傳感器及RFID技術應用（第二版）傳感器綜合應用

傳感器及RFID應用技術傳感器綜合應用學習傳感器輸出信號的特點，常用的檢測電路的作用，傳感器與微處理器的接口。知識要點學會使用各種檢測電路、接口電路設計傳感器檢測、控制電路，初步掌握傳感器的綜合應用。學會撰寫實訓報告。技能要點項目目標1）設計制作一個數(shù)顯電子秤。2）設計制作一個全自動聲光控制照明燈3）設計制作一個數(shù)顯溫度計。任務目標

圖10-1微機控制系統(tǒng)框圖[基礎知識]一、傳感器接口電路一）傳感器輸出信號特點1.微機控制系統(tǒng)以微處理器為核心的控制系統(tǒng)，采用傳感器檢測各種參數(shù)，能自動完成測試、控制工作的全過程。既能實現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲信號進行分析處理求得有用信息。如圖10-1所示為微機控制系統(tǒng)，它能快速、實時測量，并能排除噪聲干擾，進行數(shù)據(jù)處理、信號分析，由測得的信號求出與研究對象有關信息的量值或給出其狀態(tài)的判別，從而控制執(zhí)行裝置，完成對被控對象的控制。

傳感器的作用是完成信號的獲得，它把各種被測參量轉換成電信號。這種信號進行放大、濾波處理后經(jīng)過A/D轉換器送入微型計算機。微型計算機是系統(tǒng)的核心，它使整個控制系統(tǒng)成為一個智能化的有機整體。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，也可自己設計，在設計過程中，要考慮傳感器的輸出信號特點和用途，所以傳感器接口電路具有多樣性。2.傳感器輸出信號的特點1）傳感器輸出信號的特點（1）傳感器輸出信號的類型不同分為模擬信號和數(shù)字信號，數(shù)字信號又分為數(shù)字開關量、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，開關量信號是一種接點信號，即由繼電器或其他電器接點的接通、斷開產(chǎn)生的“通”、“斷”信號，如機械觸點的閉合與斷開和電子開關導通與截止。數(shù)字脈沖列是一種電平信號，由信號電平的“高”、“低”組成的脈沖序列，如頻率信號。（2）傳感器輸出信號一般比較微弱由于傳感器輸出信號微弱，所以一般需要設計信號放大電路。（3）傳感器的輸出阻抗比較高傳感器的輸出阻抗比較高，會使傳感器輸出信號在傳遞過程中產(chǎn)生較大的衰減。（4）傳感器內部噪聲由于傳感器內部噪聲的存在，使輸出信號與噪聲混合在一起。當傳感器的信噪比小，而輸出信號又比較弱時，信號淹沒在噪聲中。（5）傳感器的輸出信號動態(tài)范圍很寬輸出信號隨著輸入信號的變化而變化，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)、對數(shù)函數(shù)或開方函數(shù)等而變化。（6）傳感器的輸出特性會受干擾傳感器的輸出特性會受外界環(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，一般需采用恒壓供電或恒流供電。2）傳感器接口電路應滿足的要求（1）要考慮阻抗匹配的問題（2）輸出信號的幅值要足夠大能驅動相應的后續(xù)電路。一般由放大電路將微弱的傳感器輸出信號放大。（3）傳感器的輸出信號為不同的變量要進行信號處理，通過相應的轉換電路轉換成電壓信號。（4）考慮到環(huán)境溫度的影響，要加溫度補償電路（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，可通過線性化電路來進行線性校正?，F(xiàn)在也可通過軟件由微機進行線性化處理。（6）接口電路要能夠抗干擾，具有較好的穩(wěn)定性對噪聲要進行噪聲抑制，對電磁干擾要進行濾波、屏蔽和隔離。（7）當輸出信號有多個時當輸出信號有多個（如多點巡回檢測）時，一臺微機要對它們實時分時采樣，需在輸入通道的某個適當位置配置多路模擬開關。另外，當模擬量變化較快時，要加采樣保持器。（8）傳感器的輸出信號為模擬量時傳感器的輸出信號為模擬量時，經(jīng)放大、信號處理后，輸入計算機前要進行模/數(shù)轉換，常用轉換電路有A/D轉換器、V/F轉換器等。二）傳感器輸出信號檢測電路傳感器接口電路中完成對傳感器輸出信號預處理的各種接口電路統(tǒng)稱為檢測電路，經(jīng)檢測電路預處理過的信號，應成為可供測量、控制使用及便于向微型計算機輸入的信號形式。1．阻抗匹配器1）半導體管阻抗匹配器半導體管阻抗匹配器是一個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，可減小放大器對信號源（或前級）索取的信號電流，同時輸出阻抗低，可減小負載變動對放大倍數(shù)的影響。另外，它對電流仍有放大作用。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上，可以采取若干措施來進一步提高輸入電阻。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）場效應管阻抗匹配器場效應管阻抗匹配器為場效應管共漏極電路—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)計算可得，當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阻值，Ri很大，若(R-R1)/R為0.01%時，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，構成四個橋臂，其輸出電壓為：（10-2)當電橋平衡時，U0=0，利用這一關系可以很方便地為傳感器設置零點。

