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气象测量在很多领域有很重要的应用,如天气预报、环境检测和控制、运动休闲、户外活动等方面。国内外的很多科学家都致力于该方面的研究,某些传感器已接近于商业化生产。利用成熟的集成电路(IC)CMOS工艺结合MEMS后处理工艺能够制作各种微传感器,但是这类传感器灵敏度非常低,输出信号极其微弱,所有这些弱点都必须通过外部电路来弥补。本文针对传感器的工作原理,详细分析并设计了传感器控制电路和微弱信号检测电路,最终实现了两种片上系统(SOC)。
本文研制的第一种微系统是利用C8051F单片机的二维风速风向测试系统,传感器是本实验室设计的铂电阻风速计。采用恒温差电路控制传感器,将其表面加热,使之高于环境一定温度。在控制电路中,通过测量加热条上的电压反应风速的大小,通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速信息。该系统基于请求式测量,具有面积小(2cm×2cm),功耗低,通用性强(采用5V电压,10位二进制输出),两线制数字接口全标定输出(可直接送LCD显示或挂接到I2C总线上使用),自动休眠功能的特点。整个流速范围可以达到20m/s以上,偏差不大于0.5m/s,风向测试为360度内方向敏感,误差小于4°,且回滞特性比较好,封装后的传感器功耗最大值小于500mW。从测试结果看,该传感器的性能基本满足设计指标,进一步证明了控制和信号检测方案的可行性。同时,本文提出了一种自动调零的方法,为进一步实现智能化、商业化提供了一种实践依据。
本文研制的第二种微系统是温湿度微系统,温度传感器采用风速风向传感器的一个测温电阻。湿度传感器有两类：一类采用电容型设计,相对湿度与电容型湿度传感器的电容值存在函数关系。由于电容基值及其变化量都很小(pF级),因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量,通过检测电路测量电容值可以计算出环境湿度。在其中的一个方案中,我们通过555振荡电路把电容转化为频率,利用C8051F单片机的可编程计数器/定时器阵列(PCA)实现边沿触发的捕捉,从而测量这个频率。在另一个方案中,我们借助CAV424芯片把电容转化为电压,把电压信号输入到C8051F片内自带的AD进行处理；另一类湿度传感器采用压阻型设计,压阻型湿度传感器上集成了四个压阻,呈电桥式分布,采用典型的电桥放大电路和加热条控制电路,使检测工作变得简单。两种温湿度微系统软硬件已经实现功能,可以像风速风向传感器系统一样两线制输出,温度测试范围为-40℃～90℃,分辨率为0.1度；湿度测试范围为10％RH～90％RH,分辨率为2％RH。但是因为湿度传感器仍然存在一致性差、温漂较大、回滞性能不好等问题,有待进一步提高性能。