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      Arduino傳感器套件多用電路板的設計

      作者:解文軍(哈爾濱遠東理工學院,哈爾濱 150000)時間:2021-10-14來源:電子產品世界收藏
      編者按:針對Arduino傳感器套件,設計了3種傳感器多用印制電路板,可分別用作12種傳感器的印制電路板。

      作者簡介:解文軍(1968—),男,哈爾濱人,助理工程師,長期從事單片機應用系統的研發設計及教學工作。

      本文引用地址:http://www.51kbu.com/article/202110/428814.htm

      0   引言

      是一個開源的電子硬件平臺,包含硬件和軟件2 個主要的部分,硬件部分是可用于連接各種傳感器的 電路板,軟件部分是可用于程序設計的軟件開發環境 IDE[1]。在實際的創新教育訓練、學生競賽以及產品的快速開發中Arduino 被大量使用,早已成為一款被廣泛應用的開發平臺, 備受廣大創客追捧。[2] 各種Arduino 學習套件中都包含一二十種傳感器,每種傳感器都對應一種印制電路板?!耙环N電路一種板”可說是電子專業理所當然的基本常識,然而對于一些電路簡單、元件非常少、結構型式相同的電路,可以做到“幾種電路一種板”。本文就是將Arduino 中12 種傳感器電路做到3 種多用印制電路板上。

      1   Arduino簡介

      Arduino 學習套件包含Arduino 電路板、若干種傳感器和大量開源的用于實現擴展的外圍功能電路(如舵機驅動器、液晶顯示屏等)[3]。各種Arduino 學習套件中最基本、最常見的傳感器有12 種:數字震動傳感器、單向傾角傳感器、磁感應傳感器、按壓式大按鈕模塊(碰撞開關)、LM35 模擬溫度傳感器、DS18B20 數字溫度傳感器、紅外接收傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、角度傳感器、光線亮度傳感器、濕敏傳感器和火焰傳感器。數字震動傳感器使用的傳感器是SW-18010P,是一種彈簧型無方向性振動感應器件。在靜止時任何角度都為開路狀態,當受到外力碰撞或者大力晃動時,彈簧變形和中心電極接觸使兩個引腳瞬間為導通狀態,當外力消失時恢復為開路狀態。單向傾角傳感器是基于鋼球開關的數字模塊,利用鋼球的特性,通過重力作用使鋼球向低處滾動,從而使開關閉合或斷開。磁感應傳感器是基于干簧管的數字模塊,干簧管是一種磁敏開關。當磁鐵靠近干簧管時,管內的常開簧片接點就會感應出極性相反的磁極而相互吸引閉合;當磁力減小到一定值時,接點又恢復到斷開狀態。[4] 按壓式大按鈕模塊(碰撞開關)是基于按鍵的數字開關量輸入模塊,按下按鍵輸出低電平。LM35 溫度傳感器是一款半導體溫度傳感器,輸出電壓與攝氏溫度線性成比例,每升高1 ℃,輸出電壓增加10 mV。LM35 溫度傳感器常用封裝TO-92,其引腳定義為:①電源正+Vs;②信號輸出Vout;③電源地GND。DS18B20 溫度傳感器采用可編程單總線數字溫度感測元件DS18B20,其測溫范圍-55 ~ 125 ℃,固有分辨率0.5 ℃。DS18B20 常用封裝TO-92,其引腳定義為:①電源地GND;②數據輸入/ 輸出DQ;③電源輸入端VDD。紅外接收傳感器可接收紅外線發射傳感器發射出的38 kHz 調制信號,從而實現紅外無線通信。此傳感器含有紅外一體化接收頭,常用型號為HS0038 等,采用3 腳直插封裝,其引腳定義為:①信號輸出OUT;②電源地GND;③電源正Vcc。DHT11溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件。該傳感器為4 針單排引腳封裝,其引腳定義為:① VDD 供電;② DATA 串行數據;③ NC 空腳;④ GND 接地。角度傳感器利用旋轉電位器測量旋轉角度,從0 ~ 300°。它兩端接電源和地,中間抽頭接信號輸出。光線亮度傳感器使用光敏電阻來檢測周圍環境光線的亮度。光敏電阻的電阻值隨入射光的強弱而變化:入射光弱,電阻增大;入射光強,電阻減小。濕敏傳感器使用濕敏電阻HR202L 來檢測周圍環境的濕度。濕敏電阻的電阻值隨著濕度的增加而急劇下降,大體按指數規律下降?;鹧鎮鞲衅骼眉t外線接收管來探測火源或其它熱源。紅外線接收管可將外界紅外光的強弱變化轉變為電流的變化,經過串聯電阻轉換為模擬量電壓信號。

