傳感器多功能教學開發板的設計與制作

何玲，黃建利，江啟源，黃德穎

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州，510000）

0 引言

本作品可以實現《傳感器與檢測技術》這門課程的多功能教學，能實現對13種氣體進行檢測的氣敏傳感器、光敏傳感器、霍爾傳感器、PM2.5等多種傳感器功能演示。如有任何一個傳感器告警，喇叭將會發出警笛聲，并且繼電器2閉合，繼電器可接220V負載如風扇（用于排除氣體），指示燈。光敏三極管采樣的信號經遲滯電壓比較器和積分電路處理后控制繼電器3（同上可接負載）。線性霍爾傳感器可實時檢查磁場大小，當磁場過大時蜂鳴器告警且繼電器1閉合。PM2.5傳感器（只檢測變化的量）過高時繼電器4閉合。以上傳感器檢測的信號同時還可以給Arduino,單片機,STM32等芯片進行采樣，可通過手機,電腦實時查看。

1 電源電路設計及分析

電源電路設計如圖1所示，該電路由單相市電220V供電50VA變壓器降壓成雙12V，經過整流濾波得到紋波系數較大的雙14.4V，再由三端穩壓（7812，7912）穩壓成雙12V電源給各種數字和模擬芯片供電，5V三端穩壓（7805）給TL431輸出一個2.5V的基準電壓，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電路暫時使用的是NE555作為MOS管的PWN信號產生器[1],產生約100k Hz,5V的方波（占空地和頻率可調），經過74LS00四二輸入與非門放大驅動電流和電壓（12V）連接到隔直電容后串聯在30:30隔離變壓器原邊上，最后副邊經串聯22Ω電阻后連接在MOS管GS兩端上,給MOS管驅動，經示波器測量DS兩端波形后發現電壓尖峰過高,超過了MOS管耐壓值10V多,后來在DS兩端并聯上1kΩ電阻和0.1μF電容后,電壓尖峰降低了約5V。使用目前方法因為輸出電壓沒有反饋,導致輸出電壓受輕微的電網電壓波動影響和負載功率變化影響,該方法有待改進。

圖1 電源電路圖

2 氣敏傳感器電路設計及分析

氣敏傳感器電路設計如圖2所示，當有任何一個氣敏傳感器告警時,氣敏傳感器內部電阻與外部電阻分壓（可調閾值）會超過TL431基準電壓2.5V,用做電壓比較器的LM358(A)會輸出高電平,經過多個CD4071四二輸入或門,最終輸出變為1,接在KD9561四聲報警聲芯片上的8Ω0.25W喇叭發出警笛聲（鳴笛速度和聲音大小可調，也可以切換成救護車聲、消防車聲和槍擊聲）,12V繼電器2長開端閉合（此處可擴展，如接220V排氣扇）,同時用作電壓跟隨器的LM358(B)將模擬信號傳送給arduino2560進行實時模擬量采樣監測[2]（可脫機工作）,并用串口的方式在電腦或手機上顯示。

圖2 氣敏傳感器部分電路

3 光敏傳感器電路設計及分析

光敏傳感器電路如圖3所示，當環境光照度變弱時,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為綠燈（可調閾值）,同時用做遲滯電壓比較器的LM358輸出在經過積分電路的LM358（回差電壓和延遲時間可調）輸出作為12V繼電器3（此處可擴展，如接220V路燈）長開端閉合的延時開關,此處設計是為了模擬現實中當天快黑或天快亮時路燈不停的開關、車遠光燈短時間照射到路燈配電箱時路燈全部熄滅等現象[3]。

圖3 光敏傳感器電路

4 霍爾傳感器與PM2.5傳感器電路設計及分析

霍爾傳感器電路如圖4(a)所示，AH3503線性霍爾傳感器用于實時監測磁場強度,當磁場強度過高時（可調閾值）,接在NE555上的有源蜂鳴器會以1Hz～幾百Hz的頻率間接性的響（頻率和占空比可調）,并且12V繼電器1長開端閉合（此處可擴展）。

圖4 霍爾傳感器電路

PM2.5傳感器電路如圖4(b)所示，該電路用于實時監測環境中PM2.5濃度,當PM2.5濃度過高時,12V繼電器4長開端閉合（此處可擴展）（目前因電路設計原因,只能檢測PM2.5濃度變化速率,該方法有待改進）。

5 實物與調試效果圖

（1）實物圖如圖5所示，主要包括buck電路區；氣敏傳感器區主要包括煙霧檢測氣敏傳感器、酒精氣敏傳感器、丙烷檢測氣敏傳感器、一氧化碳檢測氣敏傳感器等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環境檢測儀。

（2）實物調試時除了可以直觀看出效果，還可以通過電腦，手機終端進行顯示實時數據，電腦終端顯示效果如圖6所示。

6 結論

該多功能教學開發板不僅可以實現《傳感器與檢測技術》課程上所需的大部分傳感器的應用，并且還可以和后續的課程進行擴展應用，能讓學生看到傳感器的直接應用電路效果，增強他們的學習興趣，提高教學效果。該開發板擴展方便簡潔，可以實現和《單片機應用技術》、《嵌入式應用技術》、《arduino開源硬件技術》、《電力電子技術》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《C語言編程》等課程進行搭配使用。