(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，且可起到溫度補償作用，因此全橋電路應用較廣。

2）交流電橋交流電橋主要用于測量電容式傳感器、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，可同時為電感或電容，電橋兩臂為差動方式。圖10-8交流電橋電路電橋平衡條件為：Z1=Z2=Z0，當電橋平衡時U0=0，測量時，若Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，則電橋輸出電壓為：（10-4）

3．放大電路運算放大器，簡稱運放。電路符號如圖10-9所示。運放一般工作在直流電壓下，+V及-V分別為正、負電源端。運放有兩個輸入端，一個稱為反相輸入端（-），另一個為同相輸入端（+）。此外，在運放電路符號右邊還有一個輸出端。運放集成電路有不同的封裝，常見的有雙列直插型（DIP）及表面貼型（SOIC、TTSOP等）。1）運放的主要參數(shù)：（1）電源電壓范圍（VCC）。不同型號運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。而一般給運放供電時，最好低于其極限供電壓若干伏。有的運放支持單電源供電，如LM358、LM324等，有的則必需使用雙電源。（2）共模輸入信號范圍（Vicm）。所有的運放對輸入信號的電壓都有一個承受范圍，共模輸入信號范圍指的是輸入運放反相輸入端或同相輸入端信號的電壓限制，當輸入信號超過這個范圍將使運放的輸出產(chǎn)生截止或其他失真。比如當LM358供電+V=30V時，輸入到任何一個輸入端的信號幅度不能超過30V-1.5V=28.5V。（3）開環(huán)增益（Aol）。等于輸出電壓比上輸入電壓。開環(huán)增益是運放設計時就已經(jīng)確定的，一般都可達到106（120dB）。在運放的技術手冊中通常以大信號電壓增益（Avd）來表示，比如LM324的Avd=100V/mV=105（倍）=100dB。根據(jù)開環(huán)增益的高低，運放可分為低增益型（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）描述運放抑制共模信號的能力。共模抑制比越大說明運放質量越好。共模信號如果輸入到反相輸入端和同相輸入端時，輸出為0。（5）轉換速率（SR）。轉換速率（SR）指當輸入信號出現(xiàn)一個跳變時，運放輸出對這個跳變的響應速度。轉換速率=

（10-5）圖10-9運算放大器符號及封裝

2）運放使用的黃金守則：（1）守則一：運放的電壓增益（即開環(huán)增益）非常高以至于兩個輸入端之間即便只有幾mV的電壓就會令輸出達到飽和。也就是說要讓運放成應用電路，應當使輸出盡一切可能讓兩個輸入端之間的電壓為0，常用的方法就是負反饋。（2）守則二：運放的兩個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），所以可視運放沒有輸入電流，這樣對輸入信號的損耗常?？珊雎?。3）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Ui通過R1接到反相輸入端，同相輸入端接地。輸出信號Uo通過反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達式為：(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：（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，廣泛應用于各種比例運算中。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，輸出電壓通過反饋電阻Rf反饋到反相輸入端。輸出電壓Uo的表達式為：（10-7）同相放大器特點：（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?。?。思考一下：如果采用LM35傳感器，其輸出信號為0~0.99V，要將其放大到0~5V，則如何設計放大電路?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跟隨器電路符號和OPA633跟隨器

