利用干簧管、电磁继电器、霍尔开关、非门的特点进行设计．所做的作品和市场销售的“门磁”相同，灵敏度高，简单实用，形象、直观地演示了磁敏传感器工作原理及磁控开关的应用．（1）干簧管与继电器制作的防盗报警器，小灯泡为“6．3V，0．15A”，根据负载选取电源电压，J和Ja是5V继电器，J为线圈，Ja为常闭触点．将小磁铁嵌入在活动门的上方边缘上，将常开干簧管嵌入在门框内，让两者相对靠近，即门处于关闭状态，此时干簧管内两簧片闭合．接通电路，继电器线圈得电，常闭触点Ja动作断开，工作电路不接通；当有人开门时，磁铁与干簧管远离，两簧片断开，线圈失电，Ja触点释放复位闭合，工作电路接通，蜂鸣器发声报警，红灯亮．（2）干簧管与非门制作的防盗报警器，采用74LS04非门，R为2．2kΩ电位器或电阻箱，首先按图将元件接插在面包板上，接上5V电压，再调试电位器R，当其阻值在1～2kΩ时，蜂鸣器发声报警，然后用小磁体靠近干簧管，报警声停止．本电路工作过程为：当门关闭时，永磁体使干簧管接通，非门输入端A与电源负极相接，处于低电平，则输出端Y为高电平，蜂鸣器不发声；当开门时，没有磁场作用，干簧管不通，非门输入端A高电平，则输出端Y低电平，蜂鸣器通电发声报警．（3）制作霍尔防盗报警器，R为5kΩ电位器（或电阻箱），采用74LS04非门，首先按图将元件接插在面包板上，接通5V电源，调试电位器，当R为2～4kΩ时，蜂鸣器发出报警声，再将小磁铁靠近霍尔开关平面，报警声立刻停止．本作品在生活中应用是：将小磁铁固定在门的上方边缘上，将霍尔开关固定在门框的边缘上，让两者靠近，即门处于关闭状态，霍尔开关输出为低电平，非门输出端Y为高电平，蜂鸣器达不到工作电压不报警；当门被撬开时，霍尔开关输出为高电平，非门输出端Y为低电平，蜂鸣器接通发出报警声．
4.2.2制作干簧管位置传感器（自动停车的磁力自动控制电路）
用于玩具车接近磁铁时自动切断电源的自动控制电路，电源电压3～4．5V，R为200～500Ω电阻，M为6V直流电动机，VT为三极管9013，8050，9012等．开启电源开关S，三极管VT基极有偏置电流，VT处于饱和导通状态，玩具直流电动机M转动．当磁铁靠近H时，触点闭合，将基极偏置电流旁路，VT截止，电动机停止转动，保护了电动机及避免了大电流放电．
4.2.3制作模拟电梯关门控制电路
参考电路，VT为三极管9012，9014，9013等，J为12V电磁继电器，小灯泡为6．3V，接6～11V电源，按图接插电路元件，调试电位器，当R2阻值达到8～10kΩ，R1达到2．2kΩ，电流达到45mA时，用磁铁靠近霍尔开关，电流达到50mA时再微调R2与R1，电流稍高于50mA时，线圈得电，触点动作，电动机转动，绿灯亮；磁铁离开时，电动机停转，绿灯熄灭，同时红灯亮，蜂鸣器发声报警．模拟了电梯门关闭时，电梯才能运行，不关闭时红灯亮，蜂鸣器报警，此电路灵敏度高、可操作性强。
0 引言
两缸两冲程小型发动机结构简单、体积小重量轻、并且升功率显著高于四冲程发动机，由于有着以上优点，被广泛应用于小型摩托车、航模甚至是小型的发电设备上。[1]本文对两缸两冲程小型发动机的控制原理、系统构成及系统设计要求进行了研究，在此之上提出了一种适用于该类发动机的控制策略，以及相应的控制单元ECU的设计方法。[2]
1 控制系统的基本结构和设计
控制系统由传感器、控制器ECU和执行器三个部分组成。空气经过节气门进入进气道，燃油经喷油嘴喷射进入进气道，跟新鲜空气混合后进入气缸。在气缸内经火花塞点火燃烧，废气由排气管排出发动机。[3-5]
1.1 传感器
本文设计的电控系统所用的传感器主要有：发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、进气温度压力传感器和排气氧传感器。
1）发动机曲轴位置传感器
该传感器主要有磁电式和霍尔式两种，本文采用磁电式。曲轴前端安装有特定齿数的齿，齿的边缘安装传感器。当齿旋转时候，传感器端即可产生相应位置的脉冲信号，使用整形电路对该脉冲电路进行整形成为矩形波，当发动机转速高时，矩形波的波幅较窄，当发动机转速低时候，矩形波的波幅较宽。ECU依次来计算发动机的转速。
2）节气门位置传感器
节气门位置传感器向ECU提供进气道节气门的角度位置，该数据是计算发动机的进气量、负荷和驾驶意图的重要参数。
