传感器与检测技术Word格式.docx
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电子产品不仅要有良好的电气性能，还要有可靠的总体结构和牢固的外壳结构，才能够经受各种环境因素的影响，才能够长期、安全地使用。
因此，从整机结构的角度来说，电子产品必须具备操作安全、使用方便、造形美观、结构轻巧、容易维修等特点。
在电子产品设计的初始阶段，就需要从各个方面进行考虑，以便设计出优秀的电子产品。
1．2工艺设计
工艺，是生产者利用生产设备和生产工具，对各种原材料、半成品进行加工处理，使之最后成为符合技术要求的产品的艺术，这个艺术是一种程序，是一种方法，是一种技术。
它是人类在生产劳动中不断积累、总结的操作经验和技术能力。
工艺技术在电子设备的试制与生产中占有不容忽视的重要地位，它是实现电子设备技术方案不可缺少的一个环节，亦是保证设备质量的重要手段之一，工艺技术水平的高低，直接影响到设备的生产周期和效益。
而电子工业本身的薄弱环节之一是生产工艺与结构设计落后，而且不被重视。
对于一代技术决定一代工艺，一代工艺决定一代产品，以及对一个时代，一种生产方式，依靠一代工艺生产技术的支撑的工艺技术的重要性认识不足。
同时，我们应该清楚地看到，电子设备的差距主要在于产品的性能价格比上，而性能价格比则在于技术秘密，而技术秘密许多情况下恰恰是工艺问题。
因此，需要全面衡量工艺技术在科研、生产中的地位和作用，使工艺技术发挥应有的作用。
现代电子电气设备（产品）生产企业要求产品设计师既要掌握产品结构设计方面的专业技术，又要懂得制造工艺技术。
面对电子产品与电气设备产业对结构设计与工艺知识的新需求，需要重视和学习掌握电子产品的工艺设计技术。
从事电子电气设备结构设计、现场工艺、工艺管理等工作的产品设计师、工艺师及工程师；
企业中高层技术管理人员（如车间主任或厂长等），都需要了解和熟悉电子产品的工艺设计技术。
产品质量是指产品满足规定或隐含要求的特征和特性总和。
它包含有技术性能、可靠性、维修性、可用性、可信性、经济性、寿命、外观等。
质量体系认证是质量管理和质量保证的前提，但产品质量的提高，还需要在体系认证的基础上，进一步采取各项技术措施。
产品质量的好坏是需要通过实践检验、需要得到用户公认、需要采取相应技术措施的。
可靠性是从产品尽量不出故障的角度出发来讨论质量问题的，运用可靠性技术，是提高产品质量、增强产品市场竞争能力的重要手段。
可靠性技术是一项共性技术，可靠性学科是一门边缘学科。
开展可靠性工作，既需要有概率统计等方面的基础知识，也需要有与产品相关的专业知识。
开展产品可靠性工作的基础是要对产品提出定性定量的可靠性要求，制定并实施可靠性工作大纲。
产品的可靠性要求是对产品进行可靠性设计、监督控制及鉴定验收的依据和前提，是推动产品可靠性增长的原动力。
1．3常用电子器件
在电子技术和计算机技术应用电路里面，要使用大量的各种各样的元器件，而常用的有电阻、电容、电感、二极管、三极管、运算放大器、集成电路和传感器等。
了解和熟悉这些元器件的基本性能和应用方法，对于智能化仪表的设计和制作是大有帮助的，在这里，结合单片机的应用，介绍一些常用的元器件的性能和它的的应用。
1．3．1电阻器及其应用
1电阻的定义
具有一定阻值、一定几何形状、一定技术性能的在电路中起电阻作用的元件。
2电阻的基本技术要求
·
阻值单位为Ω、KΩ、MΩ、GΩ。
精度±
0.1%、±
1%、±
2%、±
5%、±
10%等
功率1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W等
3电阻的分类
固定电阻具有固定电阻值的
可变电阻电阻值可以通过调节而改变的
4电阻的阻值标记
·
直接标记法在电阻上直接印刷电阻的阻值
色环标记法在电阻上印刷色环标记来表示电阻的阻值
允许误差
10倍数
第三位数
第二位数
第一位数
颜色的含义：
颜色有效数字10倍数允许误差
银色10-2±
10
金色10-1±
5
黑色0100
棕色1101±
1
红色2102±
2
橙色3103
黄色4104
绿色5105±
0.5
蓝色6106±
0.25
紫色7107±
0.1
灰色8108
白色9109±
无色±
20
5电阻的结构
两端式、贴片式两种
6电阻的应用
在电路中，电阻起到限流、分压的作用。
E
R1
R2
V=E
R2R1+R2
图1.1电阻的分压的作用
在上面图中，可以根据电阻R1、R2的大小，取得分压V的值，这个应用在电子电路里很普通。
