基于單片機(jī)對傳感器輸出的電路設(shè)計(jì)

孫亮

摘要：單片機(jī)和傳感器技術(shù)是國家發(fā)展戰(zhàn)略之一，基于單片機(jī)對傳感器輸出的電路設(shè)計(jì)更是廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。本文主要?dú)w納和分析各類基于單片機(jī)對傳感器輸出的電路設(shè)計(jì)，研究設(shè)計(jì)的應(yīng)用和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；傳感器；電路設(shè)計(jì)

一、單片機(jī)概況

單片機(jī)是集成的電路芯片，是通過電路技術(shù)在一塊硅片上把CPU、定時(shí)器/計(jì)算器、IO口、存儲器、中斷系統(tǒng)等多項(xiàng)功能整合、構(gòu)成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因單片機(jī)擁有體積小、可靠性強(qiáng)、集成技術(shù)水平高、價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與自動(dòng)化、一體化、智能化、數(shù)字化等領(lǐng)域。主要的單片機(jī)及優(yōu)點(diǎn)如下：STC單片機(jī)產(chǎn)于宏晶公司，具有運(yùn)行速度快、加密性良好、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)；PIC單片機(jī)產(chǎn)于美國微芯科技公司，特點(diǎn)是體積小、抗干擾性強(qiáng)、代碼保密性高；EMC單片機(jī)產(chǎn)于臺灣義隆公司，主要是兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高；51單片機(jī)是愛特美爾公司產(chǎn)品，具有程序編寫簡單、壽命時(shí)間長、具有多種存儲模式、功能強(qiáng)大、應(yīng)用型廣泛，適用于要求功耗低的場合；臺灣盛揚(yáng)半導(dǎo)體的HOLTEK單片機(jī)，特點(diǎn)是應(yīng)用廣泛、價(jià)格低、種類多。在進(jìn)行基于單片機(jī)對傳感器輸出的電路設(shè)計(jì)要根據(jù)設(shè)計(jì)需要、應(yīng)用的實(shí)際情況以及傳感器型號進(jìn)行綜合考量。

二、傳感器概況

傳感器是一種采集、感知信號裝置，將采集和感知到的信息，轉(zhuǎn)換為電信號，來完成系好的傳送、儲存、顯示和控制等操作，傳感器的特點(diǎn)包括：體積小、多功能化、數(shù)字化、多維化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等。在現(xiàn)代化發(fā)展事業(yè)當(dāng)中應(yīng)用十分廣泛，包括如工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療診斷、交通運(yùn)輸、家用電器等。

傳感器類型包括氣體傳感器、溫度傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、光電傳感器、光纖傳感器、電阻式傳感器、光敏傳感器等。未來傳感器在新材料的開發(fā)與應(yīng)用、新工藝與新技術(shù)應(yīng)用、集成化、多維化、多功能化、智能化上有很大的發(fā)展趨勢[1]。

三、電路設(shè)計(jì)案例剖析

1、基于51系列單片機(jī)對PNP型傳感器的輸出電路設(shè)計(jì)

該電路設(shè)計(jì)主要是PNP型傳感器開關(guān)量輸出通過輸入電路轉(zhuǎn)換成51系列單片機(jī)能夠接收和處理的電信號或其他信號方式。在實(shí)際應(yīng)用中主要使用P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7的共32個(gè)管腳，作為51系列單片機(jī)的輸入輸出接口[2]。因管腳特性，當(dāng)作為輸入時(shí)吸附電流可以達(dá)到10毫安，而其提拉電流低于1毫安，因此在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)設(shè)置高電平5V時(shí)為“0”信號，低電平0V時(shí)為“1”信號。PNP型傳感器沒有觸發(fā)信號時(shí)，vcc電源線和out線斷開，輸出線處于懸空狀態(tài)。有信號觸發(fā)時(shí)，out線和vcc連接，發(fā)出與vcc電源線一樣的電壓，輸出高電平vcc。其中在電路主要元件選擇上應(yīng)用光電耦合器件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，因?yàn)楣怆婑詈峡梢园央娐分械男盘杺魉秃碗娙莞糁眰魉屯耆綦x，系統(tǒng)之間只有信號傳遞沒有其他電氣連接，具有增加安全性、減小電路干擾、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抗干擾性強(qiáng)、有保護(hù)和濾波功能。

2、基于單片機(jī)的半導(dǎo)體氣體傳感器算法電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由甲烷氣體數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、信息顯示等幾個(gè)模塊構(gòu)成。結(jié)合本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，將列入煤礦重大風(fēng)險(xiǎn)源的甲烷氣體作為測定氣體，選擇編譯效率高、可讀性好、功能強(qiáng)、移植容易的C語言作為程序語言，選擇LCD液晶顯示器，AD轉(zhuǎn)換器則是選擇價(jià)格便宜、應(yīng)用廣泛、體積小的ADC0832芯片[3]。該系統(tǒng)控制原理：芯片與單片機(jī)有CS、DO、CLK、DI四個(gè)接口，設(shè)計(jì)時(shí)將DI和DO并聯(lián)到一根數(shù)據(jù)線上。第一個(gè)脈沖的下沉前DI端為高電平，表示開始信號，而第二、三個(gè)脈沖下沉之前DI端輸入2位數(shù)據(jù)，對 CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)要求是“1”、“0”，對CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)要求是“1”、“1”。CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負(fù)輸入端 IN-進(jìn)行輸入的數(shù)據(jù)要求是“0”、“0”。CH0 作為負(fù)輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入的數(shù)據(jù)要求是“0”、“1”。