节气门通常分为电子式和拉线式两种，本文采用的是自行研究开发的主动驱动式电子节气门，图1是该节气门的结构示意图。[6]ECU通过CAN总线连接该节气门部件，控制电路获取信号后驱动直流电机转动，电机的扭矩通过齿轮组带动蝶阀转动。蝶阀轴顶端安装有霍尔传感器，当蝶阀转动时，该传感器会感应到该变化，转换成跟角度相应的模拟信号，并将该信号传递给控制单元ECU。
3）进气温度压力传感器
本文采用的是温度压力一体是传感器，具有体积小重量轻的优点，尤其适合小型发动机使用。该传感器安装在进气系统的过渡管路上。
4）氧传感器
氧传感器安装在发动机的排气管中，用于测量发动机尾气中的氧含量。使用该传感器进行喷油的闭环控制，可以精确控制喷油量达到理论空燃比。
1.2 电控单元ECU
发动机电子控制单元ECU是整个电控系统的核心部分，它在发动机运转过程中接收传感器信号，并进行处理计算后向执行器发出控制信号，执行器按照ECU的控制意图进行工作。
图2是本文使用的控制器的构成图，图中左侧是上文描述的传感器，其中曲轴位置传感器是整形后的矩形波，连接至ECU的Timer管脚，ECU通过边沿触发中断来进行信号分析和计算。其他三个传感器的信号均为AD信号。控制器的右侧是点火、喷油和氧传感器加热器这三个执行器。
1.3 执行器
本文的执行器主要有喷油器、点火线路和氧传感器加热器三个部分。
1）喷油器
喷油器是一种电磁开关装置，由发动机控制单元ECU发出PWM波形，经过放大后驱动电路来控制喷油器的开启和关闭，通过喷油脉宽即PWM波形的幅度来控制电磁阀的打开和关闭之间的时间，进而控制喷油量。通过喷油正时来控制电磁阀打开的时机，进而控制喷油提前角。
2）点火线路
点火线路由点火线圈和火花塞两个部分组成，控制单元ECU通过Timer管脚发出PWM波形，进而控制初级线圈导通，最终达到控制点火的提前角和和点火能量效果。
3）氧传感器加热器
本文选用的氧传感器LSU4.9的工作温度在750℃附近，偏离这一工作点，会直接导致测量偏差，进而引起喷油量计算的不正确，导致发动机工作异常。因此有必要对氧传感器进行温度控制。
图3是氧传感器的温度控制图，把传感器上的温度和要求温度一起导入ECU，经过PID计算计算后，输出PWM信号，该信号经放大电路放大后引入加热丝，进而引起氧传感器的稳定变化，达到闭环控制的效果。
2 控制策略研究
图4是本文所采用的系统控策略，整个控制系统分为7个计算模块，分别是转速计算、点火提前角计算、点火脉宽计算、喷油提前角计算、喷油脉宽计算、点火控制计算和喷油控制计算。以下分别加以叙述：
1）转速计算
该计算任务是中断任务，当ECU捕捉到脉冲边沿，发生中断任务，计算相邻的脉冲波形的间隔，加以滤波，即可获得当前发动机的转速。
2）点火提前角计算
该任务是定时任务，每隔10ms计算一次。点火提前角以发动机转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的点火提前角，当高转速时输出较大的点火提前角。
3）点火脉宽计算
点火脉宽以进气温度和进气压力作为计算参数。当进气温度低进气压力高时，适当提高点火时间，当进气温度高进气压力低时，适当降低点火时间。
4）喷油提前角计算
喷油提前角以转速作为计算参数。当低转速时，输出较小的喷油提前角，当搞转速时，输出较大的喷油提前角。
5）喷油脉宽计算
喷油脉宽以废气氧含量、进气压力、发动机转速和节气门位置为计算参数。其中进气压力和发动机转速设计为一张三维表，进气压力越高转速越高，说明发动机负荷越高，此时应加大喷油脉宽，进气压力越低转速越低，说明发动机负荷越低，此时应减小喷油脉宽。废气氧含量对以上计算结果进行修正，让空燃比保持在理论空燃比附近，达到节能减排的效果。节气门位置对以上计算结果进行二次修正，以达到较好的操纵性能。
6）点火控制任务
该任务是实时中断任务，发生在上止点时刻。当ECU通过曲轴相位传感器的信号判断出发动机处于上止点时，发生该任务。在该任务中，ECU把点火提前角的计算结果进行转化设置在Timer寄存器中开始计时，以达到在点火提前角达到的达到的时刻计时完成，发生点火中断，继而发出指定点火脉宽的PWM波形。该波形经放大后驱动点火线路打火。
7）喷油控制任务
该任务跟点火控制任务基本类似。
3 结论
本文主要介绍了两缸两冲程活塞小型发动机电控系统的控制器ECU和控制策略的设计方法。依次方法设计出了一款满足该领域使用要求的高度集成化的控制器，该控制器层次简洁、清晰，模块之间相互独立，提高了系统的可靠性。经试验验证，完全达到了对该类型小型发动机的实时性和精度的控制要求。
【参考文献】
[1]黄建，曹占国.小型二冲程航空汽油机电控系统研究[J].小型内燃机与摩托车，2012，2.