5）差動放大器差動放大器的基本電路如圖10-12所示，兩個輸入電壓U1和U2分別經(jīng)R1和R2加到運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差動放大器圖10-13電荷放大器

由上式可得差動放大器的特點：（1）輸出電壓正比于U2與U1的差值。（2）抗干擾能力強，既能抑制共模信號，又能抑制零點漂移。儀表放大器也是一種差分放大器，可對兩個輸入信號的差模部分進行放大并抑制共模部分。和單運放差分放大器一樣，它主要用來對微弱的并包含有較強共模噪音的信號進行放大。它的最大特點是輸入阻抗非常高、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1010Ω，高共模抑制比，可達130dB。如圖10-14所示，控制電壓增益的電阻RG以外接的形式來改變儀表放大器的電壓增益，INA128儀表放大器的電壓增益計算式：（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反饋的高輸入阻抗（電荷損失很少）、高放大倍數(shù)的運算放大器，其原理圖如圖10-13所示。輸入信號為電荷量Q，輸出信號電壓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）過零比較器過零比較器可檢測一個信號的電平是否超過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Vin從同相輸入端（+）進入比較器。當輸入信號Vin高于0時輸出信號Vout為+V，當輸入信號Vin低于0時輸出信號Vout為-V。比較器有許多專用集成電路，如LM306、LM311、LM393等。對于opencollector（集電極開路）結構輸出的比較器集成電路來說，輸出端的上拉電阻Rpullup不能省去。圖10-15過零比較器

（2）非過零比較器當輸入信號Vin>參考電壓VREF時，比較器輸出Vout為高電平，否則為低電平。

（10-13）圖10-16非過零比較器4.抗干擾電路在傳感器獲取的測量信號中，往往混入一些與被測量無關的干擾信號，使測量結果產(chǎn)生誤差，控制裝置誤動作。所以需采取相應措施，提取有用信號，抑制噪聲等干擾信號。對系統(tǒng)內噪聲重要的是抑制噪聲源，選用質量好的器件；對系統(tǒng)間噪聲是要防止外來噪聲的侵入，主要采用屏蔽、濾波、隔離電路等來完成。1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁屏蔽。電場屏蔽主要用來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體包圍起來，在屏蔽體的內側將感應出與帶電導體等量的負電荷，外側出現(xiàn)與帶電導體等量的正電荷，如果將金屬屏蔽體接地，則外側的正電荷將流入大地，外側將不會有電場存在，即帶正電導體的電場被屏蔽在金屬屏蔽體內。磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產(chǎn)生的干擾，磁場屏蔽的材料一般都選用高磁導系數(shù)的磁性材料。磁場屏蔽是利用高磁導率的材料構成低磁阻通路，使大部分磁場被集中在屏蔽體內。屏蔽體的磁導率越高，厚度越大，磁阻越小，磁場屏蔽的效果越好。當然要與設備的重量相協(xié)調。電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的干擾。電磁屏蔽的材料應選用高磁導系數(shù)的材料，如銅、銀等，利用電磁場在屏蔽金屬內部產(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，兼起電場屏蔽作用。電場屏蔽體必須可靠接地。一般采用電導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的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。2）濾波濾波器是一種能使有用頻率信號順利通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號的電子裝置?？梢允怯蒖、L、C組成的無源濾波器，也可以是由運算放大器和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成分通過，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成分通過，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成分通過，假設，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成分通過，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）隔離當前后兩個電路信號端接地時，易形成環(huán)路電流，引起噪聲干擾。所以需采用隔離的方法，把兩個電路從電路上隔開。常采用以下兩種方法隔離。（1）變壓器隔離在兩個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，實現(xiàn)了電信號的傳輸。（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成。如9-21所示，當輸入端加上電信號，發(fā)光二極管有電流流過而發(fā)光，使光敏三極管受到光照后而導通。當輸入端無電信號，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止。這樣通過光電耦合的方法實現(xiàn)電路的隔離，即以光為媒介，實現(xiàn)電信號的傳輸。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）開關型傳感器圖10-22紅外對管電路圖紅外對管，其中一個為紅外線發(fā)射管，另一個為接收管。不同型號的器件有不同的工作電壓、電流、波長，如QED422型發(fā)射管的正向壓降為1.8V，偏置電流為100mA。當向發(fā)射管提供工作電壓它就能持續(xù)發(fā)射出波長為880nm的紅外線（不可見）。紅外接收管通常工作在反向電壓狀態(tài)，S1斷開，發(fā)射管無紅外線發(fā)射時，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)射管與接收管對齊時，接收管導通而Vout

