单片机控制系统传感器应用实战：温度、湿度、光照检测

# 1. 单片机控制系统概述**

单片机控制系统是一种以单片机为核心的嵌入式系统，主要用于控制和管理各种设备和系统。它具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等优点，广泛应用于工业自动化、医疗设备、智能家居等领域。

单片机控制系统主要由单片机、传感器、执行器和外围电路组成。单片机负责系统的控制和处理，传感器负责采集环境信息，执行器负责执行控制命令，外围电路负责提供必要的电源和接口。

# 2. 传感器基础与应用

传感器是单片机控制系统中不可或缺的组成部分，它将物理量转换成电信号，为单片机提供控制决策依据。本章节将介绍传感器类型、原理、接口和数据采集等基础知识，为后续的单片机控制系统设计奠定基础。

### 2.1 传感器类型与原理

传感器种类繁多，根据其测量对象和原理，可分为以下几类：

#### 2.1.1 温度传感器

温度传感器用于测量温度，常见类型有：

- **热敏电阻（NTC/PTC）：**电阻值随温度变化而改变。
- **热电偶：**两种不同金属接合处产生温差电势。
- **二极管：**二极管的正向压降随温度变化。

#### 2.1.2 湿度传感器

湿度传感器用于测量空气中的湿度，常见类型有：

- **电容式：**电容值随湿度变化。
- **电阻式：**电阻值随湿度变化。
- **光学式：**光反射率随湿度变化。

#### 2.1.3 光照传感器

光照传感器用于测量光照强度，常见类型有：

- **光敏电阻（LDR）：**电阻值随光照强度变化。
- **光电二极管（PD）：**产生光电流随光照强度变化。
- **光电晶体管（PT）：**产生光电流随光照强度变化。

### 2.2 传感器接口与数据采集

传感器与单片机的连接方式主要有模拟接口和数字接口两种：

- **模拟接口：**传感器输出模拟信号，通过模数转换器（ADC）转换成数字信号。
- **数字接口：**传感器输出数字信号，直接与单片机的数字输入/输出（I/O）端口连接。

数据采集过程包括以下步骤：

1. **信号调理：**对传感器输出信号进行放大、滤波等处理，使其符合单片机ADC的输入范围。
2. **模数转换：**将模拟信号转换成数字信号。
3. **数据存储：**将转换后的数字信号存储在单片机的寄存器或内存中。

**代码块：**

// ADC初始化
void ADC_Init() {
    // 设置ADC时钟源
    ADCSRA |= (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0); // 分频因子为 128
    // 启用ADC
    ADCSRA |= (1 << ADEN);
}

// ADC数据采集
uint16_t ADC_Read(uint8_t channel) {
    // 设置ADC通道
    ADMUX = (ADMUX & 0xF0) | channel;
    // 启动ADC转换
    ADCSRA |= (1 << ADSC);
    // 等待转换完成
    while (!(ADCSRA & (1 << ADIF)));
    // 清除ADC中断标志位
    ADCSRA |= (1 << ADIF);
    // 返回转换结果
    return ADC;
}

**逻辑分析：**

- `ADC_Init()`函数初始化ADC，设置时钟源和使能ADC。
- `ADC_Read()`函数读取指定通道的ADC数据，设置通道、启动转换、等待转换完成并返回转换结果。

# 3.1 硬件架构与选型

#### 3.1.1 单片机选择

单片机是单片机控制系统中的核心器件，其选择至关重要。选择单片机时，需要考虑以下因素：

* **性能：**单片机的性能主要由其时钟频率、存储空间和指令集决定。对于单片机控制系统，需要选择时钟频率较高、存储空间足够、指令集丰富的单片机。
* **外设资源：**单片机的外设资源包括定时器、计数器、ADC、DAC等。这些外设资