传感器认知实验讲义.docx

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传感器认知实验讲义

实验7传感器认知

一．实验目的

1、了解传感器的分类。

2、通过传感器的外形能够认知传感器。

3、熟悉ARDUINO单片机。

4、熟悉利用单片机调试工具驱动不同类型传感器。

二．实验原理

敏感元器件又称传感器。

传感器是一种检测装置，它能够感受到被测的信息，并且能够将感受到的信息按一定规律变换成电信号或其它所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测、自动控制的首要环节。

传感器的种类繁多，大致分为光敏、热敏、磁敏、湿敏、力敏等等。

光敏元件：

光敏元件是基于半导体光电效应而制成的器件，又称光电敏感器。

采用光电技术能实现对微弱光信号的无接触、远距离、快速、精确测量。

半导体光敏元件按照光敏机理不同可以分为光导型和光生伏特型。

光导型即光敏电阻是一种半导体均质结构；光生伏特型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。

半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、光照伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等。

半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通讯、计算技术、摄像夜视、遥感制导、机器人、质量检查、安全报警、以及其它测量和控制装置。

LED：

LED又称为发光二极管。

LED是英文LightEmittingDiode的缩写，它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏压和注入电流下，注入P区的电子和注入N区的空穴，在扩散至有源区后，经过辐射复合而发出光子，将电能直接转换成光能。

它是一种固态冷光源，具有环保、无污染、耗电少、效率高、寿命长等特点。

现时的产品有LED路灯、LED射灯、LED指示器、LED显示屏等。

LED所发射的有可见光和红外光，前者有红、黄、蓝多种颜色（可以通过改变构成半导体材料的各种元素比例大小来获取），后者通常采用禁带宽度较大的砷化镓材料制作。

霍尔磁力传感器：

霍尔元件是利用半导体材料的霍尔效应制成的专门用来探测或测量磁场强度大小的基础元件。

霍尔效应简述如下：

在一块半导体矩形薄晶片的长边上加上一纵向直流电压，在垂直于其表面的方向上加上一个磁场，那么在矩形晶片的短边方向上就会产生一横向的电压，此效应称为霍尔效应。

如果假设长边方向上的电流密度为

与表面垂直方向的磁场为

横向（短边方向）的电场为

半导体材料的霍尔系数为

那么

霍尔效应可以用公式表述为

，可见，在纵向电流和霍尔系数一定的情况下，横向电场的大小与垂直磁场的大小成正比，只要测量霍尔电势（与横向电场成正比），就可以知道垂直磁场的大小。

温度传感器：

温度传感器就是利用物质随温度变化特性的规律，把温度转换为电量的传感器。

温度传感器的基础元件可以是热敏电阻、热电偶，也可以是PN结（利用其V-A特性对温度很敏感这一特点）。

目前用的较多的是1.1节所述PTC热敏电阻和NTC热敏电阻。

图3.2给出了这两种热敏电阻的阻温特性。

其中上图（a）表示正温度系数PTC（PositiveTemperatureCoefficient）热敏电阻的温度特性。

可以看出，随着温度的升高在居里点附近电阻值有一个阶跃式的跳升。

PTC电阻的这一特性已经被用作电路的过电流保护、马达的过热保护等；上图（b）是负温度系数热敏电阻NTC（NegativeTemperatureCoefficient）d的阻温特性。