      2   Arduino分類

      按照傳感器的引腳數量、信號特性和電路結構型式,可將12 種傳感器歸納為3 種類型。

      2.1 兩端開關量傳感器

      雖然震動傳感器、傾角傳感器、磁感應傳感器和大按鈕模塊的功能各異,但它們的電路原理一樣都是開關,輸出信號都是開關量。震動傳感器、傾角傳感器和磁感應傳感器都是2 個端腳元件,大按鈕模塊雖為四腳元件,但兩腳為一組相通,在電路意義上實為兩端元件,因此可將這四種傳感器歸納為兩端開關量傳感器。

      2.2 兩端模擬量傳感器

      光敏電阻、濕敏電阻和紅外線接收管都是2 個端腳元件。光敏電阻和濕敏電阻的阻值變化需通過其兩端的輸出電壓來檢測,為模擬量。紅外線接收管可將外界紅外光的強弱變化轉變為電流的變化,經過串聯電阻轉換為模擬量電壓信號。因此可將光線亮度傳感器、濕敏傳感器和火焰傳感器歸納為兩端模擬量傳感器。

      2.3 三端傳感器

      LM35 溫度傳感器、DS18B20 溫度傳感器和紅外接收傳感器都有3 個引腳,名稱相同或實際含義相近,只是排列序號不同。角度傳感器雖不是集成電路,但它3個引腳的實際含義與前面3 種傳感器相同或相近,其排列序號與LM35 相同。DHT11 溫濕度傳感器雖有4 個引腳,但有1 個空腳,其他3 個引腳的實際含義與前面3 種傳感器相同或相近,只是排列序號不同,在電路意義上實為三端元件。因此可將這5 種傳感器歸納為三端傳感器。

      3   Arduino傳感器套件的設計

      將12 種傳感器歸納為3 種類型后,可據此設計3種傳感器多用印制電路板。

      3.1 兩端開關量傳感器的設計

      若將4 種開關量傳感器的電路原理圖分別畫在4 張或者畫在1 張電路原理圖上[5],都不難發現它們的電路結構型式一樣?,F將4 種傳感器的電路原理圖合并整理在1 張電路原理圖上,如圖1 所示。

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      圖1 4種開關量傳感器的電路原理圖

      根據圖1 繪制印制電路板圖(PCB)。布局時將震動開關S1、傾角開關S2、干簧管開關S3 和按鍵SW1的PCB 封裝重疊放置。傾角開關S2 和干簧管開關S3的PCB 封裝完全相同,這2 個元件完全重合放置。布完連線的PCB 見圖2。

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      圖2 兩端開關量傳感器

      按圖2 生產制作PCB 板,可分別用作4 種開關量傳感器的PCB 板:在S1 處焊上震動開關,就成為震動傳感器;在S2 處焊上傾角開關,就成為傾角傳感器;在S3 處焊上干簧管開關,就成為磁感應傳感器;在SW1 處焊上四腳按鍵,就成為大按鈕模塊。4 種開關量傳感器完全可通過4 種元件的外形來區分。

      3.2 兩端模擬量傳感器多用電路板的設計

      如將1 只光敏電阻與1 只分壓電阻串聯,則光敏電阻的阻值隨光強的變化而改變,從而改變光敏電阻兩端的輸出電壓,以此來檢測周圍環境光線的亮度,電路原理見圖3。圖3 中R3 為分壓電阻,R1 為光敏電阻,S為輸出電壓信號。

