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Arduino传感器套件多用电路板的设计

作者:解文军(哈尔滨远东理工学院,哈尔滨 150000)时间:2021-10-14来源:电子产品世界收藏
编者按:针对Arduino传感器套件,设计了3种传感器多用印制电路板,可分别用作12种传感器的印制电路板。

作者简介:解文军(1968—),男,哈尔滨人,助理工程师,长期从事单片机应用系统的研发设计及教学工作。

本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/202110/428814.htm

0   引言

是一个开源的电子硬件平台,包含硬件和软件2 个主要的部分,硬件部分是可用于连接各种传感器的 电路板,软件部分是可用于程序设计的软件开发环境 IDE[1]。在实际的创新教育训练、学生竞赛以及产品的快速开发中Arduino 被大量使用,早已成为一款被广泛应用的开发平台, 备受广大创客追捧。[2] 各种Arduino 学习套件中都包含一二十种传感器,每种传感器都对应一种印制电路板。“一种电路一种板”可说是电子专业理所当然的基本常识,然而对于一些电路简单、元件非常少、结构型式相同的电路,可以做到“几种电路一种板”。本文就是将Arduino 中12 种传感器电路做到3 种多用印制电路板上。

1   Arduino简介

Arduino 学习套件包含Arduino 电路板、若干种传感器和大量开源的用于实现扩展的外围功能电路(如舵机驱动器、液晶显示屏等)[3]。各种Arduino 学习套件中最基本、最常见的传感器有12 种:数字震动传感器、单向倾角传感器、磁感应传感器、按压式大按钮模块(碰撞开关)、LM35 模拟温度传感器、DS18B20 数字温度传感器、红外接收传感器、DHT11 温湿度传感器、角度传感器、光线亮度传感器、湿敏传感器和火焰传感器。数字震动传感器使用的传感器是SW-18010P,是一种弹簧型无方向性振动感应器件。在静止时任何角度都为开路状态,当受到外力碰撞或者大力晃动时,弹簧变形和中心电极接触使两个引脚瞬间为导通状态,当外力消失时恢复为开路状态。单向倾角传感器是基于钢球开关的数字模块,利用钢球的特性,通过重力作用使钢球向低处滚动,从而使开关闭合或断开。磁感应传感器是基于干簧管的数字模块,干簧管是一种磁敏开关。当磁铁靠近干簧管时,管内的常开簧片接点就会感应出极性相反的磁极而相互吸引闭合;当磁力减小到一定值时,接点又恢复到断开状态。[4] 按压式大按钮模块(碰撞开关)是基于按键的数字开关量输入模块,按下按键输出低电平。LM35 温度传感器是一款半导体温度传感器,输出电压与摄氏温度线性成比例,每升高1 ℃,输出电压增加10 mV。LM35 温度传感器常用封装TO-92,其引脚定义为:①电源正+Vs;②信号输出Vout;③电源地GND。DS18B20 温度传感器采用可编程单总线数字温度感测元件DS18B20,其测温范围-55 ~ 125 ℃,固有分辨率0.5 ℃。DS18B20 常用封装TO-92,其引脚定义为:①电源地GND;②数据输入/ 输出DQ;③电源输入端VDD。红外接收传感器可接收红外线发射传感器发射出的38 kHz 调制信号,从而实现红外无线通信。此传感器含有红外一体化接收头,常用型号为HS0038 等,采用3 脚直插封装,其引脚定义为:①信号输出OUT;②电源地GND;③电源正Vcc。DHT11温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件。该传感器为4 针单排引脚封装,其引脚定义为:① VDD 供电;② DATA 串行数据;③ NC 空脚;④ GND 接地。角度传感器利用旋转电位器测量旋转角度,从0 ~ 300°。它两端接电源和地,中间抽头接信号输出。光线亮度传感器使用光敏电阻来检测周围环境光线的亮度。光敏电阻的电阻值随入射光的强弱而变化:入射光弱,电阻增大;入射光强,电阻减小。湿敏传感器使用湿敏电阻HR202L 来检测周围环境的湿度。湿敏电阻的电阻值随着湿度的增加而急剧下降,大体按指数规律下降。火焰传感器利用红外线接收管来探测火源或其它热源。红外线接收管可将外界红外光的强弱变化转变为电流的变化,经过串联电阻转换为模拟量电压信号。

2   Arduino分类

按照传感器的引脚数量、信号特性和电路结构型式,可将12 种传感器归纳为3 种类型。

2.1 两端开关量传感器

虽然震动传感器、倾角传感器、磁感应传感器和大按钮模块的功能各异,但它们的电路原理一样都是开关,输出信号都是开关量。震动传感器、倾角传感器和磁感应传感器都是2 个端脚元件,大按钮模块虽为四脚元件,但两脚为一组相通,在电路意义上实为两端元件,因此可将这四种传感器归纳为两端开关量传感器。

2.2 两端模拟量传感器

光敏电阻、湿敏电阻和红外线接收管都是2 个端脚元件。光敏电阻和湿敏电阻的阻值变化需通过其两端的输出电压来检测,为模拟量。红外线接收管可将外界红外光的强弱变化转变为电流的变化,经过串联电阻转换为模拟量电压信号。因此可将光线亮度传感器、湿敏传感器和火焰传感器归纳为两端模拟量传感器。