該設(shè)計(jì)利用甲烷氣體傳感器，用AT89C51單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能在LED 屏幕上顯示出作業(yè)點(diǎn)附近的甲烷濃度，并用 protues 軟件進(jìn)行編程和仿真，分析氣體傳感器的工作原理，最后編寫軟件程序連接硬件電路來實(shí)現(xiàn)仿真功能。該設(shè)計(jì)目前主要煤礦中得到廣泛應(yīng)用，具有較為成熟是技術(shù)水平。

3、基于單片機(jī)的礦用氣體傳感器的電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，主要由甲烷濃度采樣器、把220V的交流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電源、存儲器的擴(kuò)展、LCD顯示器和報(bào)警器裝置等組成。設(shè)計(jì)要求是通過礦用氣體傳感器可監(jiān)測井下各個(gè)作業(yè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?，將監(jiān)測到的信息反饋給AT89C51單片機(jī)，經(jīng)AT89C51單片機(jī)處理后發(fā)出響應(yīng)指令，如果瓦斯超出井下作業(yè)點(diǎn)規(guī)定的指標(biāo)，系統(tǒng)便立刻發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)發(fā)出降低瓦斯?jié)舛鹊闹噶頪4]。

整體系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)甲烷（瓦斯）的監(jiān)測、報(bào)警和控制，其中AT89C51單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了電子硬件設(shè)計(jì)的“軟件化”，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)配套采用聲光報(bào)警系統(tǒng)和紅外遙控系統(tǒng)來進(jìn)行示警和遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)具有安全可靠、經(jīng)久耐用、結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、性價(jià)比高、響應(yīng)速度快、操作簡便等特點(diǎn)，可有效的降低瓦斯事故的發(fā)生率，降低企業(yè)成本，提高煤炭開采率，非常實(shí)用于全國各種大小煤礦井下瓦斯監(jiān)測監(jiān)控，為煤礦實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全奠定基礎(chǔ)。

4、基于單片機(jī)溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用STC89C52型號的單片機(jī)，采用美國DALASS公司設(shè)計(jì)的DS18B20數(shù)字溫控傳感器，與單機(jī)片組成一個(gè)測溫系統(tǒng)。系統(tǒng)連接電源時(shí)，溫度傳感器會采集環(huán)境的溫度的信號，發(fā)出特定信號，于數(shù)碼顯示管上顯示環(huán)境的溫度[5]。

該設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)需要確定電路中是一些主要參數(shù)，了解溫度控制電路的結(jié)構(gòu)，工作原理，對該控制電路性能進(jìn)行測試。最后通過以51系列單片機(jī)為控制核心的硬件電路系統(tǒng)來完成作業(yè)環(huán)境溫度的采集、控制、報(bào)警、顯示等功能，最終實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測控和顯示。采集模塊采用DS18B20型智能溫度傳感器，這一傳感器具有體積小、接口方面、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，屬于新一代適配微處理的智能傳感器，技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求；控制模塊主要采用鍵盤控制，由按鍵控制形成高低電平，芯片通過傳感器的高低電平來識別信號，來執(zhí)行下一步操作；報(bào)警模塊由報(bào)警裝置電路完成，電路中用到了發(fā)光二極管、1K歐姆的電阻；顯示模塊采用兩位的共陽LED數(shù)碼管來顯示數(shù)據(jù)，正向壓降的都是1.5-2V，額定電流為10毫安，通過最大的電流為20毫安，從P0口輸出段罵，列掃描用P0口來實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)語

基于單片機(jī)對傳感器的電路設(shè)計(jì)需要在實(shí)踐和應(yīng)用中不斷摸索和總結(jié)，然后融合新型的單片機(jī)和傳感器技術(shù)，攻克技術(shù)難題，擴(kuò)展應(yīng)用平臺，以適用于更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，推進(jìn)社會的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]高慧芳.傳感器技術(shù)及發(fā)展趨勢[N].職業(yè)與教育，2008年.

[2]孫長明.淺談基于51系列單片機(jī)對PNP型傳感器的輸出電路設(shè)計(jì)趨勢[J].工業(yè)技術(shù)，2013年.

[3]基于單片機(jī)的半導(dǎo)體氣體傳感器算法電路設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué)仁愛學(xué)院，2014年.

[4]基于AT89C51單片機(jī)的礦用氣體傳感器的電路設(shè)計(jì)[D].常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)校，2014年.

[5]基于溫度傳感器的單片機(jī)溫控電路設(shè)計(jì)[D].百度文庫，2015年.

（作者單位：沈陽和順通達(dá)科技有限公司）