基于單片機對傳感器輸出的電路設計

孫亮

摘要：單片機和傳感器技術是國家發展戰略之一，基于單片機對傳感器輸出的電路設計更是廣泛應用于社會發展的各個領域。本文主要歸納和分析各類基于單片機對傳感器輸出的電路設計，研究設計的應用和實用價值。

關鍵詞：單片機；傳感器；電路設計

一、單片機概況

單片機是集成的電路芯片，是通過電路技術在一塊硅片上把CPU、定時器/計算器、IO口、存儲器、中斷系統等多項功能整合、構成一個微型計算機系統。因單片機擁有體積小、可靠性強、集成技術水平高、價格實惠等優點，廣泛應用與自動化、一體化、智能化、數字化等領域。主要的單片機及優點如下：STC單片機產于宏晶公司，具有運行速度快、加密性良好、抗干擾性強等特點；PIC單片機產于美國微芯科技公司，特點是體積小、抗干擾性強、代碼保密性高；EMC單片機產于臺灣義隆公司，主要是兼容性強、性價比高；51單片機是愛特美爾公司產品，具有程序編寫簡單、壽命時間長、具有多種存儲模式、功能強大、應用型廣泛，適用于要求功耗低的場合；臺灣盛揚半導體的HOLTEK單片機，特點是應用廣泛、價格低、種類多。在進行基于單片機對傳感器輸出的電路設計要根據設計需要、應用的實際情況以及傳感器型號進行綜合考量。

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，傳感器的特點包括：體積小、多功能化、數字化、多維化、系統化、網絡化等。在現代化發展事業當中應用十分廣泛，包括如工農業自動化、機器人技術、醫療診斷、交通運輸、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與應用、新工藝與新技術應用、集成化、多維化、多功能化、智能化上有很大的發展趨勢[1]。

三、電路設計案例剖析

1、基于51系列單片機對PNP型傳感器的輸出電路設計

該電路設計主要是PNP型傳感器開關量輸出通過輸入電路轉換成51系列單片機能夠接收和處理的電信號或其他信號方式。在實際應用中主要使用P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7的共32個管腳，作為51系列單片機的輸入輸出接口[2]。因管腳特性，當作為輸入時吸附電流可以達到10毫安，而其提拉電流低于1毫安，因此在設計應用時設置高電平5V時為“0”信號，低電平0V時為“1”信號。PNP型傳感器沒有觸發信號時，vcc電源線和out線斷開，輸出線處于懸空狀態。有信號觸發時，out線和vcc連接，發出與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用光電耦合器件進行開發設計，因為光電耦合可以把電路中的信號傳送和電容隔直傳送完全隔離，系統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、優化電路設計等優點。該設計優點：電路系統穩定可靠、抗干擾性強、有保護和濾波功能。

2、基于單片機的半導體氣體傳感器算法電路設計

該設計系統主要由甲烷氣體數據采集、數據處理、數據轉化、信息顯示等幾個模塊構成。結合本設計系統的應用需求，將列入煤礦重大風險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、移植容易的C語言作為程序語言，選擇LCD液晶顯示器，AD轉換器則是選擇價格便宜、應用廣泛、體積小的ADC0832芯片[3]。該系統控制原理：芯片與單片機有CS、DO、CLK、DI四個接口，設計時將DI和DO并聯到一根數據線上。第一個脈沖的下沉前DI端為高電平，表示開始信號，而第二、三個脈沖下沉之前DI端輸入2位數據，對 CH0 進行單通道轉換的數據要求是“1”、“0”，對CH1進行單通道轉換的數據要求是“1”、“1”。CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負輸入端 IN-進行輸入的數據要求是“0”、“0”。CH0 作為負輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入的數據要求是“0”、“1”。

該設計利用甲烷氣體傳感器，用AT89C51單片機的數模轉換功能在LED 屏幕上顯示出作業點附近的甲烷濃度，并用 protues 軟件進行編程和仿真，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現仿真功能。該設計目前主要煤礦中得到廣泛應用，具有較為成熟是技術水平。

3、基于單片機的礦用氣體傳感器的電路設計

該設計系統以AT89C51單片機為核心，主要由甲烷濃度采樣器、把220V的交流電轉換成5V的直流電源、存儲器的擴展、LCD顯示器和報警器裝置等組成。設計要求是通過礦用氣體傳感器可監測井下各個作業點的瓦斯濃度，將監測到的信息反饋給AT89C51單片機，經AT89C51單片機處理后發出響應指令，如果瓦斯超出井下作業點規定的指標，系統便立刻發出聲光報警，同時自動發出降低瓦斯濃度的指令[4]。

整體系統可實現甲烷（瓦斯）的監測、報警和控制，其中AT89C51單片機的應用實現了電子硬件設計的“軟件化”，提高了系統的可靠性和抗干擾能力，同時配套采用聲光報警系統和紅外遙控系統來進行示警和遠程監控。系統具有安全可靠、經久耐用、結構靈活、擴展性強、性價比高、響應速度快、操作簡便等特點，可有效的降低瓦斯事故的發生率，降低企業成本，提高煤炭開采率，非常實用于全國各種大小煤礦井下瓦斯監測監控，為煤礦實現本質安全奠定基礎。

4、基于單片機溫度傳感器的電路設計

該設計采用STC89C52型號的單片機，采用美國DALASS公司設計的DS18B20數字溫控傳感器，與單機片組成一個測溫系統。系統連接電源時，溫度傳感器會采集環境的溫度的信號，發出特定信號，于數碼顯示管上顯示環境的溫度[5]。

該設計在設計時需要確定電路中是一些主要參數，了解溫度控制電路的結構，工作原理，對該控制電路性能進行測試。最后通過以51系列單片機為控制核心的硬件電路系統來完成作業環境溫度的采集、控制、報警、顯示等功能，最終實現溫度實時測控和顯示。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、傳輸距離遠等特點，屬于新一代適配微處理的智能傳感器，技術指標符合設計要求；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，來執行下一步操作；報警模塊由報警裝置電路完成，電路中用到了發光二極管、1K歐姆的電阻；顯示模塊采用兩位的共陽LED數碼管來顯示數據，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口來實現。

四、結語

基于單片機對傳感器的電路設計需要在實踐和應用中不斷摸索和總結，然后融合新型的單片機和傳感器技術，攻克技術難題，擴展應用平臺，以適用于更加復雜的應用環境，推進社會的發展。

參考文獻

[1]高慧芳.傳感器技術及發展趨勢[N].職業與教育，2008年.

[2]孫長明.淺談基于51系列單片機對PNP型傳感器的輸出電路設計趨勢[J].工業技術，2013年.

[3]基于單片機的半導體氣體傳感器算法電路設計[D].天津大學仁愛學院，2014年.

[4]基于AT89C51單片機的礦用氣體傳感器的電路設計[D].常州機電職業技術學校，2014年.

[5]基于溫度傳感器的單片機溫控電路設計[D].百度文庫，2015年.

（作者單位：沈陽和順通達科技有限公司）