何玲，黄建利，江启源，黄德颖
（广东水利电力职业技术学院，广东广州，510000）
0 引言
本作品可以实现《传感器与检测技术》这门课程的多功能教学，能实现对13种气体进行检测的气敏传感器、光敏传感器、霍尔传感器、PM2.5等多种传感器功能演示。如有任何一个传感器告警，喇叭将会发出警笛声，并且继电器2闭合，继电器可接220V负载如风扇（用于排除气体），指示灯。光敏三极管采样的信号经迟滞电压比较器和积分电路处理后控制继电器3（同上可接负载）。线性霍尔传感器可实时检查磁场大小，当磁场过大时蜂鸣器告警且继电器1闭合。PM2.5传感器（只检测变化的量）过高时继电器4闭合。以上传感器检测的信号同时还可以给Arduino,单片机,STM32等芯片进行采样，可通过手机,电脑实时查看。
1 电源电路设计及分析
电源电路设计如图1所示，该电路由单相市电220V供电50VA变压器降压成双12V，经过整流滤波得到纹波系数较大的双14.4V，再由三端稳压（7812，7912）稳压成双12V电源给各种数字和模拟芯片供电，5V三端稳压（7805）给TL431输出一个2.5V的基准电压，各种气敏传感器的加热丝是由buck电路5V供电，额定加热工作电流约2.2A[1]。buck电路暂时使用的是NE555作为MOS管的PWN信号产生器[1],产生约100k Hz,5V的方波（占空地和频率可调），经过74LS00四二输入与非门放大驱动电流和电压（12V）连接到隔直电容后串联在30:30隔离变压器原边上，最后副边经串联22Ω电阻后连接在MOS管GS两端上,给MOS管驱动，经示波器测量DS两端波形后发现电压尖峰过高,超过了MOS管耐压值10V多,后来在DS两端并联上1kΩ电阻和0.1μF电容后,电压尖峰降低了约5V。使用目前方法因为输出电压没有反馈,导致输出电压受轻微的电网电压波动影响和负载功率变化影响,该方法有待改进。
图1 电源电路图
2 气敏传感器电路设计及分析
气敏传感器电路设计如图2所示，当有任何一个气敏传感器告警时,气敏传感器内部电阻与外部电阻分压（可调阈值）会超过TL431基准电压2.5V,用做电压比较器的LM358(A)会输出高电平,经过多个CD4071四二输入或门,最终输出变为1,接在KD9561四声报警声芯片上的8Ω0.25W喇叭发出警笛声（鸣笛速度和声音大小可调，也可以切换成救护车声、消防车声和枪击声）,12V继电器2长开端闭合（此处可扩展，如接220V排气扇）,同时用作电压跟随器的LM358(B)将模拟信号传送给arduino2560进行实时模拟量采样监测[2]（可脱机工作）,并用串口的方式在电脑或手机上显示。
图2 气敏传感器部分电路
3 光敏传感器电路设计及分析
光敏传感器电路如图3所示，当环境光照度变弱时,光敏三极管逐渐截止,用做电压比较器的LM358直接输出的指示灯由红灯变为绿灯（可调阈值）,同时用做迟滞电压比较器的LM358输出在经过积分电路的LM358（回差电压和延迟时间可调）输出作为12V继电器3（此处可扩展，如接220V路灯）长开端闭合的延时开关,此处设计是为了模拟现实中当天快黑或天快亮时路灯不停的开关、车远光灯短时间照射到路灯配电箱时路灯全部熄灭等现象[3]。
图3 光敏传感器电路
4 霍尔传感器与PM2.5传感器电路设计及分析
霍尔传感器电路如图4(a)所示，AH3503线性霍尔传感器用于实时监测磁场强度,当磁场强度过高时（可调阈值）,接在NE555上的有源蜂鸣器会以1Hz～几百Hz的频率间接性的响（频率和占空比可调）,并且12V继电器1长开端闭合（此处可扩展）。
图4 霍尔传感器电路
PM2.5传感器电路如图4(b)所示，该电路用于实时监测环境中PM2.5浓度,当PM2.5浓度过高时,12V继电器4长开端闭合（此处可扩展）（目前因电路设计原因,只能检测PM2.5浓度变化速率,该方法有待改进）。
5 实物与调试效果图
（1）实物图如图5所示，主要包括buck电路区；气敏传感器区主要包括烟雾检测气敏传感器、酒精气敏传感器、丙烷检测气敏传感器、一氧化碳检测气敏传感器等13种气敏传感器；霍尔传感器；光电传感器中的光敏三极管；PM2.5环境检测仪。
（2）实物调试时除了可以直观看出效果，还可以通过电脑，手机终端进行显示实时数据，电脑终端显示效果如图6所示。
6 结论
该多功能教学开发板不仅可以实现《传感器与检测技术》课程上所需的大部分传感器的应用，并且还可以和后续的课程进行扩展应用，能让学生看到传感器的直接应用电路效果，增强他们的学习兴趣，提高教学效果。该开发板扩展方便简洁，可以实现和《单片机应用技术》、《嵌入式应用技术》、《arduino开源硬件技术》、《电力电子技术》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《C语言编程》等课程进行搭配使用。
