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篇1

關鍵詞：生物傳感器；發(fā)酵工業(yè)；環(huán)境監(jiān)測。

中圖分類號：TP212.3文獻標識碼：A文章編號：1006-883X(2002)10-0001-06

一、引言

從1962年，Clark和Lyons最先提出生物傳感器的設想距今已有40年。生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。在最初15年里，生物傳感器主要是以研制酶電極制作的生物傳感器為主，但是由于酶的價格昂貴并不夠穩(wěn)定，因此以酶作為敏感材料的傳感器，其應用受到一定的限制。

近些年來，微生物固定化技術的不斷發(fā)展，產生了微生物電極。微生物電極以微生物活體作為分子識別元件，與酶電極相比有其獨到之處。它可以克服價格昂貴、提取困難及不穩(wěn)定等弱點。此外，還可以同時利用微生物體內的輔酶處理復雜反應。而目前，光纖生物傳感器的應用也越來越廣泛。而且隨著聚合酶鏈式反應技術（PCR）的發(fā)展，應

用PCR的DNA生物傳感器也越來越多。

二、研究現(xiàn)狀及主要應用領域

1、發(fā)酵工業(yè)

各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測定。因為發(fā)酵過程中常存在對酶的干擾物質，并且發(fā)酵液往往不是清澈透明的，不適用于光譜等方法測定。而應用微生物傳感器則極有可能消除干擾，并且不受發(fā)酵液混濁程度的限制。同時，由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產，微生物傳感器其成本低設備簡單的特點使其具有極大的優(yōu)勢。

(1).原材料及代謝產物的測定

微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測定，代謝產物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測定。測量的原理基本上都是用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量，從而達到測量底物濃度的目的。

在各種原材料中葡萄糖的測定對過程控制尤其重要，用熒光假單胞菌（Psoudomonasfluorescens）代謝消耗葡萄糖的作用，通過氧電極進行檢測，可以估計葡萄糖的濃度。這種微生物電極和葡萄糖酶電極型相比，測定結果是類似的，而微生物電極靈敏度高，重復實用性好，而且不必使用昂貴的葡萄糖酶。

當乙酸用作碳源進行微生物培養(yǎng)時，乙酸含量高于某一濃度會抑制微生物的生長，因此需要在線測定。用固定化酵母（Trichosporonbrassicae），透氣膜和氧電極組成的微生物傳感器可以測定乙酸的濃度。

此外，還有用大腸桿菌（E.coli）組合二氧化碳氣敏電極，可以構成測定谷氨酸的微生物傳感器，將檸檬酸桿菌完整細胞固定化在膠原蛋白膜內，由細菌—膠原蛋白膜反應器和組合式玻璃電極構成的微生物傳感器可應用于發(fā)酵液中頭孢酶素的測定等等。

(2).微生物細胞總數(shù)的測定

在發(fā)酵控制方面，一直需要直接測定細胞數(shù)目的簡單而連續(xù)的方法。人們發(fā)現(xiàn)在陽極表面，細菌可以直接被氧化并產生電流。這種電化學系統(tǒng)已應用于細胞數(shù)目的測定，其結果與傳統(tǒng)的菌斑計數(shù)法測細胞數(shù)是相同的[1]。

(3).代謝試驗的鑒定

傳統(tǒng)的微生物代謝類型的鑒定都是根據(jù)微生物在某種培養(yǎng)基上的生長情況進行的。這些實驗方法需要較長的培養(yǎng)時間和專門的技術。微生物對底物的同化作用可以通過其呼吸活性進行測定。用氧電極可以直接測量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物傳感器來測定微生物的代謝特征。這個系統(tǒng)已用于微生物的簡單鑒定、微生物培養(yǎng)基的選擇、微生物酶活性的測定、廢水中可被生物降解的物質估計、用于廢水處理的微生物選擇、活性污泥的同化作用試驗、生物降解物的確定、微生物的保存方法選擇等[2]。

2、環(huán)境監(jiān)測

(1).生化需氧量的測定

生化需氧量（biochemicaloxygendemand–BOD）的測定是監(jiān)測水體被有機物污染狀況的最常用指標。常規(guī)的BOD測定需要5天的培養(yǎng)期，操作復雜、重復性差、耗時耗力、干擾性大，不宜現(xiàn)場監(jiān)測，所以迫切需要一種操作簡單、快速準確、自動化程度高、適用廣的新方法來測定。目前，有研究人員分離了兩種新的酵母菌種SPT1和SPT2，并將其固定在玻璃碳極上以構成微生物傳感器用于測量BOD，其重復性在±10%以內。將該傳感器用于測量紙漿廠污水中BOD的測定，其測量最小值可達2mg/l，所用時間為5min[3]。還有一種新的微生物傳感器，用耐高滲透壓的酵母菌種作為敏感材料，在高滲透壓下可以正常工作。并且其菌株可長期干燥保存，浸泡后即恢復活性，為海水中BOD的測定提供了快捷簡便的方法[4]。

除了微生物傳感器，還有一種光纖生物傳感器已經研制出來用于測定河水中較低的BOD值。該傳感器的反應時間是15min，最適工作條件為30°C，pH=7。這個傳感器系統(tǒng)幾乎不受氯離子的影響（在1000mg/l范圍內），并且不被重金屬（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影響。該傳感器已經應用于河水BOD的測定，并且獲得了較好的結果[4]。

現(xiàn)在有一種將BOD生物傳感器經過光處理（即以TiO2作為半導體，用6W燈照射約4min）后，靈敏度大大提高，很適用于河水中較低BOD的測量[5]。同時，一種緊湊的光學生物傳感器已經發(fā)展出來用于同時測量多重樣品的BOD值。它使用三對發(fā)光二極管和硅光電二極管，假單胞細菌（Pseudomonasfluorescens）用光致交聯(lián)的樹脂固定在反應器的底層，該測量方法既迅速又簡便，在4℃下可使用六周，已經用于工廠廢水處理的過程中[5]。

(2).各種污染物的測定

常用的重要污染指標有氨、亞硝酸鹽、硫化物、磷酸鹽、致癌物質與致變物質、重金屬離子、酚類化合物、表面活性劑等物質的濃度。目前已經研制出了多種測量各類污染物的生物傳感器并已投入實際應用中了。

測量氨和硝酸鹽的微生物傳感器，多是用從廢水處理裝置中分離出來的硝化細菌和氧電極組合構成。目前有一種微生物傳感器可以在黑暗和有光的條件下測量硝酸鹽和亞硝酸鹽(NOx-)，它在鹽環(huán)境下的測量使得它可以不受其他種類的氮的氧化物的影響。用它對河口的NOx-進行了測量，其效果較好[6]。

硫化物的測定是用從硫鐵礦附近酸性土壤中分離篩選得到的專性、自養(yǎng)、好氧性氧化硫硫桿菌制成的微生物傳感器。在pH=2.5、31℃時一周測量200余次，活性保持不變，兩周后活性降低20%。傳感器壽命為7天，其設備簡單，成本低，操作方便。目前還有用一種光微生物電極測硫化物含量，所用細菌是Chromatium.SP，與氫電極連接構成[7]。

