傳感器及RFID技術(shù)應(yīng)用（第二版）傳感器綜合應(yīng)用

傳感器及RFID應(yīng)用技術(shù)傳感器綜合應(yīng)用學(xué)習(xí)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，常用的檢測(cè)電路的作用，傳感器與微處理器的接口。知識(shí)要點(diǎn)學(xué)會(huì)使用各種檢測(cè)電路、接口電路設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)、控制電路，初步掌握傳感器的綜合應(yīng)用。學(xué)會(huì)撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)1）設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)顯電子秤。2）設(shè)計(jì)制作一個(gè)全自動(dòng)聲光控制照明燈3）設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)顯溫度計(jì)。任務(wù)目標(biāo)

圖10-1微機(jī)控制系統(tǒng)框圖[基礎(chǔ)知識(shí)]一、傳感器接口電路一）傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)1.微機(jī)控制系統(tǒng)以微處理器為核心的控制系統(tǒng)，采用傳感器檢測(cè)各種參數(shù)，能自動(dòng)完成測(cè)試、控制工作的全過(guò)程。既能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，又能對(duì)所獲信號(hào)進(jìn)行分析處理求得有用信息。如圖10-1所示為微機(jī)控制系統(tǒng)，它能快速、實(shí)時(shí)測(cè)量，并能排除噪聲干擾，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號(hào)分析，由測(cè)得的信號(hào)求出與研究對(duì)象有關(guān)信息的量值或給出其狀態(tài)的判別，從而控制執(zhí)行裝置，完成對(duì)被控對(duì)象的控制。

傳感器的作用是完成信號(hào)的獲得，它把各種被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這種信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器送入微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)的核心，它使整個(gè)控制系統(tǒng)成為一個(gè)智能化的有機(jī)整體。完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出控制功能。變送單元既可以采用廠家集成好的變送器，也可自己設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)和用途，所以傳感器接口電路具有多樣性。2.傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)1）傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)（1）傳感器輸出信號(hào)的類型不同分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)又分為數(shù)字開(kāi)關(guān)量、數(shù)字脈沖列。例如輸出量為電阻、電容、電感、電壓、電流等都是模擬量，開(kāi)關(guān)量信號(hào)是一種接點(diǎn)信號(hào)，即由繼電器或其他電器接點(diǎn)的接通、斷開(kāi)產(chǎn)生的“通”、“斷”信號(hào)，如機(jī)械觸點(diǎn)的閉合與斷開(kāi)和電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止。數(shù)字脈沖列是一種電平信號(hào)，由信號(hào)電平的“高”、“低”組成的脈沖序列，如頻率信號(hào)。（2）傳感器輸出信號(hào)一般比較微弱由于傳感器輸出信號(hào)微弱，所以一般需要設(shè)計(jì)信號(hào)放大電路。（3）傳感器的輸出阻抗比較高傳感器的輸出阻抗比較高，會(huì)使傳感器輸出信號(hào)在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生較大的衰減。（4）傳感器內(nèi)部噪聲由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，使輸出信號(hào)與噪聲混合在一起。當(dāng)傳感器的信噪比小，而輸出信號(hào)又比較弱時(shí)，信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中。（5）傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬輸出信號(hào)隨著輸入信號(hào)的變化而變化，一部分傳感器的輸入與輸出特性呈線性或基本成線性比例關(guān)系，但部分傳感器的輸入與輸出特性是非線性的，如按指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)或開(kāi)方函數(shù)等而變化。（6）傳感器的輸出特性會(huì)受干擾傳感器的輸出特性會(huì)受外界環(huán)境干擾及各種電磁干擾的影響，其中主要是受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。（7）傳感器的輸出特性與電源性能有關(guān)，一般需采用恒壓供電或恒流供電。2）傳感器接口電路應(yīng)滿足的要求（1）要考慮阻抗匹配的問(wèn)題（2）輸出信號(hào)的幅值要足夠大能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的后續(xù)電路。一般由放大電路將微弱的傳感器輸出信號(hào)放大。（3）傳感器的輸出信號(hào)為不同的變量要進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。（4）考慮到環(huán)境溫度的影響，要加溫度補(bǔ)償電路（5）要考慮傳感器的輸出特性不是線性的情況在傳感器的輸出特性不是線性的情況下，可通過(guò)線性化電路來(lái)進(jìn)行線性校正。現(xiàn)在也可通過(guò)軟件由微機(jī)進(jìn)行線性化處理。（6）接口電路要能夠抗干擾，具有較好的穩(wěn)定性對(duì)噪聲要進(jìn)行噪聲抑制，對(duì)電磁干擾要進(jìn)行濾波、屏蔽和隔離。（7）當(dāng)輸出信號(hào)有多個(gè)時(shí)當(dāng)輸出信號(hào)有多個(gè)（如多點(diǎn)巡回檢測(cè)）時(shí)，一臺(tái)微機(jī)要對(duì)它們實(shí)時(shí)分時(shí)采樣，需在輸入通道的某個(gè)適當(dāng)位置配置多路模擬開(kāi)關(guān)。另外，當(dāng)模擬量變化較快時(shí)，要加采樣保持器。（8）傳感器的輸出信號(hào)為模擬量時(shí)傳感器的輸出信號(hào)為模擬量時(shí)，經(jīng)放大、信號(hào)處理后，輸入計(jì)算機(jī)前要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，常用轉(zhuǎn)換電路有A/D轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器等。二）傳感器輸出信號(hào)檢測(cè)電路傳感器接口電路中完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)預(yù)處理的各種接口電路統(tǒng)稱為檢測(cè)電路，經(jīng)檢測(cè)電路預(yù)處理過(guò)的信號(hào)，應(yīng)成為可供測(cè)量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號(hào)形式。1．阻抗匹配器1）半導(dǎo)體管阻抗匹配器半導(dǎo)體管阻抗匹配器是一個(gè)BJT共集電極電路，又稱為射極輸出器，也被稱為電壓跟隨器。其特點(diǎn)是：電壓增益小于1而近于1，輸出電壓與輸入電壓同相，輸入阻抗高，可減小放大器對(duì)信號(hào)源（或前級(jí)）索取的信號(hào)電流，同時(shí)輸出阻抗低，可減小負(fù)載變動(dòng)對(duì)放大倍數(shù)的影響。另外，它對(duì)電流仍有放大作用。如圖10-2所示。圖10-2射極輸出器電路圖圖10-3采用自舉電路射極輸出器電路圖在射極輸出基本電路的基礎(chǔ)上，可以采取若干措施來(lái)進(jìn)一步提高輸入電阻。圖10-3為采用自舉電路以提高射極輸出器輸入電阻的電路。2）場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配器場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配器為場(chǎng)效應(yīng)管共漏極電路—源極輸出器。電路如圖10-4所示。源極輸出器特點(diǎn)是：電壓增益小于1而近于1，輸入輸出電壓同相，輸入阻抗高，輸出阻抗低。其改進(jìn)電路如圖10-5所示。

