关于单片机技术在传感器设计中的实践策略探析

张毅

【摘要】    单片机技术在接收和处理传感器信号、提高传感器稳定性和抗干扰能力方面具有非常重要的应用。传感器的工作环境中存在多种干扰因素，并且其自身的结构特点和工作原理也会增加不稳定性。本文从技术层面研究了单片机的功能，并在其基础上分析了其在传感器设计中的应用策略，着重探讨了单片机技术在促进传感器抗干扰性和信号稳定性方面的作用。

【关键词】    单片机技术   传感器设计    实践应用

引言：

传感器主要用于探测温度、压力、速度等各种类型的参数，并且现代化的传感器在自动化水平、智能化水平方面都具有较高的水平。其在运行过程中要接受和处理大量的数据，但是在实际应用中必须不断提高其环境适应性、信号输出的稳定性以及抗干扰能力。单片机可作为传感器的信息处理核心，并且还能借助指令冗余、软件“陷阱”等方法来提升传感器的稳定性和抗干扰能力。

一、单片机概述

单片机在结构上和一台计算机非常相似，其设计目的就是实现微型计算机的功能，因而又被称为微控制器。各种功能的载体是大型集成电路，在数据计算方面依靠CUP来完成，同时还具有存储能力，其中ROM负责只读存储，RAM负责随机存储。现阶段，大量的仪器、仪表、电气设备等都具有自动控制的功能，单片机在其中发挥着不可替代的作用。单片机的基本功能如下：

1.定时器。单片机的外部输入的时钟信号和机器周期要实现精准的计数，这一功能依靠定时器来完成。单片机的定时器按照运行方式分为两类，分别为固定时间间隔定时器和可编程定时器。前者的定时时间由系统控制，后者可由用户的程序来控制。2. IO接口。微控制器用于处理机器设备或者仪器仪表的数据，那么就必须具有数据输入和输出的IO接口。接口的类型包括直接读写类的接口和纯输入、纯输出的接口。3.外部中断。这一功能的主要作用包括数据解码、外部触发信号检测、按键检测以及系统唤醒，中断方式包括电平触发，上升沿触发以及下降沿触发。4.通讯接口。单片机的SPI接口可用于处理串行数据输入和输出、串行时钟以及Ready信号。UTRA是单片机中用于处理异步数据传输的接口。5. Watchdog（看门狗定时器）。其作用类似于一个计数器，在程序运行之前，给Watchdog一个数字，由其开始倒计时，CUP在程序运行正常的情况下发出看门狗复位的指令，如果程序运行异常，则强制其复位。

二、单片机技术在传感器设计中的作用

2.1 提升传感器的稳定性

传感器本身具有特定的功能，由于是电子设备，其各项功能的控制由信号输入和输出来实现，因此，信号的稳定性对其功能可靠性具有关键性的作用。但是传感器在长时间的运行过程中会产生信号输出量不稳定的现象，只要其变化量在合理的范围之内，即可认为传感器工作稳定，否则，即判定为信号不稳定。影响传感器性能的指标具有多样性的特点，抗干扰能力决定其在复杂电磁环境下的运行效果，分辨力关系到传感器的探测精度，灵敏度影响着传感器的作用阈值，这几项性能指标均可借助程序优化来加以提高，单片机对影响不大。只有稳定性这一性能指标和单片机的联系非常紧密，单片机的作用是修正传感器产生的非线性误差。

图1显示了典型的压力传感器的工作模式，外界的压力信号x从传感器的接收端输入其中，并且在传感器中的A/D数模转换器的处理之下形成一个内部信号y，该信号在通过接口电路之后会产生一个数字信号Y，单片机最终会接收这一信号，并将其处理成标准信号，用Ye来表示。在校准传感器的非线性误差时，先选择一个压力点，确定相应的温度值，在此基础上准确地测量出信号量x和y的值，建立二者之间的对应关系，修正方法为二元函数插值法。

修正过程的内在原理可理解如下：首先明确涉及参数的含义x-原始压力、X-x的数字量、θ-温度的数字量、Y-修正之前的数字量。其中X、Y和θ之间的内在关系可用特定的公式来表达，这些公式可存储在单片机的底程序中，呈现方式为常数。也可采用表格的形式将其存储于单片机的存储器中。修正公式为Ye=kX，其中k为比例系数，X由数学公式计算得出，在此之前要先掌握公式中另外两个数值，也就是Y和θ。

2.2 提升传感器的抗干扰能力

2.2.1 干扰因素分析

第一，确定性干扰。各种传感器的工作环境具有很大的差异性，有些会受到温度的干扰，有些传感器工作与室外环境，典型的如深基坑自动监测的传感器。这些客观环境会在一定程度上干扰传感器的正常运行，使其存在功能异常。另一方面，传感器内集成了较多的电子元器件，其采用集成电路系统来设计，在运行过程中难免会产生电磁不兼容和电磁干扰的问题。单片机技术对消除这些固定干扰因素具有非常重要的作用。