最近科學家們在污染區(qū)分離出一種能夠發(fā)熒光的細菌，此種細菌含有熒光基因，在污染源的刺激下能夠產生熒光蛋白，從而發(fā)出熒光?？梢酝ㄟ^遺傳工程的方法將這種基因導入合適的細菌內，制成微生物傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測?，F(xiàn)在已經將熒光素酶導入大腸桿菌（E.coli）中，用來檢測砷的有毒化合物[8]。

水體中酚類和表面活性劑的濃度測定已經有了很大的發(fā)展。目前，有9種革蘭氏陰性細菌從西西伯利亞石油盆地的土壤中分離出來，以酚作為唯一的碳源和能源。這些菌種可以提高生物傳感器的感受器部分的靈敏度。它對酚的監(jiān)測極限為5´10-9mol。該傳感器工作的最適條件為：pH=7.4、35℃，連續(xù)工作時間為30h[9]。還有一種假單胞菌屬（Pseudomonasrathonis）制成的測量表面活性劑濃度的電流型生物傳感器，將微生物細胞固定在凝膠（瓊脂、瓊脂糖和海藻酸鈣鹽）和聚乙醇膜上，可以用層析試紙GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物細胞在凝膠中的交聯(lián)，長距離的保持它們在高濃度表面活性劑檢測中的活性和生長力。該傳感器能在測量結束后很快的恢復敏感元件的活性[10]。

還有一種電流式生物傳感器，用于測定有機磷殺蟲劑，使用的是人造酶。利用有機磷殺蟲劑水解酶，對硝基酚和二乙基酚的測量極限為100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。還有一種新發(fā)展起來的磷酸鹽生物傳感器，使用丙酮酸氧化酶G，與自動系統(tǒng)CL-FIA臺式電腦結合，可以檢測(32~96)´10-9mol的磷酸鹽，在25°C下可以使用兩周以上，重復性高[12]。

最近，有一種新型的微生物傳感器，用細菌細胞作為生物組成部分，測定地表水中壬基酚（nonyl-phenoletoxylate--NP-80E）的含量。用一個電流型氧電極作傳感器，微生物細胞固定在氧電極上的透析膜上，其測量原理是測量毛孢子菌屬（Trichosporumgrablata）細胞的呼吸活性。該生物傳感器的反應時間為15~20min，壽命為7~10天（用于連續(xù)測定時）。在濃度范圍0.5~6.0mg/l內，電信號與NP-80E濃度呈線性關系，很適合于污染的地表水中分子表面活性劑的檢測[13]。

除此之外，污水中重金屬離子濃度的測定也是不容忽視的。目前已經成功設計了一個完整的，基于固定化微生物和生物體發(fā)光測量技術上的重金屬離子生物有效性測定的監(jiān)測和分析系統(tǒng)。將弧菌屬細菌（Vibriofischeri）體內的一個操縱子在一個銅誘導啟動子的控制下導入產堿桿菌屬細菌（Alcaligeneseutrophus(AE1239)）中，細菌在銅離子的誘導下發(fā)光，發(fā)光程度與離子濃度成正比。將微生物和光纖一起包埋在聚合物基質中，可以獲得靈敏度高、選擇性好、測量范圍廣、儲藏穩(wěn)定性強的生物傳感器。目前，這種微生物傳感器可以達到最低測量濃度1´10-9mol[14]。

還有一種專門測量銅離子的電流型微生物傳感器。它用酒釀酵母（Saccharomycescerevisiae）重組菌株作為生物元件，這些菌株帶有酒釀酵母CUP1基因上的銅離子誘導啟動子與大腸桿菌lacZ基因的融合體。其工作原理，首先是CUP1啟動子被Cu2+誘導，隨后乳糖被用作底物進行測量。如果Cu2+存在于溶液中，這些重組體細菌就可以利用乳糖作為碳源，這將導致這些好氧細胞需氧量的改變。該生物傳感器可以在濃度范圍(0.5~2)´10-3mol范圍內測定CuSO4溶液。目前已經將各類金屬離子誘導啟動子轉入大腸桿菌中，使得大腸桿菌會在含有各種金屬離子的的溶液中出現(xiàn)發(fā)光反應。根據(jù)它發(fā)光的強度可以測定重金屬離子的濃度，其測量范圍可以從納摩爾到微摩爾，所需時間為60~100min[15][16]。

用于測量污水中鋅濃度的生物傳感器也已經研制成功，使用嗜堿性細菌Alcaligenescutrophus，并用于對污水中鋅的濃度和生物有效性進行測量，其結果令人滿意[17]。

估測河口出水流污染情況的海藻傳感器是由一種螺旋藻屬藍細菌（cyanobacteriumSpirlinasubsalsa）和一個氣敏電極構成的。通過監(jiān)測光合作用被抑制的程度來估測由于環(huán)境污染物的存在而引起水的毒性變化。以標準天然水為介質，對三種主要污染物（重金屬、除草劑、氨基甲酸鹽殺蟲劑）的不同濃度進行了測定，均可監(jiān)測到它們的有毒反應，重復性和再生性都很高[18]。

近來由于聚合酶鏈式反應技術（PCR）的迅猛發(fā)展及其在環(huán)境監(jiān)測方面的廣泛應用，不少科學家開始著手于將它與生物傳感器技術結合應用。有一種應用PCR技術的DNA壓電生物傳感器，可以測定一種特殊的細菌毒素。將生物素酰化的探針固定在裝有鏈酶抗生素鉑金表面的石英晶體上，用1´10-6mol的鹽酸可以使循環(huán)式測量在同一晶體表面進行。用細菌中提取的DNA樣品進行同樣的雜交反應并由PCR放大，產物為氣單胞菌屬（Aeromonashydrophila）的一種特殊基因片斷。這種壓電生物傳感器可以鑒別樣品中是否含有這種基因，這為從水樣中檢測是否含帶有這種病原的各種氣單胞菌提供了可能[19]。

還有一種通道生物傳感器可以檢測浮游植物和水母等生物體產生的腰鞭毛蟲神經毒素等毒性物質，目前已經能夠測量在一個浮游生物細胞內含有的極微量的PSP毒素[20]。DNA傳感器也在迅速的得到應用，目前有一種小型化DNA生物傳感器，能將DNA識別信號轉換為電信號，用于測量水樣中隱孢子和其他水源傳染體。該傳感器著重于改進核酸的識別作用和加強該傳感器的特異性和靈敏性，并尋求將雜交信號轉化為有用信號的新方法，目前研究工作為識別裝置和轉換裝置的一體化[21]。

微藻素是一種從藍藻細菌引起的水華中產生的細菌肝毒素，一種固定有表面細胞質?；蚪M的生物傳感器已經制得，用于測量水中微藻素的含量，它直接的測量范圍是50~1000´10-6g/l[22]。

一種基于酶的抑制性分析的多重生物傳感器用于測量毒性物質的設想也已經提出。在這種多重生物傳感器中，應用了兩種傳導器—對pH敏感的電子晶體管和熱敏性的薄膜電極，以及三種酶—尿素酶、乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶。該生物傳感器的性能已經得到測試，效果較好[23]。

除了發(fā)酵工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測，生物傳感器還深入的應用于食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等領域，主要用于測量葡萄糖、乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各種氨基酸，以及各種致癌和致變物質。