圖10-4源極輸出器電路圖圖10-5采用自舉電路的源極輸出器電路圖

3）運(yùn)算放大器阻抗匹配器圖10-6為自舉型高輸入阻抗放大器。A1、A2為理想放大器。根據(jù)虛地原理，A1的“-”端與“+”端電位相同均為0；而A2與A1情況相同。經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)Rf1=R2，Rf2=2R1，可得輸入阻抗為：（10-1）

圖10-6自舉型高輸入阻抗放大器故選擇適當(dāng)阻值，Ri很大，若(R-R1)/R為0.01%時(shí)，R1=10kΩ，則Ri=100MΩ。

2.電橋電路1）直流電橋直流電橋主要用于電阻或傳感器中作R/V轉(zhuǎn)換電路。圖10-7（a）為直流電橋的原理圖，E為直流電源，R1~R4為直流電阻，構(gòu)成四個(gè)橋臂，其輸出電壓為：（10-2)當(dāng)電橋平衡時(shí)，U0=0，利用這一關(guān)系可以很方便地為傳感器設(shè)置零點(diǎn)。

(a)直流電橋電路(b)全橋電路圖10-7直流電橋原理路圖10-7（b）圖連接為全橋電路，其輸出為：（10-3）全橋電路提高了靈敏度，輸出為線性，且可起到溫度補(bǔ)償作用，因此全橋電路應(yīng)用較廣。

2）交流電橋交流電橋主要用于測(cè)量電容式傳感器、電感式傳感器的電容、電感的變化。圖10-8為交流電橋電路，Z1和Z2為阻抗元件，可同時(shí)為電感或電容，電橋兩臂為差動(dòng)方式。圖10-8交流電橋電路電橋平衡條件為：Z1=Z2=Z0，當(dāng)電橋平衡時(shí)U0=0，測(cè)量時(shí)，若Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，則電橋輸出電壓為：（10-4）

3．放大電路運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱運(yùn)放。電路符號(hào)如圖10-9所示。運(yùn)放一般工作在直流電壓下，+V及-V分別為正、負(fù)電源端。運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)稱為反相輸入端（-），另一個(gè)為同相輸入端（+）。此外，在運(yùn)放電路符號(hào)右邊還有一個(gè)輸出端。運(yùn)放集成電路有不同的封裝，常見(jiàn)的有雙列直插型（DIP）及表面貼型（SOIC、TTSOP等）。1）運(yùn)放的主要參數(shù)：（1）電源電壓范圍（VCC）。不同型號(hào)運(yùn)放集成電路所能承受的工作電壓范圍不盡相同，比如NE5532的極限供電電壓為±22V、LM358為±16V等。而一般給運(yùn)放供電時(shí)，最好低于其極限供電壓若干伏。有的運(yùn)放支持單電源供電，如LM358、LM324等，有的則必需使用雙電源。（2）共模輸入信號(hào)范圍（Vicm）。所有的運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)的電壓都有一個(gè)承受范圍，共模輸入信號(hào)范圍指的是輸入運(yùn)放反相輸入端或同相輸入端信號(hào)的電壓限制，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)這個(gè)范圍將使運(yùn)放的輸出產(chǎn)生截止或其他失真。比如當(dāng)LM358供電+V=30V時(shí)，輸入到任何一個(gè)輸入端的信號(hào)幅度不能超過(guò)30V-1.5V=28.5V。（3）開(kāi)環(huán)增益（Aol）。等于輸出電壓比上輸入電壓。開(kāi)環(huán)增益是運(yùn)放設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定的，一般都可達(dá)到106（120dB）。在運(yùn)放的技術(shù)手冊(cè)中通常以大信號(hào)電壓增益（Avd）來(lái)表示，比如LM324的Avd=100V/mV=105（倍）=100dB。根據(jù)開(kāi)環(huán)增益的高低，運(yùn)放可分為低增益型（60dB<Aol<80dB）、中增益型（80dB<Aol<100dB）、高增益型（Aol>100dB）等幾種。（4）共模抑制比（CMR）。共模抑制比（CMR）描述運(yùn)放抑制共模信號(hào)的能力。共模抑制比越大說(shuō)明運(yùn)放質(zhì)量越好。共模信號(hào)如果輸入到反相輸入端和同相輸入端時(shí)，輸出為0。（5）轉(zhuǎn)換速率（SR）。轉(zhuǎn)換速率（SR）指當(dāng)輸入信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)跳變時(shí)，運(yùn)放輸出對(duì)這個(gè)跳變的響應(yīng)速度。轉(zhuǎn)換速率=

（10-5）圖10-9運(yùn)算放大器符號(hào)及封裝

2）運(yùn)放使用的黃金守則：（1）守則一：運(yùn)放的電壓增益（即開(kāi)環(huán)增益）非常高以至于兩個(gè)輸入端之間即便只有幾mV的電壓就會(huì)令輸出達(dá)到飽和。也就是說(shuō)要讓運(yùn)放成應(yīng)用電路，應(yīng)當(dāng)使輸出盡一切可能讓兩個(gè)輸入端之間的電壓為0，常用的方法就是負(fù)反饋。（2）守則二：運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的輸入電流極小，如LM358的輸入電流只有20nA（1nA=10-9A）。更有甚者只有幾pA（1pA=10-12A），所以可視運(yùn)放沒(méi)有輸入電流，這樣對(duì)輸入信號(hào)的損耗常?？珊雎浴?）反相放大器反相放大器基本電路如圖10-10（a）所示，輸入信號(hào)Ui通過(guò)R1接到反相輸入端，同相輸入端接地。輸出信號(hào)Uo通過(guò)反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達(dá)式為：(10-6）

(a)反相放大器(b)同相放大器圖10-10放大器基本電路

反相放大器特點(diǎn)：（1）輸出電壓與輸入電壓反相。（2）放大倍數(shù)只取決于Rf與R1的比值，既可大于1，也可小于1，具有很大的靈活性。因此反相放大器也被稱為比例放大器，廣泛應(yīng)用于各種比例運(yùn)算中。4）同相放大器同相放大器的基本電路如圖10-10（b）所示，輸入電壓Ui直接接入同相輸入端，輸出電壓通過(guò)反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達(dá)式為：（10-7）同相放大器特點(diǎn)：（1）輸出電壓與輸入電壓同相。（2）放大倍數(shù)取決于Rf與R1的比值，但數(shù)值不能小于1(只能放大,不能縮小）。思考一下：如果采用LM35傳感器，其輸出信號(hào)為0~0.99V，要將其放大到0~5V，則如何設(shè)計(jì)放大電路?跟隨器是同相放大器的一種特殊情況，如圖10-11所示，它把輸出信號(hào)100%反饋到了反相輸入端，跟隨器的電壓增益=1。

圖10-11跟隨器電路符號(hào)和OPA633跟隨器

5）差動(dòng)放大器差動(dòng)放大器的基本電路如圖10-12所示，兩個(gè)輸入電壓U1和U2分別經(jīng)R1和R2加到運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端，輸出電壓Uo經(jīng)反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。由疊加原理可得輸出電壓Uo為：（10-8）