如图1.2所示,通过CPU的I/O口直接输出开关量0、1信号，为了确保开关量的1电平信号稳定，要在输出端加电平上拉电阻。
图1.2简单开关量输出
1.3.2电容器及其应用
1电容的定义
有二个金属电极、中间有一层电介质、可以存贮电荷的、在电路中起隔离直流信号、提供交流信号的元件。
电容一般用C表示，单位是法拉F，常用微法拉μF=10-6F，µ
P=10-12F
Σ·
A
C=
d
Σ介质常数
A电常平板面积
d平板间距
2电容的基本技术要求
容量单位为F—法拉、µ
F—微法（10-6F）、nF--（10-9F）、
pF--微微法（皮法，10-12F）。
10%、±
20%、>
±
20%等
耐压6V、10V、16V、25V、50V、400V等
3电容的分类
固定电容具有固定电容值的
可变电容电容容量可以通过调节而改变的
电解电容容量大，有正负极性
陶瓷、有机介质电容等
4电容的容量标记
直接标记法在电容上直接印刷电容的容量
举例：
电解电容200µ
F/16V
陶瓷、有机介质电容等2000表示容量为2000pF104表示容量为10×
104µ
F
5电容的结构
立式、贴片式两种
6电容的应用
在电路中，电容起到提供交流通道.隔断直流通道的作用。
.电容的特点是它的电压不能突变
R
T
C
图1.3电容在电路中的抗干扰、滤波作用
在单片机复位电路中，电容起了重要的作用。
见图1.4。
CPU
5V
C
1.4电容在单片机复位电路中的作用
在这里，利用了电容上的电压不能突变的性能。
刚通电时，由于电容上的电压不能突然发生变化，5V电压全部加在电阻上，使得单片机CPU的复位端得到了一个1电平，进行了复位的操作。
1电平的维持时间是由电阻和电容的容量所决定。
电容与电阻还可以组成微积分电路，实现微积分的运算，见图1.5。
RC
ViCVoViRVo
ab
图1.5微积分电路
图1.5-a中是积分电路，输入电压Vi通过电阻R向电容C充电，电容上的充电电压就是输出电压Vo。
Vo的电压按积分规律变化，积分时间由RC常数决定。
图1.5-b中是微分电路，输入电压Vi通过电容C向电阻R放电，电阻上的放电电压就是输出电压Vo。
Vo的电压按微分规律变化，微分时间由RC常数决定。
1.3.3电感器及其应用
1电感的定义
用金属导线绕制的，在金属导线通过电流时，在其周围会产生磁场的装置。
电感一般用L来表示，单位是亨利H，常用毫亨mH=10-3H，微亨μH=10-6H。
Φ
L=
I
Φ自感磁通量，单位为韦佰
I电流单位为安培
2电感的基本技术要求
容量单位为亨利，毫亨mH=10-3H，微亨μH=10-6H。
0.2—0.5%、±
10--15%等
电流根据产品的要求
3电感的分类
固定电感具有固定电感值的
可变电感电感容量可以通过调节而改变的
4电感的容量标记
直接标记法在小电感上直接印刷电感的容量，一般的电感没有容量标记
5电感的结构
立式、贴片式两种，以及根据需要而制造的具有各种形状的。
6电感的应用
在电路中，电感起到提供直流通道.隔断交流通道的作用。
在交流整流电路里的应用
在交流电源供电系统中，大多数采用工频交流电供电，需要使用变压器改变交流电压，变压器就是一种电感元件。
交流电经过变压、整流、滤波、稳压后才能向系统提供直流电源。
可以由两种类型的稳压电路提供所需的电压。
一种是普通线性电源，它由变压器、整流器、低通滤波器、稳压器等部件组成，结构简单，成本较低，稳压精度能满足一般要求，缺点是体积较大，发热较严重。
另一种是开关电源，它按照脉宽调制式（PWM）原理工作，体积小巧，稳定性好，稳压精度高，但成本较高，且设计技术与制造技术复杂。
单片机系统电源要具有足够的功率，以免满负荷或超负荷运行时发热严重，造成电压不稳定，要加强抗干扰设计，电源是干扰信号进入单片机的主要途径之一，电源变压器应有良好的屏蔽，必要时可以在电源入口处设置交流稳压器和交流电源滤波器，分布式电抗器等，以提高稳压和小波效果。
另外，单片机系统主要使用+5V直流电压，但有些器件（如A/D转换器、多路开关、放大器，及各种小型、微型继电器等）要求提供其它数值的电压，有时还要求使用隔离电源，设计中应统一考虑。
首先要计算应用系统的直流电源负载。
在系统中，CMOS材料的CPU芯片电流在20mA以下，此外，外围接口电路也要消耗电流，而更多的是显示器的电流。
若用LED显示，以每笔10mA计，一个字在70mA左右，所以在电源设计时，先计算所有的直流电流，设一个系统的直流电流为300mA，电压为5V，则功率为1.5W。