[2]马二林.FAI二冲程缸内直接喷射航空用打洞机的研究[D].天津大学，2013.
[3]姜学敏.某型发动机电控燃油喷射技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.
中图分类号：TP751.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）02-0223-03
Abstract： Higher education reform focused on "heavy practice， integrated heavy， heavy and innovation"，this paper introduced how to design a mobile robot teaching platform which was based on LPC1768 system. some experiments will design for student in order to improve students' practical ability. and could make student connect knowledge， practical application of knowledge and improve qualities together .
Key words： Embedded systems； mobile robot； practice； teaching platform；
机器人技术是一个国家科学技术水平和国民经济现代化、信息化的重要标志，而嵌入式系统则是机器人控制的核心部分[2]。针对笔者所在的院校向应用化改革的目标要求，设计了一门针对探索建立新型概念课的方法和方式，把知识的学习、素质的培养和实际应用联系起来。树立以学生为本，知识传授与能力培养并举，素质提高与协调发展并重的实验教学观念；以实验技能训练为核心，重应用，强调规范和精确[3-4]。本课程是将电子专业课程《C语言程序设计》，《嵌入式系统》，《传感器技术》， 《移动机器人技术》结合起来，将电子专业学生掌握的专业技能项目进行重新整合，建构一门新型实习实训课程。本课程着重于学生的应用能力的培养。
1 课程设计架构
本课程的设计根据学生的差异性分成两部分。
本课程的基础部分的整体框架是以传感器信号作为输入，以LPC1768作为CPU处理器[5]，以串口或者LCD1602作为输出显示。从而构成一个简单的系统。综合部分学生可以结合自动控制的内容，实现诸如温控系统、超声探障报警系统等内容的设计。总体框架如图1所示。
图1中最左边是传感器，示意图中列出了超声传感器，红外传感器，温度传感器。当然可以设计其余的传感器传入。中间是处理信息的中心也即是嵌入式系统，设计中采用的是cortex-M3芯片，右边是数据获取显示部分，可以采取串口通过USB转串口线在上位机超级终端上显示，也可以通过无线传输模块将数据传输到上位机上，通过超级终端上显示。还可以通过I2C挂接LCD1602，在LCD1602上显示数据信息。
本课程的扩展部分是自主控制移动机器人的设计。使用嵌入式系统LPC1768作为主CPU，实现移动机器人的运动控制以及传感器数据的获取，移动机器人周围会搭载一系列传感器，如超声传感器，红外传感器，陀螺仪，电子罗盘，里程计等等。通过CPU控制电机实现控制移动机器人运动，通过超声传感器和红外传感器结合实现移动机器人周围障碍物的探测，而后CPU会处理传感器数据，通过处理的信息会进一步控制移动机器人的运动，通过陀螺仪，电子罗盘，里程计等传感器信息去获取移动机器人的位置信息。因为涉及到移动机器人运动控制部分的内容，所以会将学生分成几个小组，也会将任务分成各个部分。让学生以综合作业的形式提交。
图2所示则为扩展部分移动机器人设计框架，左边是获取周围环境的传感器信息，右边是显示部分，可以通过串口或者是无线模块nrf24l01将数据传输到PC上。传感器的数据获取以及处理则在LPC1768上实现。由图2可以看出，此设计仅仅使用了创意之星的底层框架，会使用LPC1768控制舵机运行。传感器数据获取处理，以及移动机器人的控制也是由LPC1768实现的。由于考虑到CPU的处理能力，后续会继续在此基础上使用多CPU进行改进。
2 课程体系设计
本课程将分成理论课程，实验课程以及综合设计三块内容。
第一部分是嵌入式基础知识的学习。主要包括嵌入式系统的软硬件介绍，开发环境介绍，会就嵌入式C与普通C语言的区别以及一些嵌入式C中常用的关键字如volatile进行介绍。而后会对一些与传感器连接需要使用的外设接口进行介绍，包括四个小部分，分别是通用GPIO的介绍，定时计数器的介绍，无线通讯模块的介绍以及I2C接口的介绍。
第二部分是传感器相关模块的介绍。首先介绍什么是传感器，而后分别介绍各个传感器，包括红外传感器，温度传感器，超声传感器，电子罗盘，陀螺仪等。
第三部分会留出一段时间让学生以项目的形式自己设计一个系统。会给定一些可选题目，学生也可以选择自己感兴趣的传感器去进行研究，形成一个完整的系统，需要学生提交项目计划书，产品使用说明书以及软件测试代码，测试报告等内容。
与理论课程相对应的会有实验课程结合，针对嵌入式系统的基本知识会有5个实验相对应，分别是嵌入式开发环境如何使用，主要是介绍keil软件的使用，如何创建工程，如何调试代码等。而后是对于通用GPIO接口的使用，之后是定时计数器的使用，主要是实现利用定时器精确进行计时。最后是I2C总线的介绍和使用。