如果R1=R2，Rf=R3，可得：（10-9）圖10-12差動(dòng)放大器圖10-13電荷放大器

由上式可得差動(dòng)放大器的特點(diǎn)：（1）輸出電壓正比于U2與U1的差值。（2）抗干擾能力強(qiáng)，既能抑制共模信號(hào)，又能抑制零點(diǎn)漂移。儀表放大器也是一種差分放大器，可對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)的差模部分進(jìn)行放大并抑制共模部分。和單運(yùn)放差分放大器一樣，它主要用來(lái)對(duì)微弱的并包含有較強(qiáng)共模噪音的信號(hào)進(jìn)行放大。它的最大特點(diǎn)是輸入阻抗非常高、共模抑制比非常高、輸出阻抗低等。（10-10）INA128型是典型的儀表放大器，其輸入阻抗可達(dá)1010Ω，高共模抑制比，可達(dá)130dB。如圖10-14所示，控制電壓增益的電阻RG以外接的形式來(lái)改變儀表放大器的電壓增益，INA128儀表放大器的電壓增益計(jì)算式：（10-11）

（a）儀表放大器原理圖（b）NA128原理圖及封裝圖10-14儀表放大器

6）電荷放大器電荷放大器是一種帶電容負(fù)反饋的高輸入阻抗（電荷損失很少）、高放大倍數(shù)的運(yùn)算放大器，其原理圖如圖10-13所示。輸入信號(hào)為電荷量Q，輸出信號(hào)電壓Uo經(jīng)反饋電容Cf反饋到反相輸入端，同相端接地。由“虛地”可知Ui=0，Q=(0-Uo)Cf即：（10-12）

7）比較器（1）過(guò)零比較器過(guò)零比較器可檢測(cè)一個(gè)信號(hào)的電平是否超過(guò)0，其反相輸入端（-）接地作為參考電壓端（參考電壓為0V），輸入信號(hào)Vin從同相輸入端（+）進(jìn)入比較器。當(dāng)輸入信號(hào)Vin高于0時(shí)輸出信號(hào)Vout為+V，當(dāng)輸入信號(hào)Vin低于0時(shí)輸出信號(hào)Vout為-V。比較器有許多專用集成電路，如LM306、LM311、LM393等。對(duì)于opencollector（集電極開(kāi)路）結(jié)構(gòu)輸出的比較器集成電路來(lái)說(shuō)，輸出端的上拉電阻Rpullup不能省去。圖10-15過(guò)零比較器

（2）非過(guò)零比較器當(dāng)輸入信號(hào)Vin>參考電壓VREF時(shí)，比較器輸出Vout為高電平，否則為低電平。

（10-13）圖10-16非過(guò)零比較器4.抗干擾電路在傳感器獲取的測(cè)量信號(hào)中，往往混入一些與被測(cè)量無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，控制裝置誤動(dòng)作。所以需采取相應(yīng)措施，提取有用信號(hào)，抑制噪聲等干擾信號(hào)。對(duì)系統(tǒng)內(nèi)噪聲重要的是抑制噪聲源，選用質(zhì)量好的器件；對(duì)系統(tǒng)間噪聲是要防止外來(lái)噪聲的侵入，主要采用屏蔽、濾波、隔離電路等來(lái)完成。1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來(lái)，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。屏蔽可分三種，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁屏蔽。電場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)防止元器件或電路間因分布電容耦合產(chǎn)生的干擾。用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來(lái)，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側(cè)的正電荷將流入大地，外側(cè)將不會(huì)有電場(chǎng)存在，即帶正電導(dǎo)體的電場(chǎng)被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)。磁場(chǎng)屏蔽主要用來(lái)消除元器件或電路間因磁場(chǎng)寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場(chǎng)屏蔽的材料一般都選用高磁導(dǎo)系數(shù)的磁性材料。磁場(chǎng)屏蔽是利用高磁導(dǎo)率的材料構(gòu)成低磁阻通路，使大部分磁場(chǎng)被集中在屏蔽體內(nèi)。屏蔽體的磁導(dǎo)率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場(chǎng)屏蔽的效果越好。當(dāng)然要與設(shè)備的重量相協(xié)調(diào)。電磁屏蔽主要用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的干擾。電磁屏蔽的材料應(yīng)選用高磁導(dǎo)系數(shù)的材料，如銅、銀等，利用電磁場(chǎng)在屏蔽金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流而起屏蔽作用。電磁屏蔽體可以不接地，但為防止分布電容的影響，可以使電磁屏蔽體接地，兼起電場(chǎng)屏蔽作用。電場(chǎng)屏蔽體必須可靠接地。一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。2）濾波濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)順利通過(guò)而同時(shí)抑制（或大為衰減）無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置?？梢允怯蒖、L、C組成的無(wú)源濾波器，也可以是由運(yùn)算放大器和R、C組成的有源濾波器。濾波電路通?？煞譃橐韵聨最悾海?）低通濾波器

圖10-17低通濾波器低通濾波器允許低于截止頻率的信號(hào)成分通過(guò)，其截止頻率為：

（10-14）（2）高通濾波器圖10-18高通濾波器

高通濾波器允許高于截止頻率的信號(hào)成分通過(guò)，其截止頻率為：

（10-15）（3）帶通濾波器帶通濾波器允許某一頻帶的信號(hào)成分通過(guò)，假設(shè)，其截止頻率為（10-16）

（a）有源帶通濾波器（b）頻率特性圖10-19帶通濾波器

（4）帶阻濾波器帶阻濾波器阻止某一頻帶的信號(hào)成分通過(guò)，其中一種常用的帶阻濾波器稱為雙T陷波器，其中心頻率的計(jì)算公式為：（10-17）

（a）有源帶阻濾波器（b）頻率特性圖10-20帶阻濾波器

3）隔離當(dāng)前后兩個(gè)電路信號(hào)端接地時(shí)，易形成環(huán)路電流，引起噪聲干擾。所以需采用隔離的方法，把兩個(gè)電路從電路上隔開(kāi)。常采用以下兩種方法隔離。（1）變壓器隔離在兩個(gè)電路之間加入隔離變壓器，將電路分為互相絕緣的兩部分，電路上完全隔離，而輸入信號(hào)經(jīng)變壓器以磁通耦合方式傳遞到輸出端，這樣以磁為媒介，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的傳輸。（2）光電隔離光電隔離電路由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。如9-21所示，當(dāng)輸入端加上電信號(hào)，發(fā)光二極管有電流流過(guò)而發(fā)光，使光敏三極管受到光照后而導(dǎo)通。當(dāng)輸入端無(wú)電信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。這樣通過(guò)光電耦合的方法實(shí)現(xiàn)電路的隔離，即以光為媒介，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸。圖10-21光電隔離電路三）傳感器與微處理器接口電路1、數(shù)字量傳感器與微處理器的接口1）開(kāi)關(guān)型傳感器圖10-22紅外對(duì)管電路圖紅外對(duì)管，其中一個(gè)為紅外線發(fā)射管，另一個(gè)為接收管。不同型號(hào)的器件有不同的工作電壓、電流、波長(zhǎng)，如QED422型發(fā)射管的正向壓降為1.8V，偏置電流為100mA。當(dāng)向發(fā)射管提供工作電壓它就能持續(xù)發(fā)射出波長(zhǎng)為880nm的紅外線（不可見(jiàn)）。紅外接收管通常工作在反向電壓狀態(tài)，S1斷開(kāi)，發(fā)射管無(wú)紅外線發(fā)射時(shí)，接收管截止，于是輸出端Vout=+5V；S1閉合，發(fā)射管發(fā)射紅外線，如果發(fā)射管與接收管對(duì)齊時(shí)，接收管導(dǎo)通而Vout