接近0。將輸出端直接連接到單片機上，通過編程檢測對應引腳電平的高低（或者檢測脈沖信號），判斷紅外對管之間是否有物體通過，如果有物體遮擋，則輸出端因為不能接收信號輸出高電平；如果沒有物體遮擋，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進步，數(shù)字量傳感器也越來越多，以DS18B20為例，就是一個單總線器件，器件通過一條線，以串行方式和微處理器交換轉換后的數(shù)據(jù)。3）串行通信/無線通信傳感器傳感器的應用越來越廣泛，傳感器廠家生產(chǎn)了越來越多帶RS232通信接口、帶無線通信的傳感器，方便大規(guī)模傳感器的應用。其處理方式涉及到串行通信編程和無線通信技術，是傳感器應用開發(fā)的熱點。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幅度的變化通過電路用頻率變化的脈沖表示出來。這樣做的目的把模擬信號轉換為數(shù)字信號以便送入微處理器進行處理。幅頻變換與A/D（模數(shù)轉換）實現(xiàn)的方法不同，但是結果都是把模擬量轉換成了數(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或氣壓計中的氣壓測量，該系列傳感器具有多種封裝供選擇?？梢娖鋬炔恳呀?jīng)集成了溫度補償、放大器等電路，只要向其供電就可在VOUT端獲得一個與實測氣壓相關的電壓信號。表9-1MPX4115A參數(shù)參數(shù)符號最小值典型值最大值單位測量電壓范圍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響應時間tR-1.0-ms

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

例如當實測壓力為50kPa時，傳感器的輸出電壓：VOUT=4.794-[(115-50)×0.046]≈1.8(V)。由于MPX4115A輸出電壓與實測壓力有對應關系，如果把這個電壓信號轉換為數(shù)字信號，微處理器（單片機）就可以讀取并處理，通過數(shù)碼管或液晶顯示器顯示出來。

幅頻變換（V/F）就是用不同頻率的等幅信號來代表不同電平的模擬信號，圖10-24就是幅頻變換器LM331N的應用，如果在輸入端Vin輸入一個電壓信號，則可在輸出端Vout得到一個頻率與輸入信號電壓滿足圖中公式的矩形波信號。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，則輸出信號的頻率也跟著變化，用式10-18計算可得輸出電壓的大小，再用式10-17計算壓力的大小。2）A/D轉換采用A/D轉換時，一般的A/D轉換器要求信號是標準的信號，如0~5V，4~20mA。因此，進行轉換前一般要進行信號的處理，如放大、濾波等?；魻杺鞲衅魇菍ｉT用于測量與磁場有關的物理量的傳感器。根據(jù)輸出信號的不同，霍爾傳感器產(chǎn)品一般有霍爾開關和線性霍爾傳感器兩種。

線性霍爾傳感器輸出與實測磁場強度成比例的電信號。電磁鐵線圈鐵芯有一個豁口，霍爾傳感器平行置于其中，當電磁鐵通電后豁口處產(chǎn)生磁場，磁場越強穿過霍爾傳感器的磁力線就越多，磁場越弱穿過的磁力線就越少。霍爾傳感器根據(jù)穿過的磁力線的多少輸出對應的信號來指示磁場強度。

圖10-25線性霍爾傳感器如圖10-25所示，霍爾傳感器3503是一個可精確測量磁通量微小變化的傳感器系列，該系列傳感器只有3個管腳，分別為VCC（1管腳）、GND（2管腳）、Vout（3管腳）。在實測時需要讓磁場穿過有效的傳感器元件才會被檢測到。