第二，随机干扰因素。传感器的工作环境特点具有确定型和不确定型两种类型，例如，液位传感器必然存在水的干扰，这一环境因素是确定的。但是在实际应用过程中还会产生其他方面的环境干扰因素，如外力撞击、灰尘侵入、电磁干扰等，而这些环境干扰因素是不确定的，具有显著的随机性。确定性干扰因素的预防和处理相对比较简单，但是随机性干扰因素的处理难度比较大，因为其發生条件、发生时间等都不易确定下来。消除这类随机干扰因素可利用软件技术，将其设置与单片机内。

2.2.2 提高抗干扰能力的技术措施

1.消除确定性干扰的方法。由于传感器类型众多，因而其确定性干扰也各有差异，此处以电涡流位移传感器为例，分析其确定性干扰的处理方法。这种传感器用于检测具有电磁特性的物体的位移情况，但是被检测物体的电磁特点和材质各不相同，相应的检测结果也会受到一定的干扰。另外，该传感器中安装有轴承，即使其位置没有发生任何改变，但传感器依然会输出一定的电压值，这是干扰其测量精度的主要因素之一，误差有时候会非常大。这种干扰在某种程度上具有确定性的特点，因为轴承的位移具有稳定的规律，轴承围绕轴心做圆周运动，其运动方式呈现出周期性变化，以此为根据，利用单片机技术来周期性地调节和修正其输出特性曲线，受测量物体的材质差异和分布不均所产生的测量干扰在这种技术措施下都可实现有效地控制。

2.消除随机性干扰的方法。1）指令冗余。单片机的CPU发送指令的过程为先取操作码，然后根据操作码获取对应操作数。但是单片机在运行过程中会受到随机因素和确定性因素的干扰，并导致其程序无法正常执行，程序跑飞的概率也会因此而大幅增加。由此引发的问题是单片机会错误地将操作数作为指令码。为了有效防止这一问题，可在单片机中引入指令冗余的技术，具体方法是向其中插入单字节NOP指令，这种指令能够但是单片机错误执行操作数的情况，还有一种处理方法是重写单字节指令。双字节的操作指令和三字节的操作指令也会出现在单片机中，为了确保单字节指令预防错误执行的效果，还要在双字节和三字节指令中设置两个字节以上的NOP指令。另外，RET、JC、LCALI等指令可影响系统流向，通常也要在这些指令后面插入NOP指令，通过以上技术措施，跑飞的程序可回到正轨。2）软件“看门狗”技术。程序在跑飞之后容易进入“死循环”，而软件“看门狗”技术可使其恢复到正常状态，脱离“死循环”。程序正常运行时消耗的时间是一定的，偏差非常小，当其运行时长超过这一范围，则判断其进入“死循环”。单片机的定时中断功能可用于定期检测主程序的运行状态，软件看门狗的寄存器可以起到记录主程序运行情况的作用，正常运行一次加1，定时中断时会检测主程序运行状态，检测出现异常时会减1，当系统程序陷入“死循环”时，寄存器数值变化非常大，这就是其判断程序故障的依据。该技术可得应用可显著提高传感器的抗干扰能力和可靠性。3）软件陷阱法。单片机中设置有EPROM存储芯片，即使在电力中断的情况下，该芯片依然能够保存数据。所谓软件“陷阱”实际上是将NOP操作指令填入到该芯片的剩余空间内，同时还要设置跳转指令。受到干扰而跑飞的程序执行到该区域之后可借助NOP指令和跳转指令恢复正轨。当该软件的剩余空间比较充裕时，可加入多条NOP指令和跳转指令，这样做可进一步加强软件“陷阱”的效果。

三、單片机技术在传感器设计中的应用趋势

现代化的传感器在功能、电路设计、信号输入和输出方面存在一定的差异性，由此带来的问题是传感器技术缺乏统一性和准准化，在具体的使用过程中也会因此而产生一定的管理难度。传感器技术在未来的发展中要尽可能提高智能化、功能多样性、可靠性以及维修管理的便捷性，统一技术指标像是促进其发展的重要保障。集成电路技术发展速度非常快，单片机的体积越来越小，而电路复杂性、功能多样性在这一过程中不断提升，并且借助单片机可进一步规范信号输入和输出。因此，传感器的标准化制造和应用在单片机技术的支持下得到了快速的发展，其功能需求如表1所示，从中可观察到，信号存储和处理、误差校正、信号输出等功能都会应用到单片机技术。进入人工智能时代，传感器的自动化、智能化要求进一步提升，单片机在集成电路技术的发展之下呈现出快速提高的趋势，显著地促进了先进传感器的研发和制造。

四、结束语

传感器在运行时受到环境、自身结构特点以及电磁干扰等因素的影响，会出现信号不稳定、程序跑飞等故障，有些干扰因素是固定的，大部分是随机的。单片机可借助指令冗余、软件“陷阱”、软件“看门狗”等技术手段来提升传感器的抗干扰能力和信号稳定性，进而全面提升传感器的可靠性。

参  考  文  献

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