接近0。將輸出端直接連接到單片機(jī)上，通過(guò)編程檢測(cè)對(duì)應(yīng)引腳電平的高低（或者檢測(cè)脈沖信號(hào)），判斷紅外對(duì)管之間是否有物體通過(guò)，如果有物體遮擋，則輸出端因?yàn)椴荒芙邮招盘?hào)輸出高電平；如果沒(méi)有物體遮擋，輸出端能夠接收發(fā)射的紅外線，輸出低電平。2）串口輸出傳感器隨著技術(shù)進(jìn)步，數(shù)字量傳感器也越來(lái)越多，以DS18B20為例，就是一個(gè)單總線器件，器件通過(guò)一條線，以串行方式和微處理器交換轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。3）串行通信/無(wú)線通信傳感器傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳感器廠家生產(chǎn)了越來(lái)越多帶RS232通信接口、帶無(wú)線通信的傳感器，方便大規(guī)模傳感器的應(yīng)用。其處理方式涉及到串行通信編程和無(wú)線通信技術(shù)，是傳感器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。2、模擬量傳感器與微處理器接口1）幅頻變換幅頻變換就是把信號(hào)幅度的變化通過(guò)電路用頻率變化的脈沖表示出來(lái)。這樣做的目的把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便送入微處理器進(jìn)行處理。幅頻變換與A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）實(shí)現(xiàn)的方法不同，但是結(jié)果都是把模擬量轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量。圖10-23MPX4115A系列壓力傳感器

MPX4115A系列壓力傳感器專門用于高度計(jì)或氣壓計(jì)中的氣壓測(cè)量，該系列傳感器具有多種封裝供選擇?？梢?jiàn)其內(nèi)部已經(jīng)集成了溫度補(bǔ)償、放大器等電路，只要向其供電就可在VOUT端獲得一個(gè)與實(shí)測(cè)氣壓相關(guān)的電壓信號(hào)。表9-1MPX4115A參數(shù)參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位測(cè)量電壓范圍POP15-115kPa供電電壓VS4.855.15.35Vdc工作電流IO-7.010mAdc最小壓力偏移Voff0.1350.2040.273Vdc滿刻度輸出VFSO4.7254.7944.863Vdc靈敏度V/P-46-mV/kPa響應(yīng)時(shí)間tR-1.0-ms

從工作參數(shù)表可知該系列傳感器所能測(cè)量的壓力范圍為15~115kPa，當(dāng)實(shí)測(cè)壓力達(dá)到最大時(shí)（115kPa），傳感器輸出電壓VOUT約為4.794V。當(dāng)所測(cè)壓力改變1kPa時(shí)，輸出變化46mV（靈敏度）。故輸出電壓與壓力X的關(guān)系為：VOUT=4.794-[(115-X)×0.046] （10-18）

例如當(dāng)實(shí)測(cè)壓力為50kPa時(shí)，傳感器的輸出電壓：VOUT=4.794-[(115-50)×0.046]≈1.8(V)。由于MPX4115A輸出電壓與實(shí)測(cè)壓力有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果把這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，微處理器（單片機(jī)）就可以讀取并處理，通過(guò)數(shù)碼管或液晶顯示器顯示出來(lái)。

幅頻變換（V/F）就是用不同頻率的等幅信號(hào)來(lái)代表不同電平的模擬信號(hào)，圖10-24就是幅頻變換器LM331N的應(yīng)用，如果在輸入端Vin輸入一個(gè)電壓信號(hào)，則可在輸出端Vout得到一個(gè)頻率與輸入信號(hào)電壓滿足圖中公式的矩形波信號(hào)。按照如圖所示的參數(shù)，則

（10-19）圖10-24幅頻變換電路圖如果輸入電壓2V，則輸出頻率為2×772=1544Hz。如果輸入端電壓不斷變化，則輸出信號(hào)的頻率也跟著變化，用式10-18計(jì)算可得輸出電壓的大小，再用式10-17計(jì)算壓力的大小。2）A/D轉(zhuǎn)換采用A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，一般的A/D轉(zhuǎn)換器要求信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，如0~5V，4~20mA。因此，進(jìn)行轉(zhuǎn)換前一般要進(jìn)行信號(hào)的處理，如放大、濾波等?；魻杺鞲衅魇菍ｉT用于測(cè)量與磁場(chǎng)有關(guān)的物理量的傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)的不同，霍爾傳感器產(chǎn)品一般有霍爾開(kāi)關(guān)和線性霍爾傳感器兩種。

線性霍爾傳感器輸出與實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的電信號(hào)。電磁鐵線圈鐵芯有一個(gè)豁口，霍爾傳感器平行置于其中，當(dāng)電磁鐵通電后豁口處產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)越強(qiáng)穿過(guò)霍爾傳感器的磁力線就越多，磁場(chǎng)越弱穿過(guò)的磁力線就越少?；魻杺鞲衅鞲鶕?jù)穿過(guò)的磁力線的多少輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)指示磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖10-25線性霍爾傳感器如圖10-25所示，霍爾傳感器3503是一個(gè)可精確測(cè)量磁通量微小變化的傳感器系列，該系列傳感器只有3個(gè)管腳，分別為VCC（1管腳）、GND（2管腳）、Vout（3管腳）。在實(shí)測(cè)時(shí)需要讓磁場(chǎng)穿過(guò)有效的傳感器元件才會(huì)被檢測(cè)到。

該系列傳感器工作電壓約為5V、電流約為9mA，當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)（B=0G，G是“高斯”，磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位）輸出VOUT=2.5V，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度每變化1G時(shí)輸出改變約1.3mV。表9-2線性霍爾傳感器3503參數(shù)表