該系列傳感器工作電壓約為5V、電流約為9mA，當沒有磁場作用時（B=0G，G是“高斯”，磁場強度的單位）輸出VOUT=2.5V，當磁場強度每變化1G時輸出改變約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）放大電路設計在圖10-26中，磁場強度每改變1G時霍爾傳感器3503的輸出變化1.3mV，這個mV級的變化非常微弱，需要經(jīng)過放大才能用幅頻變換器或A/D（模數(shù)轉換器）采集。電位器R1可調節(jié)放大倍數(shù)。電位器R2與U1C組成調零電路，它可以在磁場強度為0G時將電路的輸出Vout調整至0V。在調試時，先將電位器R1調到最大，使電路獲得最大增益。讓霍爾傳感器3503盡量遠離磁場，調節(jié)電位器R2使得輸出盡量接近0V。調整好R2后，一般不需再調節(jié)。接下來可按實際需要調節(jié)電位器R1使放大電路的輸出與后一級（比如幅頻變換器、A/D）的輸入電壓范圍匹配，并達到最大的分辨率。圖10-26霍爾傳感器測磁場強度電路圖（2）信號調理電路調理電路：放大或限制輸入信號的幅度（調節(jié)電位器R4），增加或減少信號的偏置（調節(jié)電位器R5）。如圖10-27（a）所示，該電路由3個運放組成，分別構成了跟隨器、電平移位器、增益控制器。調節(jié)電位器R5，電平移位器將跟隨器輸出的信號（從LF347的管腳1）進行上/下移位，也就是調整信號的直流電平分量，但是不改變信號的幅度。調節(jié)電位器R4可改變增益，從而控制信號的峰-峰值，輸入信號Vin的波形如圖10-27（b）所示。（b）信號波形圖10-27信號調理電路（3）峰值檢測電路圖10-28峰值檢測電路電容C1的電壓作為反饋，并在后級增加一個跟隨器，得到峰值檢測器。假設有圖10-28所示的輸入信號Vin進入峰值檢測器中，通過電容C1對峰值電壓的保持，電路輸出端電平Vout總是等于前段時間最大峰值，只有當電平更高的峰值出現(xiàn)時會刷新輸出信號。（4）絕對值檢測電路如圖10-29所示為絕對值檢測電路，絕對值電路使負向信號“折到”正向上，相當于一個全波整流器。圖10-29絕對值檢測電路（5）微分器微分器在某一時刻的輸出與該時刻輸入信號的變化率在數(shù)值上相等。信號經(jīng)由電容C1進入運放，Rf為反饋電阻。假如輸入一個斜率為VE的信號，由于信號的變化率恒定，則可在有源微分器的輸出端得到一個大小為-VE的直流信號。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刻的輸出為之前輸入信號的總面積。如圖10-31所示，信號經(jīng)由電阻R1進入運放。假如輸入一個幅度VE的方波信號，隨著時間（t）的推移，輸入信號VE下的面積越來越大，在t-E時刻，面積為VE×tE。由于VE恒定，時間越長，面積越大，于是輸出端的信號在不斷負向增加。（10-21）