三、討論與展望

美國的HaroldH.Weetal指出，生物傳感器商品化要具備以下幾個條件：足夠的敏感性和準確性、易操作、價格便宜、易于批量生產、生產過程中進行質量監(jiān)測。其中，價格便宜決定了傳感器在市場上有無競爭力。而在各種生物傳感器中，微生物傳感器最大的優(yōu)點就是成本低、操作簡便、設備簡單，因此其在市場上的前景是十分巨大和誘人的。相比起來，酶生物傳感器等的價格就比較昂貴。但微生物傳感器也有其自身的缺點，主要的缺點就是選擇性不夠好，這是由于在微生物細胞中含有多種酶引起的?，F(xiàn)已有報道加專門抑制劑以解決微生物電極的選擇性問題。除此之外，微生物固定化方法也需要進一步完善，首先要盡可能保證細胞的活性，其次細胞與基礎膜結合要牢固，以避免細胞的流失。另外，微生物膜的長期保存問題也待進一步的改進，否則難于實現(xiàn)大規(guī)模的商品化。

總之，常用的微生物電極和酶電極在各種應用中各有其優(yōu)越之處。若容易獲得穩(wěn)定、高活性、低成本的游離酶，則酶電極對使用者來說是最理想的。相反的，若生物催化需經過復雜途徑，需要輔酶，或所需酶不宜分離或不穩(wěn)定時，微生物電極則是更理想的選擇。而其他各種形式的生物傳感器也在蓬勃發(fā)展中，其應用也越來越廣泛。隨著固定化技術的進一步完善，隨著人們對生物體認識的不斷深入，生物傳感器必將在市場上開辟出一片新的天地。

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參考文獻

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TheRecentResearchAndApplicationOfBiosensor

Abstract:Inthisarticle,therecentresearchprogressandapplicationofbiosensors,especiallythemicro-biosensors,arereviewed,andtheprospectofbiosensorsdevelopmentisalsoprognosticated.Biosensorsaremadeupofbioelectrode,usingimmobileorganismassensitivematerialformoleculerecognition,togetherwithoxygen-electrode,membrane-eletrodeandfuel-electrode.Biosensorsarebroadlyusedinzymosisindustry,environmentmonitor,foodmonitorandclinicmedicine.Fast,accurate,facilitateasbiosensorsis,therewillbeanexcellentprospectforbiosensorsinthemarket

Keywords:Biosensor,Zymosis-Industry,Environment-Monitor

作者簡介：

篇2

1.1送料機構（1個）送料機構中，只有出料口有一個物料檢測傳感器，它用于檢測出料口位置處有無物料。在運行中，如果它檢測到物料，則發(fā)出信號到PLC，PLC內部程序指揮送料機構開始送料動作；如若它沒有檢測到物料并保持若干秒鐘，則應讓系統(tǒng)停機然后報警。這個傳感器屬于光電漫反射型傳感器，簡稱光電傳感器，主要為PLC提供一個輸入信號，判斷是否驅動送料機構執(zhí)行下一步動作。

1.2機械手搬運機構在這部分機構中，裝有較多的磁性傳感器用作多個不同的位置檢測，它需要在前點和后點各裝一個，以便檢測氣缸伸出和縮回的位置是否到位。例如，提升氣缸、手臂伸縮氣缸以及分揀機構的三個手指伸縮氣缸就分別各裝有5對磁性傳感器。在運行中，當磁性開關檢測到氣缸準確到位后，則發(fā)出信號到PLC，PLC內部程序指揮相應部件執(zhí)行下一步動作。值得注意的是，在機械手手爪處單獨安裝有一個磁性傳感器，若手爪為夾緊狀態(tài)，則有信號輸出，指示燈亮；反之，手爪松開則無信號輸出。

1.3物料傳送和分揀機構在這部分機構中，落料口附近與出料口一樣，需要安裝一個物料檢測傳感器，檢測是否有物料在傳送帶的起始端。在運行中，如果它檢測到物料，則發(fā)出信號到PLC，PLC內部程序啟動電機驅動傳送帶；若檢測為無料并保持若干秒鐘后，停止傳送帶。當物料在傳動帶前進時，有三個傳感器逐一檢測物料的材料性質，先是通過一個電感式傳感器，它可以檢測到金屬材料，發(fā)出信號至PLC，啟動推料一執(zhí)行推料動作。為保證檢測的靈敏度，檢測距離需調節(jié)為3～5mm。若物料不是金屬，將繼續(xù)前行至后面的兩個光纖傳感器處，它們主要用于檢測塑料，并區(qū)分黑、白兩種不同顏色。對于不同顏色的塑料，光纖傳感器的靈敏度是不同的，可以通過調節(jié)光纖放大器來區(qū)分塑料的不同顏色。

2傳感器應用說明與注意事項

2.1常用傳感器光電傳感器由光源、光學通路和光電元件三部分組成，具有使用簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾強的特點，常采用光電器件作為檢測元件，如光敏三極管。使用時應注意將光電傳感器的前端面與被檢測的工件或物體表面保持平行，且距離應保持在規(guī)定的范圍內。電感式接近傳感器由即振蕩電路、開關電路和放大輸出電路這三部分組成。當接通電源時，震蕩器在傳感器感應面產生一個交變的磁場，當金屬物料接近傳感器感應面時，金屬中產生的渦流會改變磁場，根據(jù)磁場的變化來判斷是否有金屬物體接近。

2.2磁性傳感器該實訓裝置中的磁性傳感器均為DC24V帶指示燈有觸點開關，所以也叫磁性開關，它通過機械觸點的動作進行開關的通斷。從設計、加工、安裝、調試各方面來看，用磁性開關檢測活塞位置比使用其他限位開關方式簡單、省時。安裝時，要避免沖擊，開關的導線不要隨氣缸運動；控制信號線不要與電力線并排在一起，避免誤動作。

篇3

[關鍵詞]動物溫度傳感器單片機

一、設計指標

本系統(tǒng)采用了高精度傳感器AD22100。要準確測量動物病患體溫，首先應全面了解動物的正常體溫。據(jù)有關資料報道.美國科學家用口腔電子體溫計對幾十種動物測試得到了一系列數(shù)據(jù)，可將這些數(shù)據(jù)存儲于上位機之中?？紤]到整個監(jiān)控系統(tǒng)的成本，A/D轉換采用價廉的8位芯片.設計時量程范圍確定為36.00-41.10℃。將36.0℃時.輸入到A/D芯片的電壓處理.調整為0V.溫度41.10℃時.輸入到A/D芯片的電壓處理、調整為5V。溫度每升高0.02℃，.電壓升高5V/255=0.0196V.保證系統(tǒng)分辨力為0.02c.0.02℃×255—5.10℃.溫度上下限為36.0℃-41.10℃。報警溫度為36.5℃。

二、方案比較與選擇

本課題的核心問題在于模擬量到數(shù)字量的轉換以及數(shù)字量的顯示，筆者對兩種比較理想的方案進行討論。

1.硬件實現(xiàn):在溫度傳感器AD22100將溫度信號轉換成電壓信號后，通過A/D轉換器將電壓模擬量轉化成八位二進制精度的數(shù)字信號，再把該八位二進制精度的數(shù)字通過譯碼轉化成十進制數(shù)，并最終用數(shù)碼管顯示。