考虑到变压器的工作效率为70%左右，三端稳压管的压降为2V以上，变压器的次级电压应在10～12V，变压器的功率在2～2.5W。
图1.6220V交流电供电电源
图1.6所示，是一个典型的220V交流电变换成直流的供电电路，为了提高电源的可靠性，要求初级和次级之间加一个屏蔽层，D1～D4为桥式电流二极管。
C1、C3为电解电容作为滤波用，C2、C4为抗干扰的子电容，容量在0.01μF左右，三端稳压管为7805，根据功率的大小，应配以适当的散热器。
应该在电流大的芯片附近增加滤波用的电解电容，以稳定电压，对一些要求有较高的稳定电压地地方，如A/D转换，检测电路，应再设计一个基准稳压电源，选基准稳压集成电路以提高应用系统的可靠性和精确度。
在电路板（PCB）的设计过程中，更要充分考虑发热元件的散热问题，要考虑电源线的粗细、走向和屏蔽等问题。
将交流电转变成直流电的过程称为整流。
整流一般用整流器来完成。
整流器的种类很多，真空二极管整流器、机械整流器、半导体整流器等等，目前用半导体二极管构成的整流器已得到广泛的应用。
1.3.4半导体二极管及其应用
半导体二极管一般由一个P-N结构成。
将P-N结的P区和N区分别用导线引出，外面再装上管壳，就可以构成一个半导体二极管了。
其中P区引出极是二极管的正极（也是阳极），N区引出极是负极（也是阴极）。
半导体二极管的种类很多，图1.7是常见的几种半导体二极管的外形，其中（a）是玻璃封装型，（b）是塑料封装型，（c）是陶瓷环氧树脂封装型，（d）是金属封装型。
a
bcd
图1.7二极管的符号
半导体二极管的基本作用是单向导通。
2.5半导体三极管及其应用
半导体三极管又叫晶体三极管，通常简称晶体管，它是电子器件中最基本的元件之一。
1．在模拟电路里的应用
在模拟电路里，半导体三极管主要用于放大电流、电压信号，有直流和交流信号二种。
是工作在半导体三极管的线性放大区域，是线性的应用，在测量电路和音频放大电路里得到了广泛的应用。
2．在数字电路里的应用
在数字电路里，主要有0和1两个逻辑值，是应用半导体三极管的饱和区和截止区的工作特性。
如图1.8所示。
Ec
Rc
RbbcVo
Vb
e
图1.8半导体三极管在数字电路中的应用
在图1.8中，三极管的基极在Vb的作用下，使基极的电流大到引起集电极电流达到饱和状态，三极管就进入饱和工作区，三极管的集电极输出电压Vo接近0V，相当于逻辑0信号。
当三极管的基极没有电压作用时，集电极电流等于零，三极管就进入截止区，三极管的集电极输出电压Vo接近Ec的电压，相当于逻辑1信号。
因此，通过控制三极管的基极电压Vb，使Vb=0V或Vb=5V，就可以控制集电极的输出电压Vo为0或为1，Vb的电压逻辑值与Vo的电压逻辑值成逻辑”非”的关系，一个三极管与几个电阻就构成了一个非门电路。
1．3．6显示器及其应用
显示器是信息输出的重要接口，目前常用的有LED显示器和LCD显示器两大类，显示的方式有静态显示和动态显示两种。
1LED显示器
LED数码管是由发光二极管组成并封装在一个标准的外壳中，有8字形和米字形之分，各有共阳极和共阴极两种。
如图1.9所示为8字形共阳极和共阴极两种连接方式。
gfcomab
fb
g
ec
dh
abghcom
…………
comabgh
Vc
edcomch共阴极共阳极
LED数码外形
图1.9LED数码管的结构
LED数码管的发光二极管负极连接在一起接地（COM端）的称为共阴极，LED数码管的发光二极管正极连接在一起接到+VC端的称为共阳极。
两种形式的LED数码管的外形及管脚排列相同。
图1.10所示为米字形LED数码管外形和共阴极，共阳极接法。
abhdpabhdp
fjb
ik…………
eghc
lm
d+5V
图1.10米字形LED数码管的结构
LED显示器显示接口有静态和动态两种。
静态显示接口中一个接口驱动器件驱动一个显示器，常用的LED静态驱动接口器件特性见表1.1。
在静态显示时，单片机把数据写入接口驱动电路后，驱动电路能够锁存数据并使显示器显示输入的值，因此，接口驱动电路应该有锁存数据的功能，表中的TTL电路和CMOS电路中的CD14547均无锁存功能，电路设计中应增加锁存功能。
其它器件均有锁存功能。
所有器件均为BCD码，输出均不能驱动小数点。
表1.1LED静态显示接口器件
型号
电路类型
输出部分
输入部分
备注
结构
电流（Ma）
字型
码制
锁存功能
灯灭功能
灯测试
CD4511
CMOS
复合结构