（7）采樣-積分電路圖10-32采樣-積分示意圖

A/D將模擬信號轉換成數(shù)字信號需要一定的時間。為了避免因模擬信號變化過快致使A/D來不及轉換，一般可根據(jù)實際需要使用采樣保持電路對模擬信號進行穩(wěn)定。假設有一個快速連續(xù)變化的模擬信號，采樣保持電路中的采樣模擬開關定期閉合一個瞬間，模擬信號通過采樣模擬開關后給保持電容充電，采樣模擬開關斷開后，保持電容能維持信號的電平一段時間，于是就在A/D的輸入端出現(xiàn)了保持信號（圖10-32中的粗橫線段）。這個保持信號的保持時間保證A/D有足夠的采樣及轉換時間，且可以通過對采樣模擬開關和保持電容的設置來調整。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模擬開關、電容、輸入和輸出緩沖器組成。模擬開關對經(jīng)輸入緩沖器后的模擬輸入信號進行采樣，電容對采樣信號的電平保持一段時間，同時，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的最高頻率分量的2倍，被采用信號才能不失真的被還原。圖10-34AD585采樣-保持器AD585的實物如圖10-34所示，其內部集成了兩個緩沖器和一個由邏輯門控制的模擬開關。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關的脈沖，這個脈沖的寬度決定了采樣保持周期。模擬信號通過2腳進入AD585。3、5腳之間可以連接一個電位器以調整偏置電壓。另外，信號的增益可以通過在1或2腳與8腳之間外加一個反饋連接實現(xiàn)。（8）A/D轉換器選用①A/D轉換器原理一個模擬信號每一時刻總有一個對應的幅度值，如圖10-35所示，如果把峰值分成16份，并用4位二進制數(shù)來依次表示每一份幅度值，則任意時刻都能找到一個唯一的二進制數(shù)來代表幅度值。如t0時刻幅度值為0001，t1時刻幅度值為0100，t2時刻幅度值為1000，t3時刻幅度值為1010等。把這若干個代表幅度值的二進制數(shù)還原到坐標軸上時就得圖10-35示的折線，它與原來的模擬信號相比，雖然分辨率降低但是還是能大體上反映模擬信號。模擬信號離散化的目的是將模擬信號轉換成二進制數(shù)字信號，這樣，微處理器（單片機）等數(shù)字器件就能派上用場了。小實驗：電平發(fā)光二極管指示器如圖10-36所示，模擬信號由一個電位器RP2的調節(jié)來產(chǎn)生，信號進入AD0804的VIN(+)端，通過模數(shù)轉換，轉換的結果從DB0~DB7輸出，與輸出端連接的8支發(fā)光二極管用以顯示轉換的結果。不斷調節(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。將電平調至5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進制數(shù)為（）；將電平調至2.5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進制數(shù)為（）將電平調至1.25V，記下D1~D8的狀態(tài)（)，其二進制數(shù)為（）；將電平調至0.5V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進制數(shù)為（）；將電平調至0V，記下D1~D8的狀態(tài)（），其二進制數(shù)為（）。圖10-35AD轉換器原理圖10-36電平發(fā)光二極管指示器圖10-35AD轉換器原理②轉換芯片AD0804AD0804有20個管腳，除了模擬信號輸入端（6、7管腳）和數(shù)字信號輸出端（11~18管腳）外，其他管腳的名稱和功能描述如表9-3所示。當模擬信號加到A/D的模擬輸入端時，控制信號使A/D開始進行模數(shù)轉換，到轉換完成在數(shù)字信號輸出端出現(xiàn)數(shù)據(jù)的過程是需要一定的時間。比如AD0804就需要100μs，這個時間稱為A/D的轉換時間。如果A/D的轉換時間越小說明它的轉換越快，能處理模擬信號的頻率也就越高，當然價格也就越貴。像AD0804的100μs轉換時間最多只能應付頻率不超過5kHz的模擬信號。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）兩個接地端。AGND、DGND分別為模擬信號接地端和數(shù)字信號接地端。AGND與模擬信號的輸入接地端相連，而DGND當與數(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與數(shù)字輸出產(chǎn)生的瞬間電平隔離開來，確保轉換的精度。由于本章實例對精度要求不高，可以把AGND和DGND都接入同一個接地中。在實際應用中，應該把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）提供一個參考電平。這個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，通過調節(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)的模擬輸入信號變化的最小值，或者說是A/D所能反映的最小模擬輸入電壓變化值。比如說某時刻模擬輸入信號為1.500V，對應數(shù)字輸出端狀態(tài)為10010000，在分辨率=15.6mV時，當模擬輸入信號變?yōu)?.5156V時（改變了15.6mV），對應數(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能有效轉換的最大模擬輸入電壓值，為(VREF/2)的2倍。例如再調節(jié)電位器RP1使=1.28V，則所能有效轉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?，A/D有效轉換的最大模擬輸入電壓與分辨率是一對矛盾：有效轉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，則芯片內部電路會使=2.5V，有效轉換的最大模擬輸入電壓為+5V（與工作電壓相等），此時分辨率為19.5mV。如圖10-37所示，修改電平指示器添加一個單片機AT89C51，AD0804的數(shù)字信號輸出端DB0~DB7與單片機的P0口連接，其轉換結束中斷輸出端與單片機的P3.5口相連，另外轉換開始使能端及數(shù)據(jù)輸出使能端分別與單片機的（16管腳）和（17管腳）相連。