2.基于單片機的軟件實現(xiàn):在溫度傳感器AD22100將溫度信號轉換成電壓信號后，通過A/D轉換器將電壓模擬量轉化成八位二進制精度的數(shù)字信號，改用51單片機，通過編寫程序，按照一定的算法來將八位二進制精度的數(shù)字轉化成十進制數(shù)，并通過數(shù)碼管顯示出來。

實踐表明:A/D轉化器轉化出來的是八位二進制精度的數(shù)字，這個二進制數(shù)的大小并不代表真實的溫度，需要一種算法來實現(xiàn)而不是單純的譯碼就可以實現(xiàn)的。而單片機軟件實現(xiàn)分辨率高，高可靠性且具有一定的智能功能。

所以綜合考慮，確立方案:用單片機程序將該八位二進制精度的數(shù)字轉化成十進制數(shù)字，再利用單片機驅動顯示器顯示，可以從顯示器上精確的讀出溫度的數(shù)值。

三、硬件設計

1.傳感器、放大模塊。測量溫度的時候，我們選用具有信號調理的電壓輸出溫度傳感器AD22100。其有以下特點:工作溫度范圍為—50~150度；溫度系數(shù)22.5mV/℃；輸出電壓正比于溫度與V+的乘積；線性優(yōu)于滿量程的±1%。；反向電壓保護；高電壓、低阻抗輸出。

溫度傳感器AD22100將溫度信號通過溫敏電阻R的變化轉換成電壓信號，從運放輸出端輸出電壓，對應的電壓信號傳輸函數(shù)為:

當圖中電源電壓為+5V，—50~150度對應的輸出電壓為0.25~4.75V。溫度與輸出電壓呈線性關系，當溫度變化有變化，則會對應有一個電壓輸出，通過溫度傳感器AD22100將溫度轉化成電壓。

2.A/D轉換模塊。運用A/D轉換器ADC0809將模擬量的電壓信號轉化成八位二進制精度的數(shù)字量ADC0809芯片介紹可參看有關文獻。

3.單片機的顯示數(shù)碼轉換模塊

(1)原理與算法。在很多運用單片機進行測量的系統(tǒng)中，通過傳感器或A/D轉換后的數(shù)據(jù)只是測量數(shù)據(jù)，并非顯示數(shù)據(jù)，將這些測量數(shù)據(jù)轉換為二進制的顯示數(shù)據(jù)，才能通過查表的方式正確顯示直觀數(shù)據(jù)。8位二進制有0-255共256個值，但是電壓值卻只有0-5V，8位二進制的0和電壓的0V對應，而8位二進制的255和電壓值的5V對應，把0-255分成5分，即255/5=51，，1/51=0.0196V，即一個8位二進制值所代表的電壓值近似為0.0196伏。再按照這個關系去除以51，得到十位電壓值；再將余數(shù)與26比較，小于26直接乘以10再除以51，所得商就是個位電壓值；如大于26則先減去26，再乘以10，然后除以51，所得商再加上5，即得個位電壓值；將第二次除以51所得余數(shù)，按第二次除以51的方法進行計算，所得結果為十分位電壓值。(2)單片機與LED數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路。具體電路可查閱相關文獻。由于動態(tài)顯示情況下，CPU要定時掃描刷新顯示，數(shù)碼管的信號在不停的通斷變化，為了保證顯示效果，一般會在數(shù)據(jù)端口接一個緩沖驅動芯片(如74HC244、74LS244等)，而在位選通端接一個PNP三極管作驅動(如9012、8550等)。

4.超溫異常報警模塊。利用AD22100傳感器取得電壓模擬量后，根據(jù)其傳輸函數(shù)公式

可算得當溫度TA達到36.5時，電壓模擬量V0的值為2.196V。所以，在V0后面加一個比較器，當V0大于恒壓源設定值時，就會在比較器輸出端輸出一報警信號，從而引發(fā)報警裝置。

四、軟件設計

1.顯示程序的實現(xiàn)。在程序設計時一般將具體的顯示部分單獨分出來組成一個顯示子程序，這樣編程方便、思路清晰，也便于檢查。顯示時，從主程序調用顯示子程序，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)通過查表程序讀取顯示代碼，將顯示代碼從P0口傳給數(shù)碼管，同時P2選中1個數(shù)碼管，每個數(shù)碼管亮1MS，顯示完接著顯示第二位數(shù)據(jù)，當所有數(shù)碼管第一輪全部顯示完后返回主程序。

2.程序設計。設計者可按個人習慣及擅長具體設計。

五、問題及展望

此類溫度檢測器只能有一種報警溫度值，理論上只適用于平均溫度接近的一類動物的檢測，存在局限性，可在此問題上進行深入的研究，制造出集成的有各種溫度設定值得模塊，設計更加通用型的溫度檢測儀。

參考文獻:

[1]薛鈞義，張彥斌.MCS一51系列單片微型計算機及其應用.西安交通大學出版社，1991.

篇4

本文所設計傳感器節(jié)點無線傳感網絡實時監(jiān)測系統(tǒng)可以分為3個部分：無線傳感器網絡部分，廣域網（移動網絡或Internet）部分，遠端用戶部分。無線傳感器網絡的各個節(jié)點被安置在每個冷藏箱內，并組成通訊網絡。每個節(jié)點上集成了溫濕度、二氧化碳、乙烯、震蕩檢測器等傳感器。溫度是冷鏈運輸過程中最重要的參數(shù)，直接影響食物的保鮮時間，濕度能體現(xiàn)出食物的失水程度，二氧化碳能表現(xiàn)出食物內部的代謝情況，乙烯能反映運輸過程中的果實成熟過程，震蕩檢測則能體現(xiàn)一些突況。各個傳感器受嵌入式CPU控制并將信息交給CPU處理，同時嵌入式CPU與Zigbee協(xié)議處理芯片通信已實現(xiàn)協(xié)議層面的各種操作。以此方式實現(xiàn)對傳感器采樣周期、工作狀態(tài)等的設置和調控。各節(jié)點將各種傳感器采集的數(shù)據(jù)進行存儲、壓縮并發(fā)送給上一級路由器，再由路由器發(fā)送到協(xié)調器。在協(xié)調器上，安裝有GPRS和WiFi空中接口，能夠根據(jù)具體環(huán)境選擇一種方式將各路由器發(fā)送到協(xié)調器的食品所處環(huán)境信息發(fā)送到廣域網中。

廣域網部分在本文系統(tǒng)中指移動服務器或者Internet。協(xié)調器將監(jiān)測到的環(huán)境信息發(fā)送到廣域網中，而廣域網則提供中轉的功能，便于物流管理者在遠端獲取這些環(huán)境信息。遠端用戶部分指物流管理者通過在PC上開發(fā)的用戶界面或者在手機上開發(fā)的相關應用程序從廣域網獲取實時的冷鮮食品信息，并根據(jù)這些信息對出現(xiàn)的異常情況及時地做出判斷和調整。