參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位供電電壓VCC4.6-6.0Vdc工作電流IC-9.013mAdc靜態(tài)輸出電壓VOUT2.252.52.75Vdc靈敏度ΔVOUT0.751.31.75Vdc帶寬（-3dB）BW-23-mV/kPa輸出阻抗ROUT-50220ms（1）放大電路設(shè)計(jì)在圖10-26中，磁場(chǎng)強(qiáng)度每改變1G時(shí)霍爾傳感器3503的輸出變化1.3mV，這個(gè)mV級(jí)的變化非常微弱，需要經(jīng)過(guò)放大才能用幅頻變換器或A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采集。電位器R1可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。電位器R2與U1C組成調(diào)零電路，它可以在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0G時(shí)將電路的輸出Vout調(diào)整至0V。在調(diào)試時(shí)，先將電位器R1調(diào)到最大，使電路獲得最大增益。讓霍爾傳感器3503盡量遠(yuǎn)離磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)電位器R2使得輸出盡量接近0V。調(diào)整好R2后，一般不需再調(diào)節(jié)。接下來(lái)可按實(shí)際需要調(diào)節(jié)電位器R1使放大電路的輸出與后一級(jí)（比如幅頻變換器、A/D）的輸入電壓范圍匹配，并達(dá)到最大的分辨率。圖10-26霍爾傳感器測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度電路圖（2）信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理電路：放大或限制輸入信號(hào)的幅度（調(diào)節(jié)電位器R4），增加或減少信號(hào)的偏置（調(diào)節(jié)電位器R5）。如圖10-27（a）所示，該電路由3個(gè)運(yùn)放組成，分別構(gòu)成了跟隨器、電平移位器、增益控制器。調(diào)節(jié)電位器R5，電平移位器將跟隨器輸出的信號(hào)（從LF347的管腳1）進(jìn)行上/下移位，也就是調(diào)整信號(hào)的直流電平分量，但是不改變信號(hào)的幅度。調(diào)節(jié)電位器R4可改變?cè)鲆?，從而控制信?hào)的峰-峰值，輸入信號(hào)Vin的波形如圖10-27（b）所示。（b）信號(hào)波形圖10-27信號(hào)調(diào)理電路（3）峰值檢測(cè)電路圖10-28峰值檢測(cè)電路電容C1的電壓作為反饋，并在后級(jí)增加一個(gè)跟隨器，得到峰值檢測(cè)器。假設(shè)有圖10-28所示的輸入信號(hào)Vin進(jìn)入峰值檢測(cè)器中，通過(guò)電容C1對(duì)峰值電壓的保持，電路輸出端電平Vout總是等于前段時(shí)間最大峰值，只有當(dāng)電平更高的峰值出現(xiàn)時(shí)會(huì)刷新輸出信號(hào)。（4）絕對(duì)值檢測(cè)電路如圖10-29所示為絕對(duì)值檢測(cè)電路，絕對(duì)值電路使負(fù)向信號(hào)“折到”正向上，相當(dāng)于一個(gè)全波整流器。圖10-29絕對(duì)值檢測(cè)電路（5）微分器微分器在某一時(shí)刻的輸出與該時(shí)刻輸入信號(hào)的變化率在數(shù)值上相等。信號(hào)經(jīng)由電容C1進(jìn)入運(yùn)放，Rf為反饋電阻。假如輸入一個(gè)斜率為VE的信號(hào)，由于信號(hào)的變化率恒定，則可在有源微分器的輸出端得到一個(gè)大小為-VE的直流信號(hào)。如圖10-30所示為微分器電路，其輸出：（10-20）圖10-30微分器電路

（6）積分器圖10-31積分器電路積分器在某一時(shí)刻的輸出為之前輸入信號(hào)的總面積。如圖10-31所示，信號(hào)經(jīng)由電阻R1進(jìn)入運(yùn)放。假如輸入一個(gè)幅度VE的方波信號(hào)，隨著時(shí)間（t）的推移，輸入信號(hào)VE下的面積越來(lái)越大，在t-E時(shí)刻，面積為VE×tE。由于VE恒定，時(shí)間越長(zhǎng)，面積越大，于是輸出端的信號(hào)在不斷負(fù)向增加。（10-21）

（7）采樣-積分電路圖10-32采樣-積分示意圖

A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需要一定的時(shí)間。為了避免因模擬信號(hào)變化過(guò)快致使A/D來(lái)不及轉(zhuǎn)換，一般可根據(jù)實(shí)際需要使用采樣保持電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定。假設(shè)有一個(gè)快速連續(xù)變化的模擬信號(hào)，采樣保持電路中的采樣模擬開(kāi)關(guān)定期閉合一個(gè)瞬間，模擬信號(hào)通過(guò)采樣模擬開(kāi)關(guān)后給保持電容充電，采樣模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，保持電容能維持信號(hào)的電平一段時(shí)間，于是就在A/D的輸入端出現(xiàn)了保持信號(hào)（圖10-32中的粗橫線段）。這個(gè)保持信號(hào)的保持時(shí)間保證A/D有足夠的采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)間，且可以通過(guò)對(duì)采樣模擬開(kāi)關(guān)和保持電容的設(shè)置來(lái)調(diào)整。圖10-33采樣-積分電路圖如圖10-33所示，采樣保持電路的原型由一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)、電容、輸入和輸出緩沖器組成。模擬開(kāi)關(guān)對(duì)經(jīng)輸入緩沖器后的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，電容對(duì)采樣信號(hào)的電平保持一段時(shí)間，同時(shí)，輸出緩沖器的高輸入阻抗能較好地防止電容很快地放電。采樣定理：采樣頻率大于等于被采樣信號(hào)的最高頻率分量的2倍，被采用信號(hào)才能不失真的被還原。圖10-34AD585采樣-保持器AD585的實(shí)物如圖10-34所示，其內(nèi)部集成了兩個(gè)緩沖器和一個(gè)由邏輯門控制的模擬開(kāi)關(guān)。保持電容Ch的容量為100pF，如果需要可以在7、8管腳之間再并聯(lián)一個(gè)外部的電容。14和13管腳或12和13管腳用于輸入控制模擬開(kāi)關(guān)的脈沖，這個(gè)脈沖的寬度決定了采樣保持周期。模擬信號(hào)通過(guò)2腳進(jìn)入AD585。3、5腳之間可以連接一個(gè)電位器以調(diào)整偏置電壓。另外，信號(hào)的增益可以通過(guò)在1或2腳與8腳之間外加一個(gè)反饋連接實(shí)現(xiàn)。（8）A/D轉(zhuǎn)換器選用①A/D轉(zhuǎn)換器原理一個(gè)模擬信號(hào)每一時(shí)刻總有一個(gè)對(duì)應(yīng)的幅度值，如圖10-35所示，如果把峰值分成16份，并用4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)依次表示每一份幅度值，則任意時(shí)刻都能找到一個(gè)唯一的二進(jìn)制數(shù)來(lái)代表幅度值。如t0時(shí)刻幅度值為0001，t1時(shí)刻幅度值為0100，t2時(shí)刻幅度值為1000，t3時(shí)刻幅度值為1010等。把這若干個(gè)代表幅度值的二進(jìn)制數(shù)還原到坐標(biāo)軸上時(shí)就得圖10-35示的折線，它與原來(lái)的模擬信號(hào)相比，雖然分辨率降低但是還是能大體上反映模擬信號(hào)。模擬信號(hào)離散化的目的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，這樣，微處理器（單片機(jī)）等數(shù)字器件就能派上用場(chǎng)了。小實(shí)驗(yàn)：電平發(fā)光二極管指示器如圖10-36所示，模擬信號(hào)由一個(gè)電位器RP2的調(diào)節(jié)來(lái)產(chǎn)生，信號(hào)進(jìn)入AD0804的VIN(+)端，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果從DB0~DB7輸出，與輸出端連接的8支發(fā)光二極管用以顯示轉(zhuǎn)換的結(jié)果。不斷調(diào)節(jié)電位器RP2，可以看到8支發(fā)光二極管狀態(tài)在不斷地改變。將電平調(diào)至5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進(jìn)制數(shù)為（）；將電平調(diào)至2.5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進(jìn)制數(shù)為（）將電平調(diào)至1.25V，記下D1~D8的狀態(tài)（)，其二進(jìn)制數(shù)為（）；將電平調(diào)至0.5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進(jìn)制數(shù)為（）；將電平調(diào)至0V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進(jìn)制數(shù)為（）。圖10-35AD轉(zhuǎn)換器原理圖10-36電平發(fā)光二極管指示器圖10-35AD轉(zhuǎn)換器原理②轉(zhuǎn)換芯片AD0804AD0804有20個(gè)管腳，除了模擬信號(hào)輸入端（6、7管腳）和數(shù)字信號(hào)輸出端（11~18管腳）外，其他管腳的名稱和功能描述如表9-3所示。當(dāng)模擬信號(hào)加到A/D的模擬輸入端時(shí)，控制信號(hào)使A/D開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，到轉(zhuǎn)換完成在數(shù)字信號(hào)輸出端出現(xiàn)數(shù)據(jù)的過(guò)程是需要一定的時(shí)間。比如AD0804就需要100μs，這個(gè)時(shí)間稱為A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間。如果A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間越小說(shuō)明它的轉(zhuǎn)換越快，能處理模擬信號(hào)的頻率也就越高，當(dāng)然價(jià)格也就越貴。像AD0804的100μs轉(zhuǎn)換時(shí)間最多只能應(yīng)付頻率不超過(guò)5kHz的模擬信號(hào)。AD0804采用單電源供電，一般工作電壓為+5V。AD0804有AGND（8管腳）和DGND（10管腳）兩個(gè)接地端。AGND、DGND分別為模擬信號(hào)接地端和數(shù)字信號(hào)接地端。AGND與模擬信號(hào)的輸入接地端相連，而DGND當(dāng)與數(shù)字電路部分電源的接地端相連。之所以要將AGND和DGND分別接地的原因是將模擬輸入信號(hào)與數(shù)字輸出產(chǎn)生的瞬間電平隔離開(kāi)來(lái)，確保轉(zhuǎn)換的精度。由于本章實(shí)例對(duì)精度要求不高，可以把AGND和DGND都接入同一個(gè)接地中。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該把AGND和DGND分別與模擬地線和數(shù)字地線相連。