IH=25
共阴0~9
BCD
有
可直接驱动共阴LED的段
CD14547
IH=10
A~F
无
MC4495
IH=65
CD14513
反相器
IL=1.3
IH=0.5
驱动LED但无直接驱动
CD14543
CD14544
异或门
可驱动LED、LCD无力直接驱动LED
74LS74
74LS274
TTL
OC
IL=24
可直接驱动共阳LED，接上拉电阻后可驱动共阴LED
74LS48
74LS248
IL=6
74LS249
IL=8
CD14513，CD14543和CD14544在驱动共阴极LED时，可直接显示相应的数字。
CD14543和CD14544的输出为异或门结构的，因此还可以驱动LCD液晶显示器。
根据上述各种器件的特点，在静态显示时，驱动共阴极LED，一般选用CD4511、CD4513或CD14495；
驱动共阳极LED，可选用74LS74或74LS274，驱动LCD可选用CD14543或CD14544。
CD4511是BCD码-7段译码/锁存/驱动器。
CD4511从D，C，B，A输入待显示的BCD码，当LE=0时输入数据，当LE=1是数据锁存。
数据输入后立即在引脚A～G端输出用于驱动共阴极LED显示器的字段的信号。
当LT=0是，进行等测试，使LED显示器显示“8”。
当BI=0时，显示器消隐显示，即显示器“暗”。
2LCD液晶显示接口
液晶显示器具有工作电压低、功耗少、寿命长、可以显示各种复杂的文字和图形曲线，在各种单片机应用系统中有广泛的使用。
液晶显示器有字段型、字符型、点阵图形型，在使用时，有的液晶显示器内部有控制器，使用比较方便。
字段型液晶显示器有六段、七段、八段等多种，七段是常用的一种。
字符型液晶显示器有5×
8、5×
11点阵，单片机与字符型LCD显示器件的连接有直接访问和间接访问。
点阵图形型液晶显示器内部都有控制器，各种类型的点阵图形液晶显示器的控制器使用要求不同，指令各异，但基本控制方式相同，一般点阵图形型液晶显示器都有一个对外的接口，了解了接口引脚的定义和使用条件，可以应用单片机的数据总线或P1口对点阵图形型液晶显示器件进行控制。
字段型LCD以七段显示为常见，用于显示0～9十个数字及少量字符，在单片机应用
中需要专用的液晶显示译码驱动器才能工作。
常用的字段型液晶显示驱动器有CD4543、ICL71O6、ICL7116、ICL7126、ICL7136和ICM7211、ICM7211A、ICM7211M、ICM7211AMD等。
液晶显示部分
字段型显示器采用通用三位半字段式芯片，它的具体尺寸和显示信息见图1.11所示。
50.8引脚
标记块
1.271.27
显示区
48.2
图中尺寸单位为mm
图1.11字段型液晶显示器尺寸图
字段型液晶显示器的显示字段分布见表1.2。
表1.2字段计液晶显示器显示字段分布
PIN
3
4
6
7
8
9
SEG
COM
H
K
--
L
1E
1D
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1C
M
2E
2D
2C
N
3E
3D
3C
3B
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
3A
3F
2B
2A
2F
2G
COL
1B
1A
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
1F
1G
LOBAT
V
该液晶显示器共40个引脚，有三位半数字可以显示，可以显示000到1999的数字，有十、一号显示，有三个可以选择的小数点位置，通过程序来决定小数点的位置表示数的大小，还有LOBAT字符和时钟符号”:
”,它的显示有动态和静态二种方式。
CD4543是液晶显示器的驱动接口电路，具有BCD七段锁存、译码、驱动的功能。
CD4543电路的引脚排列和真值表如图1.127。
116
215
314
413
512
611
710
89
LDVcc
Cf
BI
LD
DCBA
显示
1
X
0～9
A～F
X
无显示
0～9
不变
Bg
De
Ad
PHc
BIb
Vssa
图1.12CD4543电路引脚、真值表
当CD4543的锁存端LD=1时，锁存器的输出数据a～g随着输入端的输入值D～A的变化而变化，当LD=0时，锁存器保存最后变化的值，并不再接受新的数据。
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