由于終端節(jié)點是通過電池供電的，而在一次長途運送過程中無法更換電池，所以終端節(jié)點的功耗是在設計中需要考慮的重要問題。合理利用Zigbee協(xié)議棧中提供的節(jié)點睡眠功能將有效地優(yōu)化終端節(jié)點的能量利用效率。因為傳感器采集的環(huán)境信息將按照一定周期上傳給路由節(jié)點或協(xié)調器，所以在不需要發(fā)送信息時，可以將發(fā)送模塊以及嵌入式CPU中與發(fā)送有關的功能置于睡眠狀態(tài)，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時再由設置好的系統(tǒng)時鐘進行喚醒。這樣通過軟件的編寫，控制各個模塊的工作時間，對能量進行分時合理利用將大幅提高終端節(jié)點的電能使用時間，使整個傳感器節(jié)點網絡更加適用于實際的冷鮮食品物流監(jiān)控應用。

2結語

篇5

關鍵詞：傳感器；AD轉換；控制器；硬件電路

引言

隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應用于電子產品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓練充分激發(fā)學生分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。另外，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。通過對模型的設計可很好的延伸到具體應用案例中。

一、系統(tǒng)設計方案比較說明

對于液位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：

(1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結構簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。

(2)復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節(jié)參量；經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節(jié)電機轉速，以達到控制水箱液位的目的。

針對上述2種控制方式，以及設計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。

二、工作原理

基于單片機實現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。

工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標準信號，送入AD轉換器，AD轉換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行處理，根據(jù)設定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

三、硬件設計

液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉換器和輸出控制電路等。

3.1單片機

單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片。

3.2傳感器

傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內部含有1個壓力傳感器和相應的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到AD轉換器。

3.3鍵盤電路

P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4鍵盤。

3.4液位顯示電路

液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅動顯示器來完成數(shù)碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。

3.5AD轉換電路及控制輸出

AD轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉換程序?？刂戚敵鲋饕猩舷孪逘顟B(tài)顯示、超限報警。另外在設計過程中預留了串行口，供進一步開發(fā)使用。

四、軟件設計

4.1鍵盤程序

由于鍵盤采用的是4×4結構，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復位鍵。

值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。

五、結束語

基于單片機實現(xiàn)液位控制器模型設計的關鍵在于硬件電路的正確構建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。

參考文獻：

[1]黃智偉.傳感器技術.2002，21（9）：31～33

篇6

關鍵詞：IEEE802.15.4Zigbee協(xié)議傳感器

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設備無線聯(lián)網的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802．15．4工作組，致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。802．15．4無線發(fā)射／接收機及網絡被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司極力推崇。同時，也吸引了其他標準化組織的注意。IEEEl451工作組已考慮在IEEE802．15．4標準基礎上實現(xiàn)傳感器網絡(SensorNetworks)。

產品的方便靈活、易于連接、實用可靠及可升級換代是市場的驅動力。802．15．4主要應用于工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和樓宇自動化領域。傳感器網絡是其主要市場對象。將傳感器與802．15．4設備組合，進行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，就可以決定是否需要或何時需要用戶操作。其應用實例包括惡劣。環(huán)境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學物質的現(xiàn)場、監(jiān)測以及維護正在旋轉的機器等。在這些應用上，一個802．15．4網絡可以極大地降低新傳感器網絡的安裝成本，簡化對現(xiàn)有網絡的擴充。

1802．15．4協(xié)議架構及其技術特點

IEEE802．15．4滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示)，表1中概括了802．15．4的一些特點。Zigbee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

表1IEEE802.15.4標準的主要技術特征

復雜程度比現(xiàn)有標準低通信時延≥15ms

目的只支持數(shù)據(jù)通信功耗約45μA

頻段、數(shù)據(jù)率及信道數(shù)868MHz：20kbps1

925MHz:40kbps10

2.4GHz:250kbps16MAC的控制方式星型網絡對等網絡

每個網絡支持節(jié)點數(shù)65536尋址方式64bitIEEE地址

8bit網絡地址

連接層結構開放式溫度-40℃～-85℃

傳輸范圍室內：10m速率

250kbps;+0dBmTX室外：30m-75m速率40kbps，300m速率20kbps應用傳感器、玩具、控制領域……

物理層：IEEE802．15．4定義了2．4GHz物理層和868／915MHz物理層兩個物理層標準，它們都采用了DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列擴頻)。

2．4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于設備的推廣和生產成本的降低。2．4GHz物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。

868／915MHz物理層使用簡單的DSSS方法，即二進制相移鍵控(BPSK)方式。868MHz的傳輸速率為20kbps，916MHz的傳輸速率為40kbps。這兩個頻段的引入避免了2．4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾，且這兩個頻段上的無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。

MAC層：IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC(LogicalLinkControl，邏輯鏈路控制)和MAC(MediaAccessControl，媒介接入控制)兩個子層。LLC子層在IEEE802．6標準中定義，為802標準系列共用；而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。IEEE802．15．4的MAC層支持多種LLC標準，通過SSCS(Service-SpecificConvergenceSublayer，業(yè)務相關的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802．2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802．15．4的MAC層的服務。

IEEE802．15．4的MAC協(xié)議包括以下功能：設備間無線鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗；預留時隙管理；廣播信息管理。MAC子層提供兩個服務與高層聯(lián)系，即通過兩個服務訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問MAC數(shù)據(jù)服務，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務。這兩個服務為網絡層和物理層提供了一個接口。靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網絡拓撲的需要，同時也保證了協(xié)議的簡潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。

802．15．4標準上層協(xié)議由完整的Zigbee協(xié)議套件構成。網絡層主要采用了基于Ad-hoe技術的網絡協(xié)議，包含以下功能：通用的網絡層功能；拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯(lián)業(yè)務，包含了尋址、路由和安全；與IEEE802．15．4標準一樣，非常省電；有自組織、自維護功能，最大程度地減少消費者的開支和維護成本。應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到Zigbee網絡上，具體包括：安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務發(fā)現(xiàn)。

因此，IEEE802．15．4標準具有以下一些非常適用于無線傳感器的特點：

功耗低：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。當然不同的應用功耗是不同的。

數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

網絡容量大：一個Zigbee網絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個Zigbee網絡。

時延?。横槍r延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

兼容性：與現(xiàn)有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協(xié)調器(Coordinator)自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。

安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。

實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1．5~2．5美元，且Zigbee協(xié)議是免專利費的。

協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實現(xiàn)的要求很低。Zigbee協(xié)議套件的需求估計：8位微處理器，如80c51；全協(xié)議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM；最小協(xié)議套件軟件大約4K字節(jié)的ROM。

2802．15．4標準傳感器的實現(xiàn)

2．1基于802．15．4標準傳感器的實現(xiàn)

傳感器的實現(xiàn)機理是以802．15．4傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。其主要包括802．15．4無線通信模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口、直流電源模塊以及外部存儲器等。

802．15．4無線通信模塊負責數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，主要包括射頻和基帶兩部分，前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，后者主要提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組。微控制器負責鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。經過調理的傳感器模擬信號經過AD轉換后暫存于緩存中，由802．15．4無線通信模塊通過無線信道發(fā)送到主控節(jié)點，再進行特征提取、信息融合等高層決策處理。整個節(jié)點可由外部直流電源供電或采用電池組，視具體情況而定。若要增加通信距離，可添加功率放大器以提高天線發(fā)射功率。如圖3所示。

