傳感器多功能教學(xué)開發(fā)板的設(shè)計(jì)與制作

何玲，黃建利，江啟源，黃德穎

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

本作品可以實(shí)現(xiàn)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》這門課程的多功能教學(xué)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)13種氣體進(jìn)行檢測(cè)的氣敏傳感器、光敏傳感器、霍爾傳感器、PM2.5等多種傳感器功能演示。如有任何一個(gè)傳感器告警，喇叭將會(huì)發(fā)出警笛聲，并且繼電器2閉合，繼電器可接220V負(fù)載如風(fēng)扇（用于排除氣體），指示燈。光敏三極管采樣的信號(hào)經(jīng)遲滯電壓比較器和積分電路處理后控制繼電器3（同上可接負(fù)載）。線性霍爾傳感器可實(shí)時(shí)檢查磁場(chǎng)大小，當(dāng)磁場(chǎng)過大時(shí)蜂鳴器告警且繼電器1閉合。PM2.5傳感器（只檢測(cè)變化的量）過高時(shí)繼電器4閉合。以上傳感器檢測(cè)的信號(hào)同時(shí)還可以給Arduino,單片機(jī),STM32等芯片進(jìn)行采樣，可通過手機(jī),電腦實(shí)時(shí)查看。

1 電源電路設(shè)計(jì)及分析

電源電路設(shè)計(jì)如圖1所示，該電路由單相市電220V供電50VA變壓器降壓成雙12V，經(jīng)過整流濾波得到紋波系數(shù)較大的雙14.4V，再由三端穩(wěn)壓（7812，7912）穩(wěn)壓成雙12V電源給各種數(shù)字和模擬芯片供電，5V三端穩(wěn)壓（7805）給TL431輸出一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，各種氣敏傳感器的加熱絲是由buck電路5V供電，額定加熱工作電流約2.2A[1]。buck電路暫時(shí)使用的是NE555作為MOS管的PWN信號(hào)產(chǎn)生器[1],產(chǎn)生約100k Hz,5V的方波（占空地和頻率可調(diào)），經(jīng)過74LS00四二輸入與非門放大驅(qū)動(dòng)電流和電壓（12V）連接到隔直電容后串聯(lián)在30:30隔離變壓器原邊上，最后副邊經(jīng)串聯(lián)22Ω電阻后連接在MOS管GS兩端上,給MOS管驅(qū)動(dòng)，經(jīng)示波器測(cè)量DS兩端波形后發(fā)現(xiàn)電壓尖峰過高,超過了MOS管耐壓值10V多,后來在DS兩端并聯(lián)上1kΩ電阻和0.1μF電容后,電壓尖峰降低了約5V。使用目前方法因?yàn)檩敵鲭妷簺]有反饋,導(dǎo)致輸出電壓受輕微的電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響和負(fù)載功率變化影響,該方法有待改進(jìn)。

圖1 電源電路圖

2 氣敏傳感器電路設(shè)計(jì)及分析

氣敏傳感器電路設(shè)計(jì)如圖2所示，當(dāng)有任何一個(gè)氣敏傳感器告警時(shí),氣敏傳感器內(nèi)部電阻與外部電阻分壓（可調(diào)閾值）會(huì)超過TL431基準(zhǔn)電壓2.5V,用做電壓比較器的LM358(A)會(huì)輸出高電平,經(jīng)過多個(gè)CD4071四二輸入或門,最終輸出變?yōu)?,接在KD9561四聲報(bào)警聲芯片上的8Ω0.25W喇叭發(fā)出警笛聲（鳴笛速度和聲音大小可調(diào)，也可以切換成救護(hù)車聲、消防車聲和槍擊聲）,12V繼電器2長(zhǎng)開端閉合（此處可擴(kuò)展，如接220V排氣扇）,同時(shí)用作電壓跟隨器的LM358(B)將模擬信號(hào)傳送給arduino2560進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬量采樣監(jiān)測(cè)[2]（可脫機(jī)工作）,并用串口的方式在電腦或手機(jī)上顯示。

圖2 氣敏傳感器部分電路

3 光敏傳感器電路設(shè)計(jì)及分析

光敏傳感器電路如圖3所示，當(dāng)環(huán)境光照度變?nèi)鯐r(shí),光敏三極管逐漸截止,用做電壓比較器的LM358直接輸出的指示燈由紅燈變?yōu)榫G燈（可調(diào)閾值）,同時(shí)用做遲滯電壓比較器的LM358輸出在經(jīng)過積分電路的LM358（回差電壓和延遲時(shí)間可調(diào)）輸出作為12V繼電器3（此處可擴(kuò)展，如接220V路燈）長(zhǎng)開端閉合的延時(shí)開關(guān),此處設(shè)計(jì)是為了模擬現(xiàn)實(shí)中當(dāng)天快黑或天快亮?xí)r路燈不停的開關(guān)、車遠(yuǎn)光燈短時(shí)間照射到路燈配電箱時(shí)路燈全部熄滅等現(xiàn)象[3]。

圖3 光敏傳感器電路

4 霍爾傳感器與PM2.5傳感器電路設(shè)計(jì)及分析

霍爾傳感器電路如圖4(a)所示，AH3503線性霍爾傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度過高時(shí)（可調(diào)閾值）,接在NE555上的有源蜂鳴器會(huì)以1Hz～幾百Hz的頻率間接性的響（頻率和占空比可調(diào)）,并且12V繼電器1長(zhǎng)開端閉合（此處可擴(kuò)展）。

圖4 霍爾傳感器電路

PM2.5傳感器電路如圖4(b)所示，該電路用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中PM2.5濃度,當(dāng)PM2.5濃度過高時(shí),12V繼電器4長(zhǎng)開端閉合（此處可擴(kuò)展）（目前因電路設(shè)計(jì)原因,只能檢測(cè)PM2.5濃度變化速率,該方法有待改進(jìn)）。

5 實(shí)物與調(diào)試效果圖

（1）實(shí)物圖如圖5所示，主要包括buck電路區(qū)；氣敏傳感器區(qū)主要包括煙霧檢測(cè)氣敏傳感器、酒精氣敏傳感器、丙烷檢測(cè)氣敏傳感器、一氧化碳檢測(cè)氣敏傳感器等13種氣敏傳感器；霍爾傳感器；光電傳感器中的光敏三極管；PM2.5環(huán)境檢測(cè)儀。

（2）實(shí)物調(diào)試時(shí)除了可以直觀看出效果，還可以通過電腦，手機(jī)終端進(jìn)行顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，電腦終端顯示效果如圖6所示。

6 結(jié)論

該多功能教學(xué)開發(fā)板不僅可以實(shí)現(xiàn)《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程上所需的大部分傳感器的應(yīng)用，并且還可以和后續(xù)的課程進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，能讓學(xué)生看到傳感器的直接應(yīng)用電路效果，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。該開發(fā)板擴(kuò)展方便簡(jiǎn)潔，可以實(shí)現(xiàn)和《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》、《嵌入式應(yīng)用技術(shù)》、《arduino開源硬件技術(shù)》、《電力電子技術(shù)》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《C語言編程》等課程進(jìn)行搭配使用。