针对传感器知识也设计了相关的实验，首先针对红外传感器会让学生学习如何设计了一个简单的遥控器，针对温度传感器DS18B20，要求学生能够设计一个温度报警系统，能够获取当前温度信息，当温度信息超过一定限值的时候，通过蜂鸣器进行报警。针对超声传感器，主要可以用于获取15cm-4m范围内的环境信息，希望学生能够实现每次按键中断能够获取一个障碍物距离信息。且能够通过I2C接口将数据显示在LCD1602的屏幕上。接下来九轴传感器的数据信息获取是基于I2C接口的，所以需要学生在了解I2C接口的基础上能够获取九轴传感器上电子罗盘，陀螺仪，加速度计的数据信息，且能够进行相应的处理。
针对自选项目会分层次给出题目。一般性题目诸如温度报警控制系统，有毒气体探测报警系统，超声障碍探测系统等。针对自主控制移动机器人部分，会给出诸如多红外传感器感测移动机器人四周障碍系统设计，该设计会作为独立模块要求学生使用单片机实现），超声红外探测障碍系统：与第一部分的区别是会要求学生使用舵机控制超声传感器动态探测前方障碍等。
3 课程的教学方式
本课程属于全新课程建设，包含理论教学、实验教学以及项目驱动教学。
（1）对于嵌入式系统的教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。
由于嵌入式系统是一门综合性很强的课程。从工程的角度分析，它是涉及了机械、电子、计算机等多个学科的系统，单个学习者很难掌握当前嵌入式系统开发的全部知识和技能。因此，各个专业的嵌入式系统教学所侧重的内容是不同的。比如电子和电气专业的嵌入式课程的教学内容更多的侧重于硬件电路设计。就计算机专业的角度分析，嵌入式系统涉及了计算机体系结构、微机原理和接口技术、实时操作系统和计算机编程等诸多知识内容。而且目前存在多种不同的嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统平台和开发工具，如何在诸多的技术中进行教学内容的选择，是首先需要解决的问题。本课程计划采取嵌入式系统教学采用理论知识，软件代码以及实验结合教学的方法。由于本实验实训课程主要着重于嵌入式系统的外设使用，因此会避开硬件设计、操作系统、makefile等相关内容，直接采取首先介绍各个接口，而后介绍用到的寄存器，之后介绍如何使用寄存器操作接口，如何使用下载器，通过例子代码以及实物演示的方法来介绍如何使用，之后通过给定实验题目让学生在实验课程上使用理论课学习的知识来编写代码实现相关外设使用。
（2）对于传感器知识部分，采取首先介绍相关传感器的理论知识，而后实物展示，之后通过讲解传感器数据获取，处理代码让学生大概了解内部的工作原理，由于时间限制所以不要求学生会编写所有的传感器内部数据获取、处理的代码，最后会在实验课提供给学生实验课程的相关传感器初始化，读取，使用的接口代码。学生只需要能够使用各个传感器的接口代码获取传感器数据就可以了。
（3）对于最后的综合实验课程以项目组织实施的方式对学生进行指导和管理。
嵌入式系统无处不在，越来越多的数码产品充斥着我们的日常生活，如手机、数码相机、各式各样的机器人、电子交通工具、智能仪器和车载电子系统等等，而且其更新升级的速度也越来越快。这些都体现了嵌入式系统的设计和开发需要有不断创新的精神，并且需要采用研究性方法来进行设计和开发。
传统的嵌入式教学只是注重于知识的单向传播，即老师向学生灌输最终的概念、原理和结论，学生则是被动的接收和被动的记忆。学生被禁锢在课堂上、实验指导书上，极大地限制了学生的素质和创新能力的培养。在本实验实训课程的教学中，通过项目和自行创新实验的设置，大大地激发了学生的创造潜力，培养了学生的科研能力。而且通过鼓励学生参加各种机器人相关的比赛，也能够提高了学生自主创新的积极性和成就感。
本设计最后的项目，可以学生自己提出一个自己想要实现的程序，而后利用我们LPC1768实现相关的内容，同时我们也会分层次给出几个设计题目供学生选择。如气体传感器探测系统。学生可以自己选择相关的传感器，目前气体传感器有MQ2气体传感器、可燃气体传感器、二氧化碳气体传感器、空气质量传感器等很多。学生可以自己选择某种传感器去进行设计。
如学生可以选择一个可燃气体传感器做一个可燃气体探测报警系统的设计。这种设计能够用于家庭，放在厨房，当厨房可燃气体超过一定数值的时候就能够报警，对于家用安全有非常重要的作用。学生也可以选择空气质量传感器做一个系统，当今社会越来越多的人对于空气质量的指标越来越重视，如果学生能够设计出一个这样的系统去实时探测当前的空气质量，既有实际意义也能够激发学生对于电子专业的强烈的兴趣。
此外对于项目设计，要求学生在整体项目完成的过程中需要有项目需求说明书，概要设计说明书，详细设计说明书，在设计的过程中需要有对于每个设计文件的说明书以及测试代码，测试文档。对于整体设计完成之后需要有结题相关文档等。让学生在过程中了解一个软件项目中应该要做的不仅仅只是软件代码编写，还包括需求说明，设计说明，详细设计说明文档，软件功能测试代码，软件功能测试文档，系统测试代码，系统测试文档等等内容。
4 课程的考核方式
课程考核由实物演示、设计报告和答辩等三个环节组成，分别按照40%、30%、30%的比例构成。要求学生演示自己的实物，需要提交自己设计产品的使用说明书以及实验报告，最后会有一个答辩环节，三者结合给出最后成绩。
5 总结
本课程主要是将本校电子专业学生所学习的知识融合起来，让学生能够利用所学的知识进行应用。笔者在所带嵌入式系统课程上针对基础设计部分做了尝试，效果良好。学生就在学习嵌入式系统理论知识，实验操作之后，最后的大作业就设计出温度报警系统，超声传感器测距模块等应用系统。
参考文献：
[1] 殷建军，张明武，万军洲.竞教结合的嵌入式系统实践教学改革[J].计算机教育，2011，2（2）：1-4.