參考電平電路由穩(wěn)壓管D9、電阻R10、電位器RP1組成，向AD0804的VREF/2端（9管腳）提供一個(gè)參考電平。這個(gè)參考電平的大小很有講究，它直接影響著分辨率。分辨率的計(jì)算方法為：（10-21）

其中，(VREF/2)代表VREF/2端（9管腳）上的電壓。例如在圖10-36中，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1使(VREF/2)=2.0V，則分辨率為：

表9-3AD0804引腳功能這個(gè)分辨率代表了使A/D數(shù)字輸出端最低有效位改變狀態(tài)的模擬輸入信號(hào)變化的最小值，或者說(shuō)是A/D所能反映的最小模擬輸入電壓變化值。比如說(shuō)某時(shí)刻模擬輸入信號(hào)為1.500V，對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出端狀態(tài)為10010000，在分辨率=15.6mV時(shí)，當(dāng)模擬輸入信號(hào)變?yōu)?.5156V時(shí)（改變了15.6mV），對(duì)應(yīng)數(shù)字輸出端的狀態(tài)變換為10010001。注意：VREF/2端上的電壓還決定了A/D能有效轉(zhuǎn)換的最大模擬輸入電壓值，為(VREF/2)的2倍。例如再調(diào)節(jié)電位器RP1使=1.28V，則所能有效轉(zhuǎn)換的最大模擬輸入電壓為1.28×2=2.56V，分辨率為2.56V/256=10mV?？梢?jiàn)，A/D有效轉(zhuǎn)換的最大模擬輸入電壓與分辨率是一對(duì)矛盾：有效轉(zhuǎn)換的最大模擬輸入電壓越大，分辨率越低，反之亦然。如果AD0804的VREF/2端懸空，則芯片內(nèi)部電路會(huì)使=2.5V，有效轉(zhuǎn)換的最大模擬輸入電壓為+5V（與工作電壓相等），此時(shí)分辨率為19.5mV。如圖10-37所示，修改電平指示器添加一個(gè)單片機(jī)AT89C51，AD0804的數(shù)字信號(hào)輸出端DB0~DB7與單片機(jī)的P0口連接，其轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷輸出端與單片機(jī)的P3.5口相連，另外轉(zhuǎn)換開(kāi)始使能端及數(shù)據(jù)輸出使能端分別與單片機(jī)的（16管腳）和（17管腳）相連。

圖10-37單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換接口如圖10-38的時(shí)序圖所示，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制AD0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：

圖10-38單片機(jī)控制的A/D的時(shí)序圖通過(guò)編程軟件KEILC編寫程序?qū)崿F(xiàn)此控制。參考程序如下：//名稱:單片機(jī)控制AD0804模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量(0~5V)，發(fā)光二極管顯示。//控制口定義#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definead0_7P1//AD數(shù)據(jù)口sbitcs=P3^4;//芯片選擇信號(hào)，控制芯片的啟動(dòng)和結(jié)果讀取，低電平有效sbitintr=P3^5;//AD轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出低電平sbitwr=P3^6;//AD轉(zhuǎn)換起動(dòng)控制，上升沿有效sbitrd=P3^7;//讀數(shù)據(jù)控制，低電平有效//啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換子程序voidstart_ad(void){cs=0;//允許進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

wr=0;_nop_();wr=1;//WR由低變高時(shí)，AD開(kāi)始轉(zhuǎn)換

while(intr);//查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生INTR信號(hào)(低電平有效)cs=1;//停止A/D轉(zhuǎn)換}

//讀A/D數(shù)據(jù)子程序read_ad(){uintad_data;ad0_7=0xff;cs=0;//允許讀

rd=0;//讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)果

_nop_();ad_data=ad0_7;//把數(shù)據(jù)存到ad_data中

rd=1;cs=1;//停止A/D讀取

return(ad_data);}//說(shuō)明：采用二極管顯示，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆分，直接把轉(zhuǎn)換結(jié)果送給端口即可。voiddata_show(){P2=~read_ad(); }intmain(void){while(1){start_ad();//啟動(dòng)A/Ddata_show();//讀A/D數(shù)據(jù)并顯示