圖10-37單片機控制的A/D轉換接口如圖10-38的時序圖所示，要實現(xiàn)單片機控制AD0804進行模數(shù)轉換，需要經(jīng)過以下幾個步驟：

圖10-38單片機控制的A/D的時序圖通過編程軟件KEILC編寫程序實現(xiàn)此控制。參考程序如下：//名稱:單片機控制AD0804模數(shù)轉換實現(xiàn)電壓測量(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，控制芯片的啟動和結果讀取，低電平有效sbitintr=P3^5;//AD轉換結束輸出低電平sbitwr=P3^6;//AD轉換起動控制，上升沿有效sbitrd=P3^7;//讀數(shù)據(jù)控制，低電平有效//啟動AD轉換子程序voidstart_ad(void){cs=0;//允許進行A/D轉換

wr=0;_nop_();wr=1;//WR由低變高時，AD開始轉換

while(intr);//查詢轉換結束產(chǎn)生INTR信號(低電平有效)cs=1;//停止A/D轉換}

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

rd=0;//讀取轉換數(shù)據(jù)結果數(shù)據(jù)結果

_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);}//說明：采用二極管顯示，不需要進行數(shù)據(jù)的拆分，直接把轉換結果送給端口即可。voiddata_show(){P2=~read_ad(); }intmain(void){while(1){start_ad();//啟動A/Ddata_show();//讀A/D數(shù)據(jù)并顯示