[2] 孙士明，刘新平，郑秋梅，等. 计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J]. 实验室研究与探索，2009，28（5）：122-125.
[3] 原亮，丁国良，李浩，等. 嵌入式系统的综合教学实验环境建立[J]. 实验室研究与探索，2008，27（1）：92-95.
[4] 汪治华，刘岩，全晓莉， 杜凯； 构筑综合学习平台， 改革创新工程教育[J]. 高等工程教育研究，2011（1）：139-142.
[5] 周立功.ARM 嵌入式系统基础教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
1.引言
现代社会是信息化的社会，人们的主要交流和沟通都是通过对信息的传递、处理而进行的。传感器就是人们从自然界获取各种相应外界信息的方式，能够将相应的需要采集的信息转换成为控制芯片能够识别的电流或者电压等信号，在现代的控制测量系统中具有不可缺少的作用。
本论文主要介绍的是电涡流式位移传感器。电涡流式位移传感器属于电感式位移传感器的一种，是基于电涡流效应而工作的传感器，具有很多优点：高分辨率、高可靠性、较宽的频率响应以及较高的灵敏度等等。
该传感器还具有很强的抗干扰能力，相比而言，传统的传感器具有非线性误差，要求工作环境恒定或者价格较高[1]。
2.电涡流式微位移传感器
2.1 传感器发展历程
国外在工业化的过程中，逐渐将传感器广泛应用在各个生产领域，在航天和军事领域也有十分领先的传感器应用。之后伴随各个国家的机械、自动化、计算机等信息产业如日中天，欧美国家以及亚洲的日本都对世界的传感器具有相当重要的影响。
我国主要是在1960年开始对传感器进行开发工作。国家组织大批科研人员对其进行研究和开发，并实施了“八五”、“九五”等国家计划，使得其取得了十分瞩目的应用成就。然而我们也应该清醒地意识到，我国在传感器的基础制造工艺等方面还不能和发达国家相提并论，许多核心技术以及芯片都要进口。与此同时，我们的传感器在国际上没有太大竞争力，产品研发和更新速度很低，缺少实用创新性[2]。
2.2 传统传感器缺点
以往的传感器和电涡流位移传感器比起来，具有以下几个方面的严重不足：
（1）输入一输出特性存在非线性且随时间而漂移；
（2）环境会干扰参数，使得测量结果发生漂移；
（3）因结构尺寸大，而时间响应特别差；
（4）易受噪声干扰、信噪比低；
（5）灵敏度或者分辨率不够理想。
2.3 电涡流式微位移传感器
本论文所要介绍的电涡流位移传感器，其工作原理是利用了涡流效应。该类型的传感器，通过涡流效应使相应的位移的变化，转换成线圈的阻抗值变化；之后利用特定的电路将线圈阻抗值变化转换成为电压的变化，再进行检测和输出，根据相应的公式或者经验，能够还原成位移信息。这种传感器具有很多优点，比如具有很高的灵敏度、简单的结构以及及时的动态响应。该传感器广泛应用在测量振动和位移等信息量上。大体上输出的电压信号与位移的变化量是线性的关系，公式是ΔS=K・ΔV。其中K是系统的比例常数，在不同的传感器中根据系统结构的不同是不一样的。
2.4 电涡流式位移传感器测量原理
公式能够精确描述该原理。我们根据公式可以得知，在其他条件不变的情况下，Z（线圈的阻抗）与S一一对应。电涡流传感器测量位移的原理就是基于此公式，在特定的信号激励过程中，传感器会依据位移变化而产生电压的变化。
3.测量系统的硬件设计
3.1 主控芯片
本论文设计的电涡流微位移传感器使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场[4]。
下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。AT89S52单片机具有最大能够支持的64K外部存储扩展，同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口，分别是从P0到P3，同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外，还具有其它功能，也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5V。
3.2 显示模块
本论文设计的LCD1602电路，该液晶模块能够显示2行*16列的字符，相对于数码管而言，显示更加灵活多变。该液晶模块用来显示其测量处理后的数据。
4.测量系统的软件设计
本论文的主程序循环采集电量的变化，并实时显示在液晶模块上。系统软件是指完成系统设计功能的软件。为了提高系统的实时性、可靠性，在编写系统应用软件时，主要考虑以下两方面：
（1）提高系统抗干扰性能。在工业现场不可避免的有各种抗干扰因素。因此本系统除了在硬件上硬件复位和加电容滤波外。在软件上，采用了指令冗余技术、延时消抖技术以及对位移大小采样值进行中值滤波的数字滤波方法，进一步提高系统的抗干扰能力。
（2）采用模块化编程。将系统的应用程序分为若干个功能模块，这些模块可以任意更改而不影响程序的其余部分，将各个功能模块程序调通后，再把各个功能模块结合起进行联调，这大大减少了调试时间，提高了程序的通用性，方便程序的修改和检查。
5.总结
电涡流位移传感器是一种基于电涡流效应的传感器，能够将位移的变化转换成电量的变化。本论文主要介绍了传统传感器的发展历程，进而介绍了电涡流式微位移传感器的测量原理和优势，并基于单片机设计了测量系统。
参考文献
[1]谭祖根，汪乐宇.电涡流检测技术[M].北京：原子能出版社，1986.