图中三条曲线分别对应于不同的热敏指数B（常数）值，它们的共同特点是随着温度的升高，电阻值急剧下降。

热敏指数B有下列表达式

式7-1

式中，

是绝对温度

时刻的电阻值，

是绝对温度T时刻的电阻值。

利用NTC阻温曲线，对于某一B值的材料，我们可以通过测量其电阻阻值来确定相应的温度。

因此，NTC电阻的阻温特性可以用来检测和控制温度。

湿度传感器：

人类的生存和社会活动与湿度密切相关,随着现代化的实现很难找出一个与湿度无关的领域来。

由于应用领域不同，对湿度传感器的要求也不同。

从制造角度考虑，同是传感器，材料、结构不同、工艺不同，其性能和技术指标有很大差异。

在当今信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密地结合着。

测量湿度的目的就是为了控制湿度。

选择湿度传感器，首先是要选择测量范围。

除了气象、科研部门外，搞温湿度测控的一般不需要全湿程（0~100%RH）测量。

对于不需要搞测控的使用者来说，直接选用通用型湿度仪就可以了。

力敏传感器：

力敏传感器是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器。

常用材料有半导体、金属及合成材料。

常用的主要是硅压阻式力敏传感器和电容式力敏传感器。

硅压力传感器优点是灵敏度好、精度高，缺点是受温度影响大。

继电器：

继电器是一种利用输入回路中电流在电磁铁和衔铁之间的作用力而工作的电气设备，也就是利用小电流去控制大电流通断的一种器件。

主要用于控制主电路回路的通断。

其主要参数有：

线圈温升、电气寿命、接触电阻。

压敏电阻：

压敏电阻是以氧化锌为主要原料，添加其他金属氧化物，以经典的电子陶瓷工艺制造而成的电压敏感元件。

因为其特有的非线性V-I特性（伏安特性）及通流能力大、限制电压低、响应速度快等特点，在电路保护领域得到了广泛应用。

压敏电阻与被保护的电路或元器件并联，当被保护电路两端没有浪涌电压出现时，它工作在高阻状态，阻值约为

，不影响被保护电路正常运行。

当被保护电路两端出现浪涌电压时，压敏电阻以纳秒级的响应速度极快地转为低阻导通状态，使得被保护电路两端的电压迅速降低，电路得到保护。

一个标称为7K471的压敏电阻，其含义为：

7表示压敏电阻片直径为7mm，471表示压敏电压的值为47*10=470V，K表示压敏电阻的误差为10%。

三．实验内容

1、认知单片机

图7-1ArduinoUNO单片机

Arduino是2005年1月由米兰交互设计学院的两位教师DavidCuartielles和MassimoBanzi联合创建，是一块基于开放原始代码的SimpleI/O平台，该平台由两部分组成：

硬件（包括微处理器、电路板等）和软件（编程接口和语言）。

平台的两部分都是开源的，如果需要，可以下载Arduino的图表、购买需要的所有独立部件、切割电路板并制作出一个新的电路板。

Arduino具有类似Java、C语言的开发环境，可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing等软件完成互动作品。

Arduino还能够使用开发完成的电子元件，如Switch、Sensors或其他控制器、LED、步进电机或其它输入/输出装置，同时，Arduino也可以成为独立与软件沟通的平台，如Flash、Processing、Max/MSP或其它互动软件。

Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。

Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。

因为Arduino的种种优势，越来越多的专业硬件开发者已经或开始使用Arduino来开发他们的项目、产品；越来越多的软件开发者使用Arduino进入硬件、物联网等开发领域。

Arduino有着如此优秀的硬件配置和开放的软件平台，其应用已经覆盖了很多方面。

图7-2ArduinoUNO结构模型

（1）数字接口：

ArduinoUNO有14路数字输入输出接口，工作电压为5V，每一路接口所能输出和接入的最大电流为40mA。

每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接）。

除此之外，有些引脚有特定的功能：

①串口信号RX（0号）、TX（1号）：

与内部ATmega8U2USB-to-TTL芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。

②外部中断（2号和3号）：

用于触发中断引脚，可以设置成上升沿触发、下降沿触发或同时触发。

③脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：

提供6路8位PWM输出。

④SPI（10（SS），11（MOSI），12（MISO），13（SCK））：

SPI通信接口。

⑤LED（13号）：

Arduino单片机中，它是一个专门用于测试LED的接口，当输出电平为高时点亮LED灯，当输出为低电平时LED灯熄灭。

（2）模拟接口：

ArduinoUNO还有着6路模拟接口输入A0到A5，每一路接口都具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认的输入信号范围为0到5V，可以通过AREF调整输入上限。

除此之外，有些引脚有特定功能：

①TWI接口（SDAA4和SCLA5）：

支持通信接口（兼容I2C总线）。

②IOREF：

模拟输入信号的参考电压。

③Reset：

信号为低时复位Arduino单片机芯片。

2、认知LED灯、激光发射传感器

图7-3七彩LED灯图7-4激光传感器

七彩LED灯：

通电之后能自动闪烁其中颜色。

使用数字引脚直接连接，可控制其亮灭。

激光传感器：

激光传感器通过S端来开启，可以发射持续的激光，也可以发射脉冲波。

可用于玩具激光枪，或者激光测距等各种用途。

3、认知温、湿度传感器

图7-5温湿度传感器

AM2302湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

标准单总线接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为3引线（单总线接口）连接方便。

特殊封装形式可根据用户需求而提供。

通常应用在暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、家电、湿度调节器、医疗、气象站、及其他相关湿度检测控制等。

