在自动化世界里,除了人机接口及产品基本功能为主要设计要素外, 还有一个常被多数人遗忘的幕后英雄:传感器(sensors)。举凡在自动化设备,测量仪器,汽车与家用电器等等,无处不在的传感器,成就了便利及丰富人类生活的梦想。本文除了介绍基本传感器型式以外,还介绍如何由传感器的物理量变化,转变为电子及数字资料,因为没有传感器便没有测量控制工程网版权所有,而没有测量则没有自动化产品,故传感电路之好坏决定了自动化系统性能。

    在此介绍一种将电阻及电容转为频率信号(resistance/capacitance to frequency conversion),以方便MCU计数,直接测量,此方法简单易行,外部组件少,成本低廉而且适合量产。

    盛群(Holtek)半导体公司所推出HT47系列,即是内建R to F转换器(resistance/capacitance to frequency conveRTer)的MCUwww.cechina.cn,产品主要应用于消费类家电产品如温湿度计,体温计,压力计，电子体重计,遥控器等,亦有提供

HT47系列功能包括:

堆栈缓存器(Stack Register)；

计时计数器(Timer/Event Counter)；

看门狗定时器(Watchdog Timer)；

外部中断(External Interrupt)；

振荡器(Oscillator)；

省电模式(Power Down Operation-HALT)；

重置(Reset)。

    为了进行R to F转换, 在HT47C20/HT47C20L/HT47R20中有一缓存器(ADCR)用来控制R to F转换器之功能,使用者可经由设定ADCR缓存器, 控制计时计数器用途, 中断来源及R to F振荡器之各种振荡模式, 以达到R to F测量之目的。

    在HT47系列中比较特殊的地方就是A/D converter共有2组电阻(电容)对频率转换器,亦即特殊之RC振荡器。主要测量原理为将受测电阻RT与一个参考电阻RS分别再与参考电容CS组成RC振荡器,因RT-CS振荡与RS-CS振荡共享CS电容,故CS之误差可消除, 而RS因为是参考电阻故必需使用精密电阻。至于如何将热敏电阻换算推导其A/D转换器数值,先令RT:传感器电阻控制工程网版权所有,RS:精密电阻(参考电阻),KT:RT-CS振荡计数值,KS:RS-CS振荡计数值,设RS/KT=2nwww.cechina.cn, 所以KT= RS/2n(Timer B初始值可由RS及2n算出),

==> RT×KT = RS×KS ==> RT = RS×KS/KT = KS×(RS/KT) = KS×2nwww.cechina.cn,

    同样,若为受测电容,则将受测电容CT与一个参考电容CS分别再与参考电阻RS组成RC振荡器,因CT-RS振荡与CS-RS振荡共享RS电阻,故RS之误差可消除,而CS因为是参考电容故必需使用精密电容,设CS/KT=2nwww.cechina.cn, 所以KT=CS/2n(Timer B初始值可由CS及2n算出), 关系式如下:

==>CT×KT=CS×KS ==> CT=CS×KS/KT=KS×(CS/KT)= KS×2nwww.cechina.cn,

    RT或CT值的测量可由Timer B测量值(KS)向左移n位(二进制单位), 由传感器转换表建一表格即可直 接转为物理量,因Timer A及Timer B为16bit 计数器, 故最大值 FFFFH = 65535, 使用者必需仔细设计以免计数值发生溢出, 举例如下CONTROL ENGINEERING China版权所有,

    例如一传感器(负温度系数)在 -50℃～150℃，其阻值为8.2MΩ～1.2KΩ,当其为最高温时,电阻最小,故其在固定T时间内,计数值最大,反之当其为最低温时,电阻最大,故其在固定T时间内,计数值最小,为维持测量精度及缩短测量时间,故在传感器电阻值范围内，必需分为几段,以不同之n计算出KT值来进行测量,以达到最高分辨率及最适当之测量时间。

    故测量高温时(RT值较小, 频率较快),n值须取小(KT值取大)， 以求最高精率,测量低温时(RT值较大,频率较慢),n值须取大(KT值取小),以尽量缩短测量时间。除此之外,整体测量的耗电量亦必需考虑。

    因电子测量电路之不理想, 导致在理论值与实际值有所