1 引言
由于在局部的温度通常具有不一致性，因此在检测环境温度时，传统的单一测点测量温度的方法并不能够准确说明实际的温度信息。在同一环境中，对多点进行温度测量，能够有效解决这一问题，使得温度测量更加准确。但是多点温度测量的温度测量点比较分散，如果使用传统的有线布线方式的话，则系统设计复杂，十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统，采用了nrf9e5无线芯片，主控芯片采用的是at89s52单片机，温度测量的传感器为ds18b20[1]。
本论文首先介绍系统整体设计方案，然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
2 系统方案
无线数据传输按照传输方式的不同，可以分为：点对点、点对多点以及多点对多点。本论文所设计的系统由主控芯片51单片机、主接收器以及多个测量终端组成。每个测量终端都是通过无线传输模块nrf9e5传递数据，进而形成无线传输的温度采集系统。系统框图如图1所示。
将相应的温度传感器分布在所要测量环境的不同位置，就能够精确评估环境温度。然后再将这些测量得到的温度经过无线通信模块发送到主控芯片上，主控芯片对数据进行处理和显示。
3 硬件电路设计
3.1 无线数据传输模块
nrf9e5具有和8051相互兼容的微控制器，但是时序和指令都与其有些差别。nrf9e5与cpu的数据交换是通过串口来进行的。
nrf9e5和其他模块通信主要是通过自身内部的并行口和内部的spi口。nrf9e5与nrf905等具有一样的功能。收发器在与微控制器进行数据交换的过程中，主要是通过片内的spi和并行口。在要传输通信的数据准备好之后，就能够产生中断，供微控制器使用。
3.2 温度测量电路
温度检测的方法有很多，比如采用热电偶等。但是本论文采用的是ds18b20温度传感器。该温度传感器采用的是one-wire总线，即只采用一根信号线与单片机进行连接。该测温传感器能够测量零下55度到125摄氏度的温度范围，同时分辨率能够达到0.5摄氏度。工作电压范围很宽，一般为3.0至5.5v。
3.3 主控芯片
本论文设计的数据采集器使用的主控芯片是at89s52单片机。msc-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的at89s52单片机就是基于这款单片机的。msc-51单片机的基本架构被atmel公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场。
下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。这款单片机具有最大能够支持的64k外部存储扩展，同时还具有8k字节的flash空间。该单片机具有4组i/o口，分别是从p0到p3，同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外，还具有其它功能，也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5v。
4 软件设计
4.1 通信协议
本系统为单点对多点的无线通信，主接收器在可靠通信范围内分别与每个数据终端通信。主接收器与每个数据终端都有一个唯一的地址，因此在通信过程中必须明确接收方的地址。系统通信协议定制如表1所示。
4.2 温度测量程序
本论文采用的温度传感器是one-wire总线的器件，与主控芯片进行一根数据线连接，就能够同时实现数据和时钟信号的双向传输。但是这样就要求主控芯片的时序必须具有严格的要求。在出厂之前，每个器件的rom上都光刻上64位的编码，这个编码地址序列是唯一的，我们可以通过这个编码地址序列来进行多
点的组网。但是本论文所设计的温度采集系统，在每一个结点只是用一个温度传感器，因此在程序中并不需要读取其rom编码。
5 总结
在实际的温度测量过程中，测量单点的温度往往并不能够准确反映实际温度信息，需要对同一环境进行多次测量，同时要对多个温度节点进行测量。但是多点温度测量的温度测量点比较分散，如果使用传统的有线布线方式的话，则系统设计复杂，十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统，采用了nrf9e5无线芯片，主控芯片采用的是at89s52单片机，温度测量的传感器为ds18b20。本论文首先介绍系统整体设计方案，然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[j].北京：通信学报，2004，25（4）：15-17.
