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                        傳感器綜合電路設計開發

                        添加時間:2018/09/17 來源:吉林大學 作者:李瑋
                        涵蓋了模擬式傳感器、數字式傳感器、混合式傳感器以及相關應用的擴展,又包含了從硬件設計、制作到單片機軟件編程和調試的整個產品開發過程,圍范著傳感器又涵蓋了單片機應用、電子 CAD 繪圖等相關軟件的應用,可以說是個比較綜合的設計。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          現代的傳感器應用已經滲透到了工作和生活的方方面面,很多人希望能夠更多的了解和學習傳感器的知識,想要在市場上找到一個產品具有多種傳感器的應用體驗,或是能夠用來學習傳感器的使用,但相關的產品并不多見。

                          現代的傳感器大多數被廠家制作成了傳感器模塊,用戶購買所需的傳感器模塊,根據產品說明書,搭建相應的驅動電路,大多數的傳感器還需要編寫相對應的單片機程序進行驅動識別。我們發現應用中根本沒有涉及到傳感器的原理,傳感器的制造與使用是完全脫離的,因此,要了解學習傳感器方法也應該有所改變。

                          本設計基于單片機傳感器綜合電路就是多個傳感器的載體,使讓使用者在做和用的過程中,體驗傳感器模塊的應用環境、過程和一般方法,具有傳感器模塊的應用能力。

                          本設計在一塊電路板中實現了超聲波測距儀、導盲儀、數字溫度計和紅外報警器四個功能,讓用戶能夠體驗傳感器產品從模塊選型、電路設計、電路板制造、電路裝配與調試、驅動程序編寫、整體調試與修改等過程,使之對傳感器的應用有了直觀的經驗。

                          本設計已在高職院校使用了三年,在得到的反饋中,用戶在應用中都取得了較好的效果。

                          關鍵詞:傳感器,單片機,多功能,綜合電路,電路設計

                        Abstract

                          Now the application of sensor has penetrated into all aspects of the work and life. A lot of people want to be able to more understanding and learning the knowledge of the sensor. People Want to find a product-all sensor in one. Or can be used to learn the sensors. Such products are rare. Modern sensors most manufacturers were made into the sensor module, users to buy the required sensor module , according to the product specification, build the corresponding driver circuit, most of the sensor also need to write corresponding microcontroller program driven recognition. We found no involves sensor principle, manufacture and use of the sensor is completely out, therefore, the sensor course in higher vocational teaching contents and methods are in urgent need of reform. The design of sensor integrated circuit based on MCU is an application of multiple sensors.The application environment, the process and the general method of the sensor module are used in the process of making and using the sensor module, and the application capability of the sensor module is provided.

                          This design has four functions: the ultrasonic range finder, guide device, digital thermometer and infrared alarm on a circuit board.Allow users to have the following experience to the sensor products:the module selection , circuit design , circuit board manufacturing , circuit assembly and debugging, the driver program, debug and modify the working process.Users have intuitive experience of the application of the sensor. This design has been used for three years in higher vocational colleges.In the feedback, users have achieved good results in the application.

                          Key words:Sensor,MCU,Multifunctional, Integrated circuit,circuit design

                          人類獲取環境的信息,需要借助人身的各個器官,比如眼睛來看見圖像,用耳朵來聽見聲音等等,在獲取了這些信息后,人類用大腦對這些信息進行加工處理,產生各種對應的動作反應。

                          在人類認識自然和改造自然的過程中,單單利用人類自身的器官來獲取信息的效率就遠遠不夠了,特別是各種機器的發明和電的發現以后。為適應各種機器和電氣,就需要一種能代替人類感官器官的小東西,這就是傳感器,它是機器的眼睛、耳朵,為機器獲取環境信息。

                          在現代的自動化、智能化工業生產過程中,需要大量的傳感器來監視生產的每一個環節,比如:傳送帶傳來的物料是否到位,加工過程中溫度是否超標,甚至機器本身是否出現故障等等,有了這些傳感器,自動化的工業生產才能一直保持最佳狀態,工廠的自己的產品,才能得到用戶的認可,可以這樣說:各種各樣,數量繁多的傳感器,支撐起了工業的正常運轉。

                          現在,傳感器早已滲透人類社會的方方面面,從大到宇宙飛船,小到手表、手機,從科學研究,到小孩的玩具,處處都能看到傳感器的應用,可以說我們的生活已經到了離不開傳感器的地步了。因此,傳感器的發展是人類科技發展的重要組成部分。在傳感器應用中,我們提到信息的獲取利用傳感器,而信息的處理我們則使用另一個器件——單片機。提到代替人類大腦對信息進行加工處理,有人會說應該使用計算機呀!是的,現代社會對信息的處理大量的使用計算機,但在工業生產中,計算機的體積和穩定性并不適合——想像一下您的智能手環上安裝一臺電腦會是怎樣的體驗呢?