}}其它的轉換A/D轉換芯片

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

3.傳感器與微機接口電路實例如圖10-39所示為奧迪A6型轎車渦輪增壓型發(fā)動機微電腦點火控制系統(tǒng)電路原理圖。電路比較復雜的微機控制系統(tǒng)在讀圖時可以先找出信號輸入部分元件（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的元件。通常情況下，各種傳感器的信號是提供給微控制器的，屬信號輸入部分元件，包括通過開關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電流通斷的，都屬于執(zhí)行元件。圖10-39微電腦點火控制系統(tǒng)組成方框圖[項目實施1]一、任務分析自動聲光控制電路適用于醫(yī)院、學生宿舍及各種公共場所，實現(xiàn)無人管理的全自動路燈照明控制。電路采用聲、光雙重控制，白天和夜間無人走動時開關自動關閉，電燈不會點亮；夜間有人走動時，腳步聲，談話聲會使開關動作，電燈點亮，人走后即無聲響30秒后電燈自動熄滅。二、任務設計全自動聲光控制電路主要包括光控開關電路和聲控延時電路兩部分組成。1、光控開關電路圖10-42所示電路便可實現(xiàn)簡易的光控自動照明。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點電壓大于30V，觸發(fā)極G導通，雙向晶閘管呈導通狀態(tài)，電燈亮。2、聲控延時電路聲控延時電路利用話筒拾取環(huán)境聲音，將拾取的微弱聲音信號經(jīng)放大后輸出，然后和光控電路輸出的信號共同控制夜間的照明，并且通過延時電路來控制照明的時間。圖10-42簡易光控照明燈電路二、傳感器綜合應用3、電路原理圖電路原理圖如圖10-43所示。圖10-43全自動聲光控制照明燈它由光控開關電路和聲控延時電路組成，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，共同控制電路的工作。光控開關由光敏晶體管VT1來檢測環(huán)境光線的強度，當光線較強時，VT1導通，使放大管VT2導通，同時VT3截止，繼電器J1無勵磁電流而釋放，路燈H不亮；當外部環(huán)境光線很弱時，VT1處于截止狀態(tài)，VT2截止，VT3導通，J1得電吸合，觸點J1-1閉合。聲控延時電路由話筒MIC拾取環(huán)境聲音，將拾取的微弱聲音信號經(jīng)VT4~VT6觸發(fā)VT7、VT8，并經(jīng)C3和R16延時一段時間，使J2一直吸合，即J2-1閉合，直至周圍環(huán)境安靜時間超過延時電路的延遲時間后，J2-1又自動斷開，路燈又熄滅。三、任務實現(xiàn)1、電路制作準備好器件，按照圖10-43進行電路焊接制作控制電路板和照明燈接口部分。2、電路調試1）把J2-1觸點先不接入燈的控制回路中，單獨調試光控部分。2）把J1-1觸點先不接入燈的控制回路中，單獨調試聲控部分。3）同時接入J1-1和J2-1，調試全自動聲光控制照明燈，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）調試時候注意用電安全。[項目實施2]一、任務分析使用集成的LM35傳感器采集溫度值，并在LCD液晶顯示器上顯示溫度值。二、任務設計通過LM35檢測溫度，通過LCD顯示溫度信息。1.關鍵器件1）選用AT89C51單片機；2）選用AD0808數(shù)模轉換器；3）選用LCD1602液晶顯示器；4）反相器選用74LS02。2.電路原理圖1）設計電路圖（1）使用Proteus和KeilC軟件仿真溫度采集。打開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問題：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，會顯示不出來電壓值。Clock端使用的是數(shù)字時鐘信號，頻率為500kHz。在實際應用中，可以采用定時器產(chǎn)生此數(shù)字時鐘信號，也可采用D觸發(fā)器對單片機的ALE上的1/6主頻脈沖進行分頻，再作此數(shù)字時鐘信號，電路如圖10-46所示。圖10-46硬件電路產(chǎn)生AD0808的數(shù)字時鐘信號溫度傳感器使用的是LM35集成溫度傳感器。LM35是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器。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。在設計基于傳感器和單片機的控制系統(tǒng)時，可以采用先仿真再實做的方法。仿真可以驗證系統(tǒng)是否正確，程序設計有無明顯錯誤?？梢蕴岣唔椖恐谱鞯男?。（2）使用PROTELL軟件設計電路圖。2）制作電路板制作PCB板，備好元器件，焊接元器件。焊接完成，進行硬件測試。3.參考程序1）編寫程序采用KEILC編寫程序，并調試通過。//程序：ad-lcd.c//功能：AD轉換，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> //庫函數(shù)頭文件，代碼中引用了_nop_()函數(shù)#defineucharunsignedchar //無符號字符型數(shù)據(jù)預定義為uchar#defineuintunsignedint //無符號字符型數(shù)據(jù)預定義為uint//定義控制信號端口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);//可控延時函數(shù)voiddelay1();//軟件實現(xiàn)延時函數(shù)，5個機器周期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：采用軟件實現(xiàn)可控延時//形式參數(shù)：延時時間控制參數(shù)存入變量t中//返回值：無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：采用軟件實現(xiàn)延時，5個機器周期//形式參數(shù)：無//返回值：無voiddelay1(){_nop_();_nop_();_nop_();}//函數(shù)名：int1//函數(shù)功能：lcd初始化//形式參數(shù)：無//返回值：無voidint1(){lcd_w_cmd(0x3c); //設置工作方式

lcd_w_cmd(0x0e); //設置光標

lcd_w_cmd(0x01); //清屏

lcd_w_cmd(0x06); //設置輸入方式

lcd_w_cmd(0x80); //設置初始顯示位置}//函數(shù)名：lcd_r_start//函數(shù)功能：讀狀態(tài)字//形式參數(shù)：無//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voidlcd_w_cmd(unsignedcharcom){unsignedchari;do{ //查LCD忙操作

i=lcd_r_start(); //調用讀狀態(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voidlcd_w_dat(unsignedchardat){unsignedchari;do{ //查忙操作

i=lcd_r_start(); //調用讀狀態(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) //拆分數(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，所有內部寄存器清0P0_2=1;for(a=0;a<50;a++); //延時

P0_2=0; for(a=0;a<50;a++);//延時

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

while(P0_3!=0); //等待轉換完成，EOC=1表示轉換完成

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轉換數(shù)據(jù)

sepr(i); //數(shù)據(jù)每位分開

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