[2]郑启忠，耿四军，朱宏辉.射频socnrf9e5及无线数据传输系统的实现[j].单片机与嵌入式系统应用，2004（8）：51-54.
[3]季一锦，尹明德.一种基于nrf9e5的无线监测局域网系统的设计[j].国外电子元器件，2004，（12）：22-25.
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）184-0047-02
智能小车本身属于轮式机器人研究的一个分支，其本身在国内外机器人研究领域都存在着较高关注度，而在本文基于单片机的智能小车避障循迹系统设计展开的研究中，笔者选择了AT89S52单片机作为系统微控制器，并应用了4组QTI红外传感器，而这一设计经过实践验证了该智能小车避障循迹系统的可行性与可靠性。
1 系统总体设计
在本文进行的智能小车避障循迹系统设计中，智能小车避障循迹系统主要由控制电路板、电机、传感器模块、底盘部件等结构组成，图1为本文设计智能小车避的车体结构俯视图，结合该图我们就能够更为直观了解本文的总体设计思路。
在智能小车避障循迹系统的总体设计中，笔者将AT89S52单片机作为这一设计的核心，并通过这一核心进行电源模块、时钟电路、复位电路、传感器模块、伺服电机模块的控制，这其中的伺服电机模块主要用于智能小车的基本巡航动作，而传感器模块则主要用于控制小车沿黑色轨迹线行驶，而通过图1我们能够发现智能小车本身选择了三轮结构车体，这就使得智能小车本身的灵活循迹实现能够得到较好支持[ 1 ]。
2 系统硬件设计
在本文研究的智能小车避障循迹系统硬件设计中，这一设计主要包括伺服电机模块、循迹传感器模块、电源模块等3部分内容。
2.1 伺服电机模块
对于智能小车避障循迹系统硬件的伺服电机模块设计来说，这一设计采用了360°伺服舵机，而这一伺服舵机的选择就使得智能小车避障循迹系统能够实现连续的位置或速度控制。对于伺服电机模块中的360°伺服舵机来说，其本身存有红、黑、白3条输入线，这3条输入线分别负责伺服舵机的电源、接地、信号控制。在智能小车避障循迹系统硬件的伺服电机模块中，其本身还存在着1个基准电路和1个比较器，这一构成就使得伺服电机模块能够更好实现智能小车的控制[ 2 ]。
2.2 循迹传感器模块
对于智能小车避障循迹系统硬件的伺服电机模块设计来说，循迹传感器模块也是这一设计的重要组成之一，而这一循迹传感器模块本身包含着传感器的选择、小车循迹策略两部分部分内容。
2.2.1 传感器的选择
对于传感器的选择这一循迹传感器模块的设计来说，这里笔者选择了QTI传感器用于循迹传感器模块的设计，这一传感器本身属于红外传感器范畴，其本身通过对反射光强度的接收，实现不同颜色物体的探测，而通过探测QTI传感器就能够自动输出不同的电平信号，为智能小车避障循迹的实现提供有力支持[ 3 ]。
2.2.2 小车循迹策略
对于小车循迹策略这一循迹传感器模块设计组成来说，这一设计的实质就是QTI传感器安装位置的选择，这里笔者将QTI传感器的SIG信号线与智能小车平台的相应I/O口进行了连接，并保证了这一连接使用了不同颜色的信号线，这就为后续排查错误等工作的展开提供了有力支持。在小车循迹策略设计中，我们实现了两级方向控制传感器信号的智能小车控制，这种控制设计就使得智能小车能够在两级传感器支持下实现轨迹的较好控制与纠正，这就使得智能小车的循迹可靠性得以较好提升[ 4 ]。
3 系统软件设计
除了硬件设计外，软件设计同样也属于智能小车避障循迹系统的重要组成，这一设计主要包括机器人基本动作实现、循迹功能的实现两部分内容。
3.1 机器人基本动作实现
对于智能小车避障循迹系统软件设计的机器人基本动作实现中，我们首先需要考虑智能小车运行时轮子的旋转情况，这里我们以智能小车的前进为例，智能小车前进时从左轮看该轮为逆时针旋转，而从右轮看则恰恰相反，而由此我们就能够得出智能小车运行方向和速度情况，通过改变智能小车车轮的参数控制，就能够实现智能小车的加减速控制。
结合智能小车车轮参数控制、加减速控制的相关认知，笔者在C语言设计中将智能小车的两个车轮速度作为形式参数，并应用left与right进行了定义，这样我们就能够顺利完成机器人基本动作实现这一智能小车避障循迹系统软件设计。
3.2 循迹功能的实现
在智能小车避障循迹系统软件设计的循迹功能实现中，想要实现智能小车避障循迹系统软件设计的循迹功能，我们首先需要得出QTI传感器的循迹策略表，这样才能够通过调用move函数实现基于QTI传感器的智能小车自主循迹，表1为QTI传感器的循迹策略表局部，而结合该表我们能够发现结合这一思路，我们就能够实现智能小车不同循迹功能的扩展，不过介于篇幅原因，本研究不予详细论述[ 5 ]。
4 结论
在本文就基于单片机的智能小车避障循迹系统设计展开的具体研究中，笔者对这一智能小车避障循迹系统的总体设计、硬件设计、软件设计进行了详细论述，而结合这一系列论述完成的设计在实际的测试证明中取得了智能小车运行灵活、可靠、稳定、识别能力较强的结果，但具体测试中笔者也发现QTI传感器的安装高度出现问题会直接影响智能小车的无法巡线或抖动厉害的情况出现，而智能小车全速行驶突然停下很容易导致翻车问题的出现，用于轨迹引导的线颜色较淡时智能小车的避障循迹往往容易出现问题，这几点需要引起大家重视。总之，本文基于纹机的智能小车避障循迹系统设计展开的研究具备着较高的可行性，希望能够为相关研究人员带来一定启发。
参考文献
[1]顾群，蒲双雷.基于单片机的智能小车避障循迹系统设计[J].数字技术与应用，2012（5）：23.