2．2802。15．4傳感器網絡實現(xiàn)

802．15．4將提供一個低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W狀網絡，網絡上每個監(jiān)測點只需在有限的時間內發(fā)送幾個比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是異步的，并在數(shù)據(jù)等待時間上限制極小，這些因素利于電池使用壽命的延長。傳感器主要有兩種使用方式：Ad-hoc方式和接入點方式。

Ad-hoc方式：各傳感器與控制設備組成獨立的、封閉的微網。傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器據(jù)此完成相應的任務，數(shù)據(jù)不需要上傳，一切功能都在本地完成。這種情況常見于移動范圍較大、信息數(shù)據(jù)自成一體的應用，如機器人、汽車等。

接入點方式：各傳感器之間可以互相訪問，并可通過接入點與有線網上的設備交換數(shù)據(jù)，甚至可以再次通過有線網上的另一個接入點與遠端的設備互通信息。在這種情況下，無線成為有線的延伸和補充，一般用于需要經常移動傳感器的地方，及線纜密集不宜再度布線的地方。如果兩個傳感器建立了無線鏈接，其中一個設備將扮演主控角色(master)，另一個則扮演從屬角色(slave)。角色的分配是在微微網形成時臨時確定的，主控設備通常由發(fā)起通信的設備承擔，而且這種主從角色也可以互換。一個單獨的主控設備和臨近與之通信的所有從屬設備組成了所謂的piconet，慣稱微微網。在一個piconet中只能有一個主控設備，它的時鐘序列被用來使該中的所有從屬設備與之同步。這些從屬設備都與主控設備保持鏈接和通信，共享一個公共傳輸信道，并處于某一特定的基帶模式，例如活動從屬設備就可以進入呼吸(sniff)或保持(hold)模式等低功率節(jié)能狀態(tài)。在鄰近區(qū)域可能還有一些處于待機(standby)狀態(tài)的設備，它們未與主控設備連接，因而不是piconet網的一部分。

傳感器的微微網之間也可建立連接，形成多pieonet結構。每個piconet除了Slave和master之間，各個slave節(jié)點之間也可以通信。在這里只以單個的piconet為主干構建傳感器測控網絡。master節(jié)點為測控網絡主控節(jié)點，實現(xiàn)信息的匯集處理功能，slave節(jié)點為傳感器節(jié)點?？紤]到各個傳感器節(jié)點之間相互獨立，信息融合只在master節(jié)點完成，所以僅實現(xiàn)master點對多slave點的通信，形成一個星型的拓撲結構。整個無線傳感器網絡功能分為三層：最下層是各種敏感單元，負責收集原始信息；中間是基于傳感器智能模塊的slave節(jié)點，負責對原始數(shù)據(jù)的預處理(包括濾波、補償、數(shù)字化等)和處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送；最上層是基于普通PC機或其他類型上位機(如嵌入式計算機)的master節(jié)點，所有傳感器的信息在這里進行更高一級處理，如譜分析、模式識別、信息融合、判斷決策等。在微微網內，還可以采用有線或無線中繼擴大信號的覆蓋范圍，改善網絡拓撲結構(如圖4所示)。

2．3802．15．4傳感器實現(xiàn)的問題和解決

篇7

關鍵詞：光伏水泵系統(tǒng)；直流無刷電機；反電勢；過零點識別電路；三段式起動

引言

近年來，隨著電力電子器件及控制理論的迅速發(fā)展，永磁直流無刷電機以其高效性，良好的調速性，易于維護性而得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的永磁直流無刷電機往往采用位置傳感器來確定轉子的位置，這不僅增大了電機的安裝體積，增加了成本，而且降低了電機的可靠性。目前，無傳感器直流無刷電機一般采用三段式起動方式，起動轉矩在開始起動時比較小，并且有脈動，對于有起動轉矩要求的系統(tǒng)存在著局限性，而在中小型太陽能光伏水泵系統(tǒng)中，負載轉矩是隨著轉速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時負載轉矩為零，所以，直流無刷電機可以應用于光伏水泵系統(tǒng)，并且整個系統(tǒng)是直流的，無須逆變，那么，在光伏水泵系統(tǒng)中應用直流無刷電機，對于提高系統(tǒng)效率,簡化系統(tǒng)裝置就具有重大的意義。

1光伏水泵系統(tǒng)簡介

光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列，控制器，電機，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽電池串并聯(lián)構成，直接把太陽能轉化為直流電能。目前所用的太陽電池都為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線具有強烈的非線性，而且和太陽輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關系,所以，如果要使光伏水泵系統(tǒng)工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調節(jié)、控制整個系統(tǒng)。電機是用來驅動水泵的，由于電機的功率因數(shù)及電壓等級在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，因此，對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上，往往在兼顧陣列結構的條件下專門進行設計。對于要求流量小、揚程高的用戶，宜選用容積式水泵；對于需要流量較大，但揚程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵。

2單片機M68HC908JK3ECP介紹

這是Motorola公司的8位單片機家族中的成員之一，同樣具有高性能，低成本的優(yōu)點。它內嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節(jié)RAM；具有10個通道的8位精度ADC模塊，15個I/O端口；時鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調制等功能，能滿足系統(tǒng)要求。

3無傳感器直流無刷電機控制原理

無刷電機的定子為三相對稱繞組，采用兩相通電方式時控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產生定子磁勢Fa；轉子為永磁材料，產生磁勢Ff，通過兩者的相互作用，可以產生電磁轉矩T=FaFf|sinθ|，顯然，當θ=60°～120°時，平均電磁轉矩最大。故檢測轉子磁勢位置時，當定轉子磁勢夾角為60°時，三相繞組中的某兩相導通，轉過60°時，其中一相的功率管關斷，另一相中的功率管導通。這樣，保證定轉子磁勢夾角為60°～120°，達到轉矩最大的目的。由于每次轉過60°只關斷一個功率管，故每個功率管導通角度為120°，這種方式為120°導通方式。

主電路采用三相全控橋，如圖1所示。圖2為三相6拍工作方式下典型的相電壓反電勢波形圖。由圖2我們可以清楚地看到，在該相懸空狀態(tài)（過零點前后30°區(qū)域）下，繞組感應反電勢按正弦規(guī)律變化，平頂部分為繞組通電激勵時逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點發(fā)生在過零點后30°，使用反電勢法來實現(xiàn)電子換相，就是在過零點檢測電路檢測到過零點后30°進行換相。三相6拍工作方式下，導通次序為S1，S2－S2，S3－S3，S4－S4，S5－S5，S6－S6，S1－S1，S2。基于反電勢的電子換相方法有多種，如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等，但這些測量方法都存在抗干擾能力弱的問題，特別是在PWM調制情況下，測量時必須采取專門措施避開或抑制干擾，增加了控制電路的復雜性，并且可能產生換相滯后。采用“虛擬中點法”可以解決以上問題，并且在PWM調制情況下，其開關噪聲不會影響相繞組的過零測量，檢測電路也較簡單。

