电子产品世界

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。

0   引言

Arduino 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Arduino 电路板，软件部分是可用于程序设计的软件开发环境Arduino 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 传感器套件中12 种传感器电路做到3 种多用印制电路板上。

1   Arduino传感器套件简介

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+V_s；②信号输出V_out；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V_cc。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传感器套件分类

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传感器套件多用电路板的设计

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 两端开关量传感器多用电路板的设计

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。

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。

图2 两端开关量传感器多用电路板

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。

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。

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。

图5 5种三端传感器电路原理图

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.

（本文来源于必威娱乐平台 杂志2021年9月期）

关键词： Arduino 传感器套件 多用电路板 202109