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基于单片机对传感器输出的电路设计
作者：孙亮
来源：《科学与技术》2018年第15期
摘要：单片机和传感器技术是国家发展战略之一，基于单片机对传感器输出的电路设计更是广泛应用于社会发展的各个领域。本文主要归纳和分析各类基于单片机对传感器输出的电路设计，研究设计的应用和实用价值。 关键词：单片机；传感器；电路设计 一、单片机概况
单片机是集成的电路芯片，是通过电路技术在一块硅片上把CPU、定时器/计算器、IO口、存储器、中断系统等多项功能整合、构成一个微型计算机系统。因单片机拥有体积小、可靠性强、集成技术水平高、价格实惠等优点，广泛应用与自动化、一体化、智能化、数字化等领域。主要的单片机及优点如下：STC单片机产于宏晶公司，具有运行速度快、加密性良好、抗干扰性强等特点；PIC单片机产于美国微芯科技公司，特点是体积小、抗干扰性强、代码保密性高；EMC单片机产于台湾义隆公司，主要是兼容性强、性价比高；51单片机是爱特美尔公司产品，具有程序編写简单、寿命时间长、具有多种存储模式、功能强大、应用型广泛，适用于要求功耗低的场合；台湾盛扬半导体的HOLTEK单片机，特点是应用广泛、价格低、种类多。在进行基于单片机对传感器输出的电路设计要根据设计需要、应用的实际情况以及传感器型号进行综合考量。 二、传感器概况
传感器是一种采集、感知信号装置，将采集和感知到的信息，转换为电信号，来完成系好的传送、储存、显示和控制等操作，传感器的特点包括：体积小、多功能化、数字化、多维化、系统化、网络化等。在现代化发展事业当中应用十分广泛，包括如工农业自动化、机器人技术、医疗诊断、交通运输、家用电器等。
传感器类型包括气体传感器、温度传感器、红外线传感器、压力传感器、湿度传感器、光电传感器、光纤传感器、电阻式传感器、光敏传感器等。未来传感器在新材料的开发与应用、新工艺与新技术应用、集成化、多维化、多功能化、智能化上有很大的发展趋势[1]。 三、电路设计案例剖析
1、基于51系列单片机对PNP型传感器的输出电路设计
该电路设计主要是PNP型传感器开关量输出通过输入电路转换成51系列单片机能够接收和处理的电信号或其他信号方式。在实际应用中主要使用P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，
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P3.0-P3.7的共32个管脚，作为51系列单片机的输入输出接口[2]。因管脚特性，当作为输入时吸附电流可以达到10毫安，而其提拉电流低于1毫安，因此在设计应用时设置高电平5V时为“0”信号，低电平0V时为“1”信号。PNP型传感器没有触发信号时，vcc电源线和out线断开，输出线处于悬空状态。有信号触发时，out线和vcc连接，发出与vcc电源线一样的电压，输出高电平vcc。其中在电路主要元件选择上应用光电耦合器件进行开发设计，因为光电耦合可以把电路中的信号传送和电容隔直传送完全隔离，系统之间只有信号传递没有其他电气连接，具有增加安全性、减小电路干扰、优化电路设计等优点。该设计优点：电路系统稳定可靠、抗干扰性强、有保护和滤波功能。
2、基于单片机的半导体气体传感器算法电路设计
该设计系统主要由甲烷气体数据采集、数据处理、数据转化、信息显示等几个模块构成。结合本设计系统的应用需求，将列入煤矿重大风险源的甲烷气体作为测定气体，选择编译效率高、可读性好、功能强、移植容易的C语言作为程序语言，选择LCD液晶显示器，AD转换器则是选择价格便宜、应用广泛、体积小的ADC0832芯片[3]。该系统控制原理：芯片与单片机有CS、DO、CLK、DI四个接口，设计时将DI和DO并联到一根数据线上。第一个脉冲的下沉前DI端为高电平，表示开始信号，而第二、三个脉冲下沉之前DI端输入2位数据，对 CH0 进行单通道转换的数据要求是“1”、“0”，对CH1进行单通道转换的数据要求是“1”、“1”。CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入的数据要求是“0”、“0”。CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入的数据要求是“0”、“1”。
该设计利用甲烷气体传感器，用AT89C51单片机的数模转换功能在LED 屏幕上显示出作业点附近的甲烷浓度，并用 protues 软件进行编程和仿真，分析气体传感器的工作原理，最后编写软件程序连接硬件电路来实现仿真功能。该设计目前主要煤矿中得到广泛应用，具有较为成熟是技术水平。
3、基于单片机的矿用气体传感器的电路设计
该设计系统以AT89C51单片机为核心，主要由甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、存储器的扩展、LCD显示器和报警器装置等组成。设计要求是通过矿用气体传感器可监测井下各个作业点的瓦斯浓度，将监测到的信息反馈给AT89C51单片机，经AT89C51单片机处理后发出响应指令，如果瓦斯超出井下作业点规定的指标，系统便立刻发出声光报警，同时自动发出降低瓦斯浓度的指令[4]。
整体系统可实现甲烷（瓦斯）的监测、报警和控制，其中AT89C51单片机的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时配套采用声光报警系统和红外遥控系统来进行示警和远程监控。系统具有安全可靠、经久耐用、结构灵活、扩展性强、性价比高、响应速度快、操作简便等特点，可有效的降低瓦斯事故的发生率，降低企业成本，提高煤炭开采率，非常实用于全国各种大小煤矿井下瓦斯监测监控，为煤矿实现本质安全奠定基础。
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4、基于单片机温度传感器的电路设计
该设计采用STC89C52型号的单片机，采用美国DALASS公司设计的DS18B20数字温控传感器，与单机片组成一个测温系统。系统连接电源时，温度传感器会采集环境的温度的信号，发出特定信号，于数码显示管上显示环境的温度[5]。
该设计在设计时需要确定电路中是一些主要参数，了解温度控制电路的结构，工作原理，对该控制电路性能进行测试。最后通过以51系列单片机为控制核心的硬件电路系统来完成作业环境温度的采集、控制、报警、显示等功能，最终实现温度实时测控和显示。采集模块采用DS18B20型智能温度传感器，这一传感器具有体积小、接口方面、传输距离远等特点，属于新一代适配微处理的智能传感器，技术指标符合设计要求；控制模块主要采用键盘控制，由按键控制形成高低电平，芯片通过传感器的高低电平来识别信号，来执行下一步操作；报警模块由报警装置电路完成，电路中用到了发光二极管、1K欧姆的电阻；显示模块采用两位的共阳LED数码管来显示数据，正向压降的都是1.5-2V，额定电流为10毫安，通过最大的电流为20毫安，从P0口输出段骂，列扫描用P0口来实现。 四、结语
基于单片机对传感器的电路设计需要在实践和应用中不断摸索和总结，然后融合新型的单片机和传感器技术，攻克技术难题，扩展应用平台，以适用于更加复杂的应用环境，推进社会的发展。 参考文献
[1]高慧芳.传感器技术及发展趋势[N].职业与教育，2008年.
[2]孙长明.浅谈基于51系列单片机对PNP型传感器的输出电路设计趋势[J].工业技术，2013年.
[3]基于单片机的半导体气体传感器算法电路设计[D].天津大学仁爱学院，2014年. [4]基于AT89C51单片机的矿用气体传感器的电路设计[D].常州机电职业技术学校，2014年.
[5]基于温度传感器的单片机温控电路设计[D].百度文库，2015年. （作者单位：沈阳和顺通达科技有限公司）