在靜止或低速狀態(tài)下反電勢值為0或很小，無法用反電勢法來判定轉子的位置，通常采用三段式起動方式來解決這個問題，即先按他控式同步電機的運行狀態(tài)從靜止開始加速，當達到一定的轉速時再切換到反電勢法控制狀態(tài)，包括轉子定位，步進起動和自由切換三個階段。轉子定位時首先導通兩個功率管，一般來說先導通S6及S1，一定時間后就完成轉子的初始定位。步進起動時從初始位置開始，按前面的導通次序依次導通各功率管，但導通時間按一定規(guī)律遞減，以達到提速的目的。步進起動結束后進行自由切換，保證換相的正確性，同時，PWM斬波使直流側電壓逐漸加到主電路上，使無刷電機的轉速按控制要求加速，相當于電機轉速的軟起動過程，這樣就避免了電機在起動初期會產生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長了功率管的壽命。

4系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路由主電路、驅動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。過零點檢測電路檢測到過零信號，并把過零信號送到JK3單片機的捕捉口，JK3單片機接收到過零信號，由軟件計算出延遲時間，并在延遲時間到后發(fā)出換相脈沖信號，經驅動電路轉換為驅動信號去驅動各功率管，這樣就實現(xiàn)了單片機對直流無刷電機的控制。保護電路主要有過電壓充電保護，低水位保護。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括初始化模塊，PWM中斷模塊，捕捉中斷模塊，采樣保護模塊。PWM中斷模塊實現(xiàn)了無刷電機的步進起動，自由切換運行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。

初始化模塊主要完成程序所用變量的初始化，PWM中斷初始化，捕捉中斷初始化，發(fā)初始定位脈沖；捕捉中斷完成反電勢過零點的捕捉及換相周期的確定；采樣保護模塊主要用來采集直流側電壓和電流，以及判定和處理故障。實驗數(shù)據(jù)證明，換相時刻的準確性和相位跟蹤的快速性對電機控制的性能影響極大，電子開關的準確換相點每次都在該相不激勵繞組的反電勢過零后30°的電角度位置，由于電機的運行是變速運行，換相周期是變化的，所以并不能準確確定延遲30°電角度的換相時間，只能根據(jù)前若干個換相周期的變化趨勢，對該次換相時刻進行合理有效的濾波和預估，有數(shù)字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。

圖4為系統(tǒng)正常運行時測得的線電壓波形，毛刺部分是由PWM斬波和換相引起的。從圖中可以看出，電壓波形比較接近于理想情況，說明換相點準確，從而驗證了對整個系統(tǒng)控制思想是正確的。

篇8

關鍵詞：物聯(lián)網傳感器

一、物聯(lián)網概念與定義

物聯(lián)網(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定義很簡單:把所有物品通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備與互聯(lián)網連接起來,進行信息交換和通訊,實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

現(xiàn)在對物聯(lián)網的定義至少有幾十種,都是不同領域專家從不同領域定義的,我們取幾種有代表性的供大家參考:

1.英語中“物聯(lián)網”一詞:InternetofThings,可譯成物的互聯(lián)網。

2.2005年ITU關于物聯(lián)網的定義:是一個具有可識別,可定位的傳感網絡。

3.經過與無線網絡(也含固定網絡)連接,使物體與物體之間實現(xiàn)溝通和對話,人與物體之間實現(xiàn)溝通與對話。能實現(xiàn)上述功能的網稱為物聯(lián)網。

4.作者比較贊成一種基于泛網及其多制式、多系統(tǒng)、多終端等綜合的物聯(lián)網的定義——或稱為廣義物聯(lián)網。

二、國內外物聯(lián)網發(fā)展現(xiàn)狀

從國際上看,歐盟、美國、日本等國都十分重視物聯(lián)網的工作,并且已作了大量研究開發(fā)和應用工作。如美國把它當成重振經濟的法寶,所以非常重視物聯(lián)網和互聯(lián)網的發(fā)展,它的核心是利用信息通信技術(ICT)來改變美國未來產業(yè)發(fā)展模式和結構(金融、制造、消費和服務等),改變政府、企業(yè)和人們的交互方式以提高效率、靈活性和響應速度。按歐盟專家講,歐盟發(fā)展物聯(lián)網先于美國,確實歐盟圍繞物聯(lián)網技術和應用作了不少創(chuàng)新性工作。在北京全球物聯(lián)網會議上,他們介紹了《歐盟物聯(lián)網行動計劃》(Internetofthings-AnactionplanforEurope)其目的也是企圖在“物聯(lián)網”的發(fā)展上引領世界。

我國在“物聯(lián)網”的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后,我國中長期規(guī)劃《新一代寬帶移動無線通信網》中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網絡”,國內不少城市和省份已大量采用傳感網解決電力、交通、公安、農漁業(yè)中的“M2M”等信息通信技術的服務。

在溫總理關于“感知中國”的講話后我國“物聯(lián)網”的研究、開發(fā)和應用工作進入了,江蘇省無錫市一馬當先率先提出建立“感知中國”研究中心,中國科學院、運營商、知名大學云集無錫共同協(xié)力發(fā)展我國的物聯(lián)網。

三、傳感器在物聯(lián)網中的應用

一說到傳感器,可能大家就會往小的方面想,在物聯(lián)網的大概念下,一個泛在的物聯(lián)網系統(tǒng),隨著參照物的不同,傳感器可以是一個“大”的“智能物件”,它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車,甚至是一個衛(wèi)星或太空探測器。物聯(lián)網關注傳感器的實際應用,下面是按應用方式進行的分類。

1.液位傳感器:利用流體靜力學原理測量液位,是壓力傳感器的一項重要應用,適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質的液位測量。

2.速度傳感器:是一種將非電量(如速度、壓力)的變化轉變?yōu)殡娏孔兓膫鞲衅?適應于速度監(jiān)測。

3.加速度傳感器:是一種能夠測量加速力的電子設備,可應用在控制、手柄振動和搖晃、儀器儀表、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統(tǒng)、玩具、結構物、環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析,以及鼠標,高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

4.濕度傳感器:分為電阻式和電容式兩種,產品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?元件的阻抗、介質常數(shù)發(fā)生很大的變化,從而制成濕敏元件,適用于濕度監(jiān)測。

5.氣敏傳感器:是一種檢測特定氣體的傳感器,適用于一氧化碳氣體、瓦斯氣體、煤氣、氟利昂(R11、R12)、呼氣中乙醇、人體口腔口臭的檢測等。

6.壓力傳感器:是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器,廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

7.激光傳感器:利用激光技術進行測量的傳感器,廣泛應用于國防、生產、醫(yī)學和非電測量等。

8.MEMS傳感器:包含硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器,廣泛應用于國防、生產、醫(yī)學和非電測量等。

9.紅外線傳感器:利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器,常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷,應用在醫(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)境工程等。

10.超聲波傳感器:是利用超聲波的特性研制而成的傳感器,廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等。

11.遙感傳感器:是測量和記錄被探測物體的電磁波特性的工具,用在地表物質探測、遙感飛機上或是人造衛(wèi)星上。

12.視覺傳感器:能從一整幅圖像捕獲光線數(shù)以千計的像素,工業(yè)應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。

雖然,物聯(lián)網的產業(yè)供應鏈包括傳感器和芯片供應商、應用設備提供商、網絡運營及服務提供商、軟件與應用開發(fā)商和系統(tǒng)集成商。但是,作為“金字塔”的塔座,傳感器將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎的環(huán)節(jié)?！皞鞲衅魇俏锫?lián)網技術的支撐、應用的支撐和未來泛在網的支撐,傳感器感知了物體的信息,RFID賦予它電子編碼,傳感網到物聯(lián)網的演變是信息技術發(fā)展的階段表征?！?/p>

參考文獻:

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[4]王保云.物聯(lián)網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009,(12).

