单片机控制柜模拟量采集与处理：传感器信号精准获取的实用技巧

# 1. 单片机模拟量采集基础**

单片机模拟量采集是指利用单片机采集和处理来自模拟传感器（例如温度传感器、压力传感器、光传感器等）的连续变化的模拟信号。模拟信号是连续变化的电压或电流信号，其幅度和频率反映了被测量的物理量。单片机模拟量采集系统通常包括传感器、信号调理电路、模数转换器（ADC）和单片机。

**信号调理电路**负责将传感器输出的模拟信号转换为适合ADC输入范围的信号。**模数转换器**将模拟信号数字化，以便单片机可以处理和分析。单片机负责控制ADC、处理采集的数据并输出结果。模拟量采集在工业控制、环境监测、医疗诊断等领域有着广泛的应用。

# 2. 传感器信号采集与处理

### 2.1 传感器类型与信号特性

传感器是将物理量或化学量转换为电信号的装置，广泛应用于各种领域。根据测量的物理量或化学量，传感器可分为以下几类：

**2.1.1 温度传感器**

温度传感器是测量温度变化的传感器。常用的温度传感器类型包括：

- **热电偶：**利用两种不同金属的接触点在不同温度下产生电压差，从而测量温度。
- **热敏电阻：**电阻值随温度变化的电阻器，温度升高时电阻值减小。
- **半导体温度传感器：**利用半导体材料的温度系数，温度升高时输出电压或电流增加。

**2.1.2 压力传感器**

压力传感器是测量压力变化的传感器。常用的压力传感器类型包括：

- **电阻应变式压力传感器：**利用应变电阻器在压力作用下电阻值的变化来测量压力。
- **压阻式压力传感器：**利用半导体材料在压力作用下电阻值的变化来测量压力。
- **压电式压力传感器：**利用压电材料在压力作用下产生电荷来测量压力。

**2.1.3 光传感器**

光传感器是测量光强变化的传感器。常用的光传感器类型包括：

- **光电二极管：**利用光电效应，光照射时产生电流。
- **光电三极管：**利用光电效应，光照射时产生电流，并被三极管放大。
- **光敏电阻：**电阻值随光强变化的电阻器，光强越大电阻值越小。

### 2.2 模拟量采集电路设计

**2.2.1 信号调理电路**

信号调理电路是将传感器输出的信号转换为适合模数转换器输入的信号。常见的信号调理电路包括：

- **放大器：**放大传感器输出的信号，提高信号幅度。
- **滤波器：**滤除传感器输出信号中的噪声和干扰。
- **隔离器：**隔离传感器和模数转换器之间的电气连接，防止干扰。

**2.2.2 模数转换器**

模数转换器（ADC）是将模拟信号转换为数字信号的器件。常见的ADC类型包括：

- **逐次逼近型ADC：**通过逐次比较和逼近的方式，将模拟信号转换为数字信号。
- **Σ-Δ型ADC：**利用过采样和数字滤波技术，将模拟信号转换为数字信号。
- **流水线型ADC：**将ADC过程分解为多个流水线级，提高转换速度。

### 2.3 采集数据的处理与分析

**2.3.1 数据滤波**

数据滤波是去除采集数据中的噪声和干扰。常用的数据滤波方法包括：

- **移动平均滤波：**计算采集数据的平均值，平滑数据。
- **指数加权移动平均滤波：**对采集数据进行加权平均，权重随着时间的推移而减小。
- **卡尔曼滤波：**利用状态空间模型和测量值，估计系统状态并滤除噪声。

**2.3.2 数据校准**

数据校准是消除采集数据中的系统误差。常用的数据校准方法包括：

- **零点校准：**在已知零点的情况下，将采集数据减去零点值。
- **满量程校准：**在已知满量程的情况下，将采集数据乘以满量程值除以实际满量程值。
- **多点校准：**在多个已知点的情况下，使用线性或非线性回归方法拟合校准曲线。

# 3.1 温度传感器采集与显示

#### 3.1.1 温度传感器选型

温度传感器是将温度信号转换为电信号的器件，在单片机模拟量采集中，常选用热敏电阻、热电偶和数字温度传感器。

* **热敏电阻：**一种电阻值随温度变化的电阻器，温度升高时电阻值减小。优点是成本低、精度较高，缺点是对温度变化不敏感。
* **热电偶：**利用两种不同金属连接形成的回路，当回路两端温度不同时产生热电势，热电势与温差成正比。优点是测量范围宽、耐高温，缺点是精度较低。
* **数字温度传感器：**内部集成了温度传感器和模数转换器，直接输出数字信号。优点是精度高、线性度好，缺点是成本较高。

根据实际应用场景和要求，选择合适的温度传感器。

#### 3.1.2 温度采集程序设计

温度采集程序主要包括以下步骤：

1. **初始化ADC：**配置ADC时钟、采样时间、参考电压等参数。
2. **启动ADC转换：**触发ADC转换，等待转换完成。
3. **读取ADC数据：**读取ADC转换结果，将数字信号转换为温度值。
4. **显示温度值：**通过LCD、串口或其他方式显示温度值。

// 初始化ADC
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

// 启动ADC转换
ADC_SoftwareSt