}}其它的轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換芯片

A/D轉(zhuǎn)換芯片按數(shù)據(jù)傳送方式分為有串行和并行兩種，常用的并行A/D轉(zhuǎn)換芯片如8位的AD0809，12位的AD574；常用的串行A/D轉(zhuǎn)換芯片8位的TLC545和TLC0831。由于串行A/D的接口電路簡(jiǎn)單，現(xiàn)在已有更多的應(yīng)用。A/D轉(zhuǎn)換器芯片按轉(zhuǎn)換原理可分為逐次比較式、雙重積分式、量化反饋式和并行式A/D轉(zhuǎn)換器；按其分辨率可分為8~16位的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。目前最常用的是逐次逼近式和雙重積分式。逐次逼近式轉(zhuǎn)換器的常用產(chǎn)品有ADC0801~ADC0805型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、ADC0808/0809型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、ADC0816/0817型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、AD574型快速12位A/D轉(zhuǎn)換器。雙重積分式轉(zhuǎn)換器的常用產(chǎn)品有ICL7106/ICL7107/ICL7126、MC14433/5G14433、ICL7135等。

3.傳感器與微機(jī)接口電路實(shí)例如圖10-39所示為奧迪A6型轎車渦輪增壓型發(fā)動(dòng)機(jī)微電腦點(diǎn)火控制系統(tǒng)電路原理圖。電路比較復(fù)雜的微機(jī)控制系統(tǒng)在讀圖時(shí)可以先找出信號(hào)輸入部分元件（即傳感器）、被控部分元件（即執(zhí)行元件）、以及控制單元或封裝在控制單元內(nèi)的元件。通常情況下，各種傳感器的信號(hào)是提供給微控制器的，屬信號(hào)輸入部分元件，包括通過(guò)開(kāi)關(guān)提供給微處理器的傳感器。各種繼電器的線圈，凡是由微電腦控制器控制其內(nèi)電流通斷的，都屬于執(zhí)行元件。圖10-39微電腦點(diǎn)火控制系統(tǒng)組成方框圖[項(xiàng)目實(shí)施1]一、任務(wù)分析自動(dòng)聲光控制電路適用于醫(yī)院、學(xué)生宿舍及各種公共場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理的全自動(dòng)路燈照明控制。電路采用聲、光雙重控制，白天和夜間無(wú)人走動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，電燈不會(huì)點(diǎn)亮；夜間有人走動(dòng)時(shí)，腳步聲，談話聲會(huì)使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電燈點(diǎn)亮，人走后即無(wú)聲響30秒后電燈自動(dòng)熄滅。二、任務(wù)設(shè)計(jì)全自動(dòng)聲光控制電路主要包括光控開(kāi)關(guān)電路和聲控延時(shí)電路兩部分組成。1、光控開(kāi)關(guān)電路圖10-42所示電路便可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的光控自動(dòng)照明。VD為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。在白天，光敏電阻的阻值低，晚上天黑，光敏電阻阻值增加，A點(diǎn)電壓大于30V，觸發(fā)極G導(dǎo)通，雙向晶閘管呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。2、聲控延時(shí)電路聲控延時(shí)電路利用話筒拾取環(huán)境聲音，將拾取的微弱聲音信號(hào)經(jīng)放大后輸出，然后和光控電路輸出的信號(hào)共同控制夜間的照明，并且通過(guò)延時(shí)電路來(lái)控制照明的時(shí)間。圖10-42簡(jiǎn)易光控照明燈電路二、傳感器綜合應(yīng)用3、電路原理圖電路原理圖如圖10-43所示。圖10-43全自動(dòng)聲光控制照明燈它由光控開(kāi)關(guān)電路和聲控延時(shí)電路組成，兩部分電路各連一只繼電器J1和J2，并將J1和J2串聯(lián)起來(lái)，共同控制電路的工作。光控開(kāi)關(guān)由光敏晶體管VT1來(lái)檢測(cè)環(huán)境光線的強(qiáng)度，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，VT1導(dǎo)通，使放大管VT2導(dǎo)通，同時(shí)VT3截止，繼電器J1無(wú)勵(lì)磁電流而釋放，路燈H不亮；當(dāng)外部環(huán)境光線很弱時(shí)，VT1處于截止?fàn)顟B(tài)，VT2截止，VT3導(dǎo)通，J1得電吸合，觸點(diǎn)J1-1閉合。聲控延時(shí)電路由話筒MIC拾取環(huán)境聲音，將拾取的微弱聲音信號(hào)經(jīng)VT4~VT6觸發(fā)VT7、VT8，并經(jīng)C3和R16延時(shí)一段時(shí)間，使J2一直吸合，即J2-1閉合，直至周圍環(huán)境安靜時(shí)間超過(guò)延時(shí)電路的延遲時(shí)間后，J2-1又自動(dòng)斷開(kāi)，路燈又熄滅。三、任務(wù)實(shí)現(xiàn)1、電路制作準(zhǔn)備好器件，按照?qǐng)D10-43進(jìn)行電路焊接制作控制電路板和照明燈接口部分。2、電路調(diào)試1）把J2-1觸點(diǎn)先不接入燈的控制回路中，單獨(dú)調(diào)試光控部分。2）把J1-1觸點(diǎn)先不接入燈的控制回路中，單獨(dú)調(diào)試聲控部分。3）同時(shí)接入J1-1和J2-1，調(diào)試全自動(dòng)聲光控制照明燈，注意燈要亮的條件是光線夠暗且聲音能夠觸發(fā)接通J2-1。4）調(diào)試時(shí)候注意用電安全。[項(xiàng)目實(shí)施2]一、任務(wù)分析使用集成的LM35傳感器采集溫度值，并在LCD液晶顯示器上顯示溫度值。二、任務(wù)設(shè)計(jì)通過(guò)LM35檢測(cè)溫度，通過(guò)LCD顯示溫度信息。1.關(guān)鍵器件1）選用AT89C51單片機(jī)；2）選用AD0808數(shù)模轉(zhuǎn)換器；3）選用LCD1602液晶顯示器；4）反相器選用74LS02。2.電路原理圖1）設(shè)計(jì)電路圖（1）使用Proteus和KeilC軟件仿真溫度采集。打開(kāi)Proteus軟件，加入如圖10-44所示的元器件。電路圖如圖10-45所示。