[5]趙茂泰.智能儀器原理及應用[J].北京:電子工業(yè)出版社.

[6]陳艾.敏感材料與傳感器[M].北京:高等教育出版社.

篇9

1病例簡介

患者，女，31歲、G2P2L2，2007年11月10日在縣級醫(yī)院經陰順娩一足月女嬰，評10分，產后母嬰健康，住院2天出院。2007年12月6日母親開始發(fā)熱，體溫最高達38.9℃，12月7日開始出現(xiàn)紅色斑丘疹，出疹順序為面—頸—四肢。出疹當日來院就診，擬診“麻疹”收入院。嬰兒于2007年12月9日始發(fā)熱，最高體溫39℃。皮疹于發(fā)熱第二天出現(xiàn)，始為耳后—頸—腋窩。擬診“小兒麻疹”收入院。住院經醫(yī)護人員積極救治，母女均無并發(fā)癥，已康復出院?，F(xiàn)將護理體會報告如下。

2護理

2.1心理護理首先消除患者心理緊張和思想顧慮，用通俗的語言介紹麻疹病的知識及隔離的重要性，特別是消除患母擔心其女的病情變化的焦慮、恐懼，隨時告知其女的病情變化及治療情況，有針對性疏導，增強其治療疾病的信心。

2.2一般護理按呼吸道傳染隔離，居室應空氣新鮮，保持適當溫度和濕度，室溫在18～22度，相對濕度在50%～60%，每日定時通風，通風時避免直接吹向患者、患兒，患者衣被每日暴曬2小時，盡量保持病室安靜，使患者、患兒臥床休息至皮疹消退，體溫正常。發(fā)熱出疹期間屬患者多喝水，給予易消化而富有營養(yǎng)的飲食，在恢復期除少吃油膩的食品外，無需忌口。高熱時給予小劑量退熱劑，切忌降溫過猛，忌酒精浴、冷敷，保持床單整潔、干燥與皮膚清潔，在保溫情況下，每日用溫水檫浴更衣1次。加強五官護理，保持口、眼、鼻、耳的清潔，每日定時做口腔護理，用棉簽蘸生理鹽水清潔患者的雙眼，再滴入抗生素眼液或眼膏，患兒取側臥位，防止嘔吐物或淚水流入外耳道發(fā)生中耳炎，及時清除鼻痂，保持呼吸道通暢。

篇10

關鍵詞：壓力傳感器，薄膜，敏感柵

 

隨著社會的發(fā)展，信息處理技術、微處理器和計算機技術的快速發(fā)展和廣泛應用，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展?，F(xiàn)在非電物理量的測試與控制技術，已越來越廣泛地應用于航天、航空、常規(guī)武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工、輕工、生物醫(yī)學工程、自動檢測與計量、稱重等技術領域[1]，而且也正在逐步引入人們的日常生活中。免費論文參考網?？梢哉f測試技術與自動控制技術水平的高低，是衡量一個國家科學技術現(xiàn)代化程度的重要標志。傳感器是信息采集系統(tǒng)的感應單元，所以，它是自動化系統(tǒng)和控制設備的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結構組成，在科技、生產自動化領域中的作用越來越重要[2]。

傳感器亦稱換能器，是將各種非電量（包括物理量，化學量，生物學量等）按一定的規(guī)律轉換成便于處理和傳輸?shù)牧硗庖环N物理量（一般為電量、磁量等）的裝置[3]，它能把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路3部分組成，有時還需加上輔助電源。免費論文參考網。其原理如圖1所示。

其中：①敏感元件直接感受被測物理量，如在應變式傳感器中為彈性元件；②傳感元件將感受到的非電量直接轉換成電量，是轉換元件，如固態(tài)壓阻式壓力傳感器；③測量電路是將傳感元件輸出的電信號轉換為便于顯示、控制和處理的有用電信號的電路，使用較多的是電橋電路。由于傳感器元件輸出的信號一般較小，大多數(shù)的測量電路還包括放大電路，有的還包括顯示器，直接在傳感器上顯示出所測量的物理量；④輔助電源是供給傳感元件和測量電路工作電壓和電流的器件。

國際電工委員會IEC則將傳感器定義為測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號[4]。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，是被測量信號輸入的第一道關口。對傳感器在技術方面有一定的要求，而同時亦要考慮盡可能低的零點漂移、溫度漂移及蠕變等[5]。近年來，傳感器有向小型化、集成化、智能化、系列化 、標準化方向發(fā)展的趨勢[6]。

電阻式傳感器的工作原理是將被測的非電量轉換成電阻值，通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應變式和電位計式。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。

壓力傳感器是將壓力這個物理量轉換成電信號的一種電阻應變式傳感器。傳統(tǒng)的電阻應變式壓力傳感器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的傳感器[7]。如圖2所示，將應變片用粘合劑粘貼在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產生應變，電阻應變片將它們轉換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電信號。它是目前應用較多的壓力傳感器之一，因具有結構簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應用于航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)學等諸多領域。

傳統(tǒng)的電阻應變式壓力傳感器的電阻敏感柵是刻錄在一層絕緣脂薄膜上，而薄膜又通過粘結劑粘合到彈性基片上，由于彈性元件與粘結劑及絕緣脂膜之間的彈性模量不同，彈性元件的應變不能直接傳遞給敏感柵，而是要通過粘結劑、絕緣脂膜才能到達敏感柵，從而產生較大的蠕變和滯后，影響傳感器的靈敏度、響應度、線性度等性能。另外，由于粘結劑不能在高溫條件下使用，這也使它的應用范圍受到限制。

為了消除絕緣薄膜層和粘結劑層對傳感器性能的影響，可以嘗試采用真空鍍膜方法及光刻技術，在彈性元件上直接刻錄敏感柵，彈性元件與敏感柵直接接觸，以克服常規(guī)工藝導致的滯后和蠕變大的缺陷。另外，如果彈性材料和結構選擇恰當，還可制成耐高溫、耐腐蝕的全隔膜式薄膜壓力傳感器。

一、器件研制

采用真空鍍膜技術在彈性基片上蒸鍍一層約300nm金屬柵材料的薄膜，用半導體光刻技術，在彈性基片上直接形成電阻敏感柵，最后利用耐高溫、耐酸堿腐蝕的環(huán)氧樹脂粘結劑，將制作好的芯片封裝在工件中，組成壓力傳感器探頭。經過熱老化、電老化，待封裝應力趨于穩(wěn)定后，進行電性能測試。

在制作薄膜電阻應變式壓力傳感器中，采用的工藝流程如圖3所示。