[2]陈海洋，李东京.基于单片机的智能循迹避障机器人小车设计[J].科技风，2014（20）：99.
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0059-2
数字化实验（DIS）是信息技术与物理教学整合的重要基础。数字化实验室的设备主要由传感器、数据采集器、计算机、配套系统软件及配套教具等构成。它以真实实验为基础，通过各种传感器替代传统的仪表，通过数据采集器将采集到的实验数据送往计算机进行数据处理、图线分析，借助计算机平台更直观地显示物理现象，更深刻地揭示物理规律。传感器是数字化实验室的重要组成部分。传感器包括力传感器、位移传感器、声波传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、压强传感器、磁感应强度传感器等。它能够快速、高精度地适时采集物理实验中力热声光电等各种变化着的物理量数据。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是开展物理探究教学的两大技术支撑。
下面列举两个笔者在初中物理教学中利用DIS数字化系统的实验创新教学实例。
案例1 探究电流与电压的关系
传统教学中，学生进行分组实验时利用滑动变阻器多次改变定值电阻两端的电压，分别用电压表和电流表测出电压值和对应的电流值，再在坐标系中描点作图，通过数据和图像得出结论。但一节课的时间里，学生既要设计实验方案，包括设计实验电路和实验表格，又要完成定值电阻的电压、电流值的多次测量，需要较长的时间。而且，如果电压值取得太接近或者不是倍数关系，测出的数据不容易得出结论。因此，在实验前，很多教师往往会提醒学生使电压成整数倍变化，这样做的结果是学生确实容易发现规律、总结出结论，但是“探究”的意味就淡了许多，原本生动有趣的实验也变得枯燥乏味了。若非如此，学生就需要更多时间来进行更多次的实验，一节课的内容又很难完成。
应用DIS数字化系统就很轻松地解决了这个矛盾。
实验过程和数据分析：
1.按电路图连接电路，为使结论具有普遍性，将一个5 Ω和一个10 Ω的定值电阻串联进电路进行实验，用电压传感器和电流传感器代替电压表和电流表分别测定值电阻两端的电压和通过定值电阻的电流。
2.将电压传感器和电流传感器分别接入数据采集器。
3.打开计算机，进入数字化信息系统软件，新建实验，设置电阻的电流-电压关系图线。
4.闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，改变定值电阻两端的电压，测量多组电压和电流值。计算机根据得到的电压值和电流值实时在界面上生成电流-电压关系图像，如图1所示。
⒌分析所得的实验数据和图像，得出结论。
从图像中能明显地看出通过定值电阻的电流与定值电阻两端的电压成正比。将电压、电流传感器引入测量小灯泡的电阻教学，就可以在很短的时间内清楚地记录下电流随电压变化的曲线。使教学手段更多样，促进教学目标的更好达成。使用数字传感器的好处一是时间短，通过设置，每隔0.1 s就会有一组电压电流数据对应的点描绘在坐标系中，因此在较短的时间（几秒钟）内就会有几十个点记录下来，同时生成I-U图像。二是数据多，结论更可靠。由于采集的数据较多，因此图像较为理想。
案例2 探究磁铁周围的磁场实验
实验装置如图2所示：
1.将磁传感器接入数据采集器。
2.打开数字化信息系统软件，新建实验，设置磁场强度-时间图线，时间设置为1 min，时间间隔设为10 ms。
3.将磁传感器探头向下，在条形磁体表面从条形磁体的中间开始匀速地向一个磁极移动（如图3），再从一个磁极匀速向另一个磁极移动，如此往复，测出磁场强度随时间的变化。
4.观察图像，总结条形磁铁周围的磁场分布特点。
应用磁感应传感器可以使学生明显地观察到电磁铁周围磁场强弱的变化，使我们肉眼看不见摸不着的磁场变得显而易见。