圖10-44溫度采集顯示仿真元器件注意幾個(gè)問(wèn)題：AD0808的數(shù)據(jù)輸出引腳：21腳為高位，17為低位,如果高低位接反了，會(huì)顯示不出來(lái)電壓值。Clock端使用的是數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，頻率為500kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用定時(shí)器產(chǎn)生此數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，也可采用D觸發(fā)器對(duì)單片機(jī)的ALE上的1/6主頻脈沖進(jìn)行分頻，再作此數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)，電路如圖10-46所示。圖10-46硬件電路產(chǎn)生AD0808的數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)溫度傳感器使用的是LM35集成溫度傳感器。LM35是把測(cè)溫傳感器與放大電路做在一個(gè)硅片上，形成一個(gè)集成溫度傳感器。它是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，其靈敏度為10mV/℃；工作溫度范圍為0℃~100℃，因此其輸出電壓范圍為0~0.99V。在設(shè)計(jì)基于傳感器和單片機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)，可以采用先仿真再實(shí)做的方法。仿真可以驗(yàn)證系統(tǒng)是否正確，程序設(shè)計(jì)有無(wú)明顯錯(cuò)誤?？梢蕴岣唔?xiàng)目制作的效率。（2）使用PROTELL軟件設(shè)計(jì)電路圖。2）制作電路板制作PCB板，備好元器件，焊接元器件。焊接完成，進(jìn)行硬件測(cè)試。3.參考程序1）編寫程序采用KEILC編寫程序，并調(diào)試通過(guò)。//程序：ad-lcd.c//功能：AD轉(zhuǎn)換，LCD液晶顯示溫度程序，采用8位數(shù)據(jù)接口#include<REG51.H>#include<INTRINS.H> //庫(kù)函數(shù)頭文件，代碼中引用了_nop_()函數(shù)#defineucharunsignedchar //無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)預(yù)定義為uchar#defineuintunsignedint //無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)預(yù)定義為uint//定義控制信號(hào)端口sbitRS=0xb0; //P3.0sbitRW=0xb1; //P3.1sbitE=0xb2; //P3.2uchardat[16]; //此數(shù)組用于顯示溫度值。sbitP0_2=P0^2; //可尋址位定義sbitP0_3=P0^3;//聲明調(diào)用函數(shù)voidlcd_w_cmd(unsignedcharcom); //寫命令字函數(shù)voidlcd_w_dat(unsignedchardat); //寫數(shù)據(jù)函數(shù)unsignedcharlcd_r_start(); //讀狀態(tài)函數(shù)voidint1(); //LCD初始化函數(shù)voiddelay(unsignedchart);//可控延時(shí)函數(shù)voiddelay1();//軟件實(shí)現(xiàn)延時(shí)函數(shù)，5個(gè)機(jī)器周期voidsepr(unsignedchari);voidad(void);voidmain() //主函數(shù){unsignedcharlcd[]="cqhtzy:dzx-tt!";unsignedchari;P2=0xff; //送全1到P0口

int1(); //初始化LCD//delay(50);lcd_w_cmd(0x80); //設(shè)置顯示位置

delay(50);for(i=0;i<16;i++) //顯示固定信息字符串

{lcd_w_dat(lcd[i]);delay(50);}while(1){ad();lcd_w_cmd(0xc0); //設(shè)置顯示位置

delay(50);for(i=0;i<10;i++) //顯示電壓字符串

{lcd_w_dat(dat[i]);delay(50);}}

}//函數(shù)名：delay//函數(shù)功能：采用軟件實(shí)現(xiàn)可控延時(shí)//形式參數(shù)：延時(shí)時(shí)間控制參數(shù)存入變量t中//返回值：無(wú)voiddelay(unsignedchart){unsignedcharj,i;for(i=0;i<t;i++)for(j=0;j<50;j++);}//函數(shù)名：delay1//函數(shù)功能：采用軟件實(shí)現(xiàn)延時(shí)，5個(gè)機(jī)器周期//形式參數(shù)：無(wú)//返回值：無(wú)voiddelay1(){_nop_();_nop_();_nop_();}//函數(shù)名：int1//函數(shù)功能：lcd初始化//形式參數(shù)：無(wú)//返回值：無(wú)voidint1(){lcd_w_cmd(0x3c); //設(shè)置工作方式

lcd_w_cmd(0x0e); //設(shè)置光標(biāo)

lcd_w_cmd(0x01); //清屏

lcd_w_cmd(0x06); //設(shè)置輸入方式

lcd_w_cmd(0x80); //設(shè)置初始顯示位置}//函數(shù)名：lcd_r_start//函數(shù)功能：讀狀態(tài)字//形式參數(shù)：無(wú)//返回值：返回狀態(tài)字，最高位D7=0，LCD控制器空閑；D7=1,LCD控制器忙unsignedcharlcd_r_start(){unsignedchars;RW=1; //RW=1，RS=0，讀LCD狀態(tài)

delay1();RS=0;delay1();E=1; //E端時(shí)序

delay1();s=P2; //從LCD的數(shù)據(jù)口讀狀態(tài)

delay1();E=0;delay1();RW=0;delay1();return(s); //返回讀取的LCD狀態(tài)字}//函數(shù)名：lcd_w_cmd//函數(shù)功能：寫命令字//形式參數(shù)：命令字已存入com單元中//返回值：無(wú)voidlcd_w_cmd(unsignedcharcom){unsignedchari;do{ //查L(zhǎng)CD忙操作

i=lcd_r_start(); //調(diào)用讀狀態(tài)字函數(shù)

i=i&0x80; //與操作屏蔽掉低7位

delay(2);}while(i!=0); //LCD忙，繼續(xù)查詢，否則退出循環(huán)

RW=0;delay1();RS=0; //RW=0，RS=0，寫LCD命令字

delay1();E=1; //E端時(shí)序

delay1();P2=com; //將com中的命令字寫入LCD數(shù)據(jù)口

delay1();E=0;delay1();RW=1;delay(255);}//函數(shù)名：lcd_w_dat//函數(shù)功能：寫數(shù)據(jù)//形式參數(shù)：數(shù)據(jù)已存入dat單元中//返回值：無(wú)voidlcd_w_dat(unsignedchardat){unsignedchari;do{ //查忙操作

i=lcd_r_start(); //調(diào)用讀狀態(tài)字函數(shù)

i=i&0x80; //與操作屏蔽掉低7位

delay(2);}while(i!=0); //LCD忙，繼續(xù)查詢，否則退出循環(huán)

RW=0;delay1();RS=1; //RW=0，RS=0，寫LCD命令字

delay1();E=1; //E端時(shí)序

delay1();P2=dat; //將dat中的顯示數(shù)據(jù)寫入LCD數(shù)據(jù)口

delay1();E=0;

delay1();RW=1;delay(255);}voidsepr(unsignedchari) //拆分?jǐn)?shù)據(jù)函數(shù)，顯示為Tem：xxx.xC格式的溫度值。{uintch;ch=i*196;//*0.0196*10000,擴(kuò)大10000倍

dat[0]='T';dat[1]='e';dat[2]='m';dat[3]=':';dat[4]=ch/10000+'0';dat[5]=(ch%10000)/1000+'0';dat[6]=(ch%1000)/100+'0';dat[7]='.';dat[8]=(ch%100)/10+'0';dat[9]='C'; }voidad(void) //轉(zhuǎn)換函數(shù){ uchara; unsignedchari;//P0.2引腳產(chǎn)生下降沿，START和ALE引腳產(chǎn)生上升沿，//鎖存通道地址，所有內(nèi)部寄存器清0P0_2=1;for(a=0;a<50;a++); //延時(shí)

P0_2=0; for(a=0;a<50;a++);//延時(shí)

P0_2=1; //在P0.2上產(chǎn)生上升沿，START上產(chǎn)生下降沿，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始

while(P0_3!=0); //等待轉(zhuǎn)換完成，EOC=1表示轉(zhuǎn)換完成

P0_2=0; //P0_2=0，則OE=1，允許讀數(shù)

P1=0xff; //作為輸入口，P1口先置全1i=P1; //讀入A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

sepr(i); //數(shù)據(jù)每位分開(kāi)

}2)使用下載軟件和工具下載程序到單片機(jī)4.軟硬件聯(lián)合調(diào)試在程序下載完成，看顯示器