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      圖3 3種兩端模擬量傳感器的電路原理圖

      如將1 只濕敏電阻與1 只分壓電阻R3 串聯,則濕度的變化能改變濕敏電阻的阻值,從而改變濕敏電阻兩端的輸出電壓,以此來檢測周圍環境濕度,電路原理見圖3,R2 為濕敏電阻。紅外線接收管電流的變化,經過串聯電阻R3 轉換為模擬量電壓信號,以此來檢測周圍環境熱源或火源,電路原理見圖3,Q1 為紅外線接收管。在圖3 中易見,上述3 種傳感器的電路原理圖相同,電路結構型式一樣,所以可將3 種傳感器的印制電路板圖(PCB)繪制在1 塊PCB 圖上。布局時將光敏電阻R1 和濕敏電阻R2 的PCB 封裝重疊放置,紅外線接收管Q1 的PCB 封裝放置在電阻R1 封裝內,布完連線的PCB 見圖4。

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      圖4 兩端模擬量傳感器多用電路板

      按圖4 生產制作PCB 板,可分別用作3 種兩端模擬量傳感器的PCB 板:在R1 處焊上光敏電阻,就成為光線亮度傳感器;在R2 處焊上濕敏電阻HR202L,就成為濕敏傳感器;在Q1 處焊上紅外線接收管,就成為火焰傳感器。3 種傳感器可完全通過3 種元件的外形來區分。

      3.3 三端傳感器多用電路板的設計

      圖5 為5 種三端傳感器電路原理圖,其中U1 為紅外接收傳感器,U2 為LM35 溫度傳感器,U3 為DHT11溫濕度傳感器,U4 為DS18B20 溫度傳感器,RP1 為角度電位器,電阻R1 為信號S 的上拉電阻。根據圖5繪制印刷電路板圖(PCB)。由于U4 和U2 的3 個引腳網絡線排列順序相反,故布局時將元件U4 和U2 的PCB 封裝背對背放置,3 個焊盤中心對齊重合,二者位于旋轉電位器封裝內。圖6 為布完連線的PCB。

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      圖5 5種三端傳感器電路原理圖

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      圖6 三端傳感器多用電路板

      按圖6 生產制作PCB 板,可分別用作5 種三端傳感器的PCB 板:在U1 處焊上元件HS0038,就成為紅外接收傳感器;在U2 處焊上元件LM35,就成為LM35溫度傳感器;在U3 處焊上元件DHT11,就成為DHT11溫濕度傳感器;在U4 處焊上元件DS18B20,就成為DS18B20 溫度傳感器;在RP1 處焊上旋轉電位器,注意不焊上拉電阻R1,就成為角度傳感器。5 種三端傳感器可通過5 種三端元件的外形來區分,且生產廠商也會在外包裝小塑料袋上粘貼標簽來區分,或在多用電路板上粘貼標簽來區分。由于U2 和U4 的外形完全一樣,在粘貼標簽脫落的情況下,需要通過辨認U2 和U4 元件上的符號標識LM35 或DS18B20 來區分。

      4   結束語

      原本12 種傳感器對應有12 種印制電路板,現僅用3 種多用電路板,這樣可以節省9 塊PCB 板的工程費,減少備板的種類和數量,生產制作靈活。

      參考文獻:

      [1] 溫泉河,朱靜,黃文愷.ArduBlock機器人互動設計與創客教育[J].現代計算機(專業版),2016(34):45-48.

      [2] 朱明,劉文杰,覃振權.基于Arduino的物聯網開放性基礎實驗設計[J].實驗室科學,2017(2):57-59.

      [3] 劉哲旭,趙珍.基于Arduino開源平臺的電子創新實踐教學研究[J].實驗室科學,2019(1):135-138.

      [4] 郭愛芳.傳感器原理及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2020.

      [5] 劉超.Altium Designer原理圖與PCB設計精講教程[M].北京:機械工業出版社,2018.

      (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



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