2.3 三端传感器

LM35 温度传感器、DS18B20 温度传感器和红外接收传感器都有3 个引脚,名称相同或实际含义相近,只是排列序号不同。角度传感器虽不是集成电路,但它3个引脚的实际含义与前面3 种传感器相同或相近,其排列序号与LM35 相同。DHT11 温湿度传感器虽有4 个引脚,但有1 个空脚,其他3 个引脚的实际含义与前面3 种传感器相同或相近,只是排列序号不同,在电路意义上实为三端元件。因此可将这5 种传感器归纳为三端传感器。

3   Arduino传感器套件的设计

将12 种传感器归纳为3 种类型后,可据此设计3种传感器多用印制电路板。

3.1 两端开关量传感器的设计

若将4 种开关量传感器的电路原理图分别画在4 张或者画在1 张电路原理图上[5],都不难发现它们的电路结构型式一样。现将4 种传感器的电路原理图合并整理在1 张电路原理图上,如图1 所示。

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图1 4种开关量传感器的电路原理图

根据图1 绘制印制电路板图(PCB)。布局时将震动开关S1、倾角开关S2、干簧管开关S3 和按键SW1的PCB 封装重叠放置。倾角开关S2 和干簧管开关S3的PCB 封装完全相同,这2 个元件完全重合放置。布完连线的PCB 见图2。

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图2 两端开关量传感器

按图2 生产制作PCB 板,可分别用作4 种开关量传感器的PCB 板:在S1 处焊上震动开关,就成为震动传感器;在S2 处焊上倾角开关,就成为倾角传感器;在S3 处焊上干簧管开关,就成为磁感应传感器;在SW1 处焊上四脚按键,就成为大按钮模块。4 种开关量传感器完全可通过4 种元件的外形来区分。

3.2 两端模拟量传感器多用电路板的设计

如将1 只光敏电阻与1 只分压电阻串联,则光敏电阻的阻值随光强的变化而改变,从而改变光敏电阻两端的输出电压,以此来检测周围环境光线的亮度,电路原理见图3。图3 中R3 为分压电阻,R1 为光敏电阻,S为输出电压信号。

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图3 3种两端模拟量传感器的电路原理图

如将1 只湿敏电阻与1 只分压电阻R3 串联,则湿度的变化能改变湿敏电阻的阻值,从而改变湿敏电阻两端的输出电压,以此来检测周围环境湿度,电路原理见图3,R2 为湿敏电阻。红外线接收管电流的变化,经过串联电阻R3 转换为模拟量电压信号,以此来检测周围环境热源或火源,电路原理见图3,Q1 为红外线接收管。在图3 中易见,上述3 种传感器的电路原理图相同,电路结构型式一样,所以可将3 种传感器的印制电路板图(PCB)绘制在1 块PCB 图上。布局时将光敏电阻R1 和湿敏电阻R2 的PCB 封装重叠放置,红外线接收管Q1 的PCB 封装放置在电阻R1 封装内,布完连线的PCB 见图4。

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图4 两端模拟量传感器多用电路板

按图4 生产制作PCB 板,可分别用作3 种两端模拟量传感器的PCB 板:在R1 处焊上光敏电阻,就成为光线亮度传感器;在R2 处焊上湿敏电阻HR202L,就成为湿敏传感器;在Q1 处焊上红外线接收管,就成为火焰传感器。3 种传感器可完全通过3 种元件的外形来区分。

3.3 三端传感器多用电路板的设计

图5 为5 种三端传感器电路原理图,其中U1 为红外接收传感器,U2 为LM35 温度传感器,U3 为DHT11温湿度传感器,U4 为DS18B20 温度传感器,RP1 为角度电位器,电阻R1 为信号S 的上拉电阻。根据图5绘制印刷电路板图(PCB)。由于U4 和U2 的3 个引脚网络线排列顺序相反,故布局时将元件U4 和U2 的PCB 封装背对背放置,3 个焊盘中心对齐重合,二者位于旋转电位器封装内。图6 为布完连线的PCB。

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图5 5种三端传感器电路原理图

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图6 三端传感器多用电路板

按图6 生产制作PCB 板,可分别用作5 种三端传感器的PCB 板:在U1 处焊上元件HS0038,就成为红外接收传感器;在U2 处焊上元件LM35,就成为LM35温度传感器;在U3 处焊上元件DHT11,就成为DHT11温湿度传感器;在U4 处焊上元件DS18B20,就成为DS18B20 温度传感器;在RP1 处焊上旋转电位器,注意不焊上拉电阻R1,就成为角度传感器。5 种三端传感器可通过5 种三端元件的外形来区分,且生产厂商也会在外包装小塑料袋上粘贴标签来区分,或在多用电路板上粘贴标签来区分。由于U2 和U4 的外形完全一样,在粘贴标签脱落的情况下,需要通过辨认U2 和U4 元件上的符号标识LM35 或DS18B20 来区分。

4   结束语

原本12 种传感器对应有12 种印制电路板,现仅用3 种多用电路板,这样可以节省9 块PCB 板的工程费,减少备板的种类和数量,生产制作灵活。

参考文献:

[1] 温泉河,朱静,黄文恺.ArduBlock机器人互动设计与创客教育[J].现代计算机(专业版),2016(34):45-48.

[2] 朱明,刘文杰,覃振权.基于Arduino的物联网开放性基础实验设计[J].实验室科学,2017(2):57-59.

[3] 刘哲旭,赵珍.基于Arduino开源平台的电子创新实践教学研究[J].实验室科学,2019(1):135-138.

[4] 郭爱芳.传感器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2020.

[5] 刘超.Altium Designer原理图与PCB设计精讲教程[M].北京:机械工业出版社,2018.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期)



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