                          單片機是“單片微型計算機”的縮寫,顧名思義,單片機是一種特殊的計算機,它將控制器、運算器、存貯器、I/O 口等設備集成到一塊芯片上,相當于一臺微型計算機。而與普通計算機相比,它的體集足夠小——在一塊芯片上;它的價格足夠便宜——簡單功能的單片機零售價不到一毛錢;穩定性高——工業定制產品工作穩定?梢哉f,單片機才是在工業生產中最為配套的大腦!

                          而我們傳感器應用中,傳感器傳來的數據一般是數字或模擬的數據,并不能直接控制機器的運轉,中間必須通過單片機進行識別處理,產生控制機器的信號來讓機器運行,這樣,就能完成實現生產的自動化了?梢哉f,機器的大腦,單片機才是最適合的。

                          高職教育是職業教育的一種,職業教育中目前提到最多的就是項目化。項目化的由來是職業教育的目地決定的,因為職業教育的目的是培養“職業人”,即能夠適應特定崗位工作的人,因此要求在教育過程中體現工作過程,而教育不等同于工作,因此產生了將典型的工作過程項目化,以適應職業教育。項目就是一個完整的、典型的工作,學生通過對這樣一個項目的學習,能夠獲得某種工作能力。

                          而現在的傳感器課程開設現狀并不能滿足職業教育的需求,大多數學校目前傳感器課程,依舊是傳統高校的教學模式,講的是傳感器都有哪些類型,各種類型的傳感器都通常采用什么樣的材料,利用怎樣的原理將環境信號轉變成的電信號,又利用怎么樣的電路把這電信號進行初步處理。而好些的學校則是在以上這些內容的基礎上,加上幾個典型的傳感器應用電路設計。而這樣的傳感器課程已經不能滿足現代高職教學的需求了。

                          現代的傳感器應用,已經脫離了基礎物理的研究——那是廠家的事,現在的傳感器很多都是集成到一塊電路板中,用戶需要什么功能,根據產品說明書,搭建相應的驅動電路,大多數的傳感器還需要編寫相對應的單片機程序進行驅動識別。我們發現應用中根本沒有涉及到傳感器的原理,傳感器的制造與使用是完全脫離的,因此,高職傳感器課程教學內容和方法手段急需改革。

                          本設計的基于單片機的教學用傳感器綜合電路就是為了高職傳感器項目化課程設計的一個載體,用以支撐高職傳感器項目化教學,使學生在設計和制作過程中,體驗傳感器模塊的應用環境、過程和一般方法,具有傳感器模塊的應用能力,F在的高職傳感器課程應該是以具體的傳感器應用產品為例,讓學生通過幾個典型傳感器產品的設計生產過程來掌握將來工作中,如遇到新的傳感器時,應該怎么使用的思路和步驟。

                          本設計已在高職院校使用三年,應用于機電一體化等相關專業的《傳感器技術》課程的項目化教學,取得了較好的效果。學生通過對這一課程的學習,能夠體驗傳感器產品從模塊選型、電路設計、電路板制造、電路裝配與調試、驅動程序編寫、整體調試與修改等工作過程,跟隨課程進度經歷電路設計部門、電路板生產部門、產品裝配部門、單片機開發部門的變遷,讓學生對傳感器的應用有了直觀的經驗,為學生在未來從事相關工作時,有經驗可循。

                          傳感器綜合電路軟件設計:

                        US-100 測距時序圖
                        US-100 測距時序圖

                        DS18b20 說明書中給出的寫時序圖
                        DS18b20 說明書中給出的寫時序圖

                        顯示電路測試通過
                        顯示電路測試通過

                        溫度電路測試通過
                        溫度電路測試通過

                        超聲波電路測試通過
                        超聲波電路測試通過

                        超聲波測距儀測試圖
                        超聲波測距儀測試圖

                        數字溫度計功能測試
                        數字溫度計功能測試

                        使用按鍵改變功能號
                        使用按鍵改變功能號

                        從對應功能中退出
                        從對應功能中退出

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 研究背景
                            1.2 研究主要內容和目的
                            1.3 本設計主要實現功能
                          第 2 章 主要器件選擇及其簡介
                            2.1 單片機(STC89C52RC)
                            2.2 超聲波模塊(US-100)
                            2.3 溫度傳感器模塊(18b20)
                            2.4 紅外傳感器(E18-D80NK)
                            2.5 人機對話相關器件
                          第 3 章 系統硬件設計
                            3.1 電源設計
                            3.2 測距與導盲儀電路設計
                            3.3 溫度計電路的設計
                            3.4 紅外報警電路設計
                            3.5 超聲信號濾波器設計
                            3.6 總體硬件電路設計及制作
                          第 4 章 系統軟件設計
                            4.1 功能選擇
                            4.2 測距儀功能
                            4.3 導盲儀功能
                            4.4 數字溫度計功能
                            4.5 紅外報警功能
                            4.6 整體調試
                          第 5 章 總結
                          參考文獻
                          附 錄
                          作者簡介
                          致 謝

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