《传感器技术检测》课程设计指导方案
课程设计概述
设计目的 本课程设计旨在综合运用《传感器技术检测》课程所学的理论知识，通过一个完整的实际项目,使学生：
（图片来源网络，侵删）
- 巩固理论： 深入理解常用传感器（如温度、湿度、光照、压力、气体等）的工作原理、特性参数和选型方法。
- 掌握技能： 熟练掌握传感器信号调理电路（放大、滤波、A/D转换）的设计与搭建。
- 提升实践： 熟练使用单片机（如Arduino、STM32）或嵌入式系统作为核心控制器，进行数据采集、处理与显示。
- 培养能力： 培养发现问题、分析问题和解决问题的能力，以及系统设计、文档撰写和团队协作能力。
设计任务 设计并制作一个基于单片机的多参数环境监测系统，该系统能够实时采集环境中的温度、湿度、光照强度等关键参数，并将数据通过LCD显示屏进行本地显示，同时具备数据记录、超限报警或无线上传（可选）等功能。
基本要求
- 数据采集： 至少完成三种不同类型的传感器数据采集（如：DHT11温湿度、光敏电阻、BH1750光照强度）。
- 数据处理： 将传感器输出的模拟或数字信号进行调理和转换,得到准确的物理量数值。
- 数据显示： 使用LCD1602或OLED显示屏，实时、清晰地显示各传感器的测量值和单位。
- 系统稳定： 系统运行稳定，数据刷新率合理（如每秒更新一次）。
拓展要求（选做，用于提高分数）
- 数据记录： 将采集的数据保存到SD卡中,形成数据日志文件。
- 超限报警： 当某个参数超过预设阈值时,通过蜂鸣器或LED进行声光报警。
- 无线传输： 将数据通过蓝牙或Wi-Fi模块（如ESP8266）上传到手机APP或云平台（如阿里云、ThingsBoard）。
- 智能控制： 根据传感器数据，实现简单的自动控制（如：光照暗时自动点亮LED）。
设计内容与步骤
第一阶段：方案论证与方案设计 (1-2天)
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需求分析：
- 明确系统需要监测哪些物理量。
- 确定各物理量的量程和精度要求（温度0-50℃，精度±2℃）。
- 确定显示方式、报警方式等。
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传感器选型：
- 温度传感器： DHT11（数字，低成本）、DS18B20（数字，高精度）、NTC热敏电阻（模拟，需分压）。
- 湿度传感器： DHT11（集成在温湿度模块中）、土壤湿度传感器（模拟）。
- 光照传感器： 光敏电阻（模拟，需分压）、BH1750（数字，I2C接口）。
- 其他可选： MQ系列气体传感器、压力传感器（BMP280）、红外避障传感器等。
- 选型依据： 根据精度、成本、接口方式（数字/模拟）、易用性进行选择。
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系统方案设计：
- 总体架构： 传感器 -> 信号调理 -> 微控制器 -> 显示/报警/存储。
- 核心控制器选择：
- Arduino Uno/Nano： 适合初学者，资源丰富，编程简单,社区支持强大。
- STM32F103C8T6（“蓝丸”）： 适合进阶，性能更强,工业级应用广泛。
- ESP8266/ESP32： 如果需要Wi-Fi/蓝牙功能,首选。
- 绘制系统框图： 清晰地展示各模块之间的关系。
第二阶段：硬件设计与制作 (2-3天)
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电路原理图设计：
- 使用 Altium Designer、KiCad 或在线工具 EasyEDA 绘制原理图。
- 关键部分：
- 传感器接口电路： 模拟传感器需设计分压电路（光敏电阻+固定电阻）；数字传感器需连接好VCC、GND、DATA/SCL/SDA引脚。
- 单片机最小系统： 包括电源、晶振、复位电路。
- 显示模块接口： 连接LCD1602的RS, RW, E, D4-D7引脚（4位模式）。
- 报警模块接口： 连接蜂鸣器和LED（注意加限流电阻）。
- （可选）SD卡模块、无线模块接口。
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PCB设计与制作：
- 在原理图的基础上，进行 PCB布局布线。
- 布局原则： 按照信号流向，将功能模块分区放置；注意强弱电分离；发热元件和敏感元件合理布局。
- 布线原则： 电源线要粗；高频信号线要短；避免平行走线,减少干扰。
- 制作方式： 可以使用热转印法自制PCB,或委托专业厂家打样。
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硬件焊接与组装：
- 按照PCB或洞洞板，将所有电子元器件（单片机、传感器、显示屏、电阻、电容等）焊接到位。
- 焊接要点： 焊点要光滑、饱满，无虚焊、短路，注意元器件的极性（如电解电容、LED、二极管）。
- 将焊接好的核心板、传感器、显示屏等模块用杜邦线或固定支架组装成一个整体。
第三阶段：软件编程与调试 (3-4天)
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开发环境搭建：
- Arduino： 安装 Arduino IDE,配置好开发板和端口。
- STM32： 安装 Keil MDK 或 STM32CubeIDE,配置好芯片支持包。
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模块化编程：
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驱动程序编写： 为每个模块（传感器、LCD、蜂鸣器等）编写独立的驱动函数库，这是良好的编程习惯,便于移植和维护。
void DHT11_ReadData(float *temp, float *hum);void LCD_Init(); void LCD_PrintString(char *str);void Buzzer_On(); void Buzzer_Off();
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主程序流程：
void setup() { // 初始化串口、引脚、LCD、传感器等 } void loop() { // 1. 读取所有传感器数据 read_all_sensors(); // 2. 数据处理（如滤波、单位转换） process_data(); // 3. 更新LCD显示 update_display(); // 4. 检查是否超限，触发报警 check_alarm(); // 5. （可选）写入SD卡或发送数据 log_data(); // 延时一段时间 delay(1000); }
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联调与排错：
- 分模块调试： 先单独调试每个传感器模块,确保其能输出正确数据。
- 整体联调： 将所有模块组合起来,调试数据流和控制逻辑。
- 常见问题排查：
- 传感器无读数： 检查接线（VCC, GND, DATA）、供电电压、传感器是否损坏。
- 数据乱跳： 检查模拟传感器分压电路的参考电压是否稳定；检查数字传感器的上拉电阻；检查电源是否纯净,加滤波电容。
- LCD显示异常： 检查对比度电位器；检查初始化序列是否正确；检查引脚连接。
- 程序跑飞/死机： 检查电源电流是否足够；检查晶振电路；检查代码中是否有无限循环或阻塞操作。
第四阶段：系统测试与性能分析 (1天)
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功能测试：
- 逐项验证所有基本要求和拓展要求是否实现。
- 测试报警阈值设置是否有效。
- 测试数据记录是否完整、正确。
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性能测试：
- 精度测试： 将系统测量值与高精度仪器（如高精度温湿度计、照度计）的测量值进行对比,计算误差。
- 稳定性测试： 让系统连续运行数小时，观察是否存在数据漂移、死机等现象。
- 响应时间测试： 从环境参数发生变化到系统