4、认知光敏、光折断传感器

图7-6光敏传感器图7-7光折断传感器

光敏传感器：

光敏传感器实质是一个光敏电阻，根据光的照射强度会改变其自身的阻值。

将光敏电阻的S端接在一个模拟输入口，光强的变化会改变阻值，从而改变S端的输出电压。

将S端的电压读出，使用串口输出到计算机显示结果。

因为AVR是10位的采样精度，输出值从0~1023.当光照强烈的时候，值减小，光照减弱的时候，值增加。

完全遮挡光线，值最大

光折断传感器：

当没有遮挡的时候，发射的光线直接到红外接收处被吸收，此时有信号输出。

如果有遮挡则无信号输出。

广泛用于测速。

5、认知震动传感器　

图7-7震动传感器

震动传感器：

震动模块和数字13接口自带LED搭建简单电路，制作震动闪光器。

利用数字13接口自带的LED，将震动传感器接入数字3接口，当震动传感器感测到有震动信号时，LED闪烁发光。

6认知继电器

图7-8继电器

继电器：

继电器适合驱动大功率的电器，如电灯、电风扇甚至空调。

单片机接继电器可以实现弱电控制强电。

7、认知1602LCD显示屏

图7-9Arduino与1602LCD的四线法连接

1602LCD在应用中非常广泛，其主要技术参数如下：

①显示容量为16×2个字符；

②芯片的工作电压为4.5～5.5V；

③芯片的工作电流为2.0mA（5.0V）；

④显示屏的最佳工作电压为5.0V；

⑤显示出的字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

8、认知360度舵机

智能晾衣架的动力部分主要来自于360度连续旋转舵机，这是一种能与Arduino很方便结合起来的动力设备，其实物图如图7-9。

图7-10360度舵机实物图

春天SM-S4303R型360度机器人舵机，该舵机重量44g，工作扭矩达到3.3~5.1kg，，工作电流为100mA，工作电压为4.8~6.0V，可以在-30摄氏度到60摄氏度条件下正常使用。

该舵机为金属铜齿，无扫齿，具有扭力大、转速快、声音小的优良特点，且价格相对低廉，满足设计需求。

9、认知超声波测距传感器

图7-11超声波测距传感器

超声波测距传感器：

检测距离：

5CM-5M

分辨率：

5MM

数字电平信号，可直接接单片机，无需任何辅助电路，也无需单片机产生任何信号辅助，距离和模块输出信号脉冲长度成正比。

板上接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、out（空脚）、GND、OUT脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚！

超声波测距传感器工作原理：

（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波

从发射到返回的时间．

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;

超声波传感器使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。

10、了解Arduino的程序编译

要与Arduino单片机硬件进行互动，需要安装对应的编译软件，如图2-3所示为软件的界面。

该软件顶部的几个按钮可以控制基本任务，如编译、创建和保存文件、将程序代码烧写到Arduino单片机中、打开或关闭串口监视器（用于方便观察程序中变量的值）。

软件界面中间的窗格为代码编译空间，底部的窗格会显示控制台输出、编译错误和序列信息，根据这些信息可以进行程序的调试和校对。

图7-10Arduino编译软件界面

Arduino的编程语言，它基于C/C++，但不同的是，其标准程序入口main（）函数在软件的内部已经被定义，所以Arduino编程的过程中是不用编写main（）函数的，而只需要编写setup（）函数和loop（）函数。

当Arduino单片机开始启动时，setup（）函数会被调用，此函数可以被用来定义变量，初始化变量，定义引脚模式，以及开始调用某个函数库等。

每当Arduino板被重置时，就运行一次setup（）函数，并且，在一个Arduino的程序代码中，setup（）函数的存在都是必需的，即便定义该函数为空函数；

在setup（）函数编写后，函数初始化，变量取初始值，然后loop（）函数开始发挥作用，恰如其名，连续循环直至Arduino断开电源，或因某个重要事件的发生使其在时间和空间上产生了断层，类似C语言中的break语句效果。

此函数允许程序改变变量值、状态以及响应事件等，通过对loop（）函数的编写即能实现对Arduino单片机的实时控制。

而且，和setup（）函数一样，loop（）函数的存在也是必需的，即使该函数为空函数也不能不予定义。

当然，在Arduino驱动程序的编写过程中，也是可以自定义函数、自定义指针数组或添加注释的，这些都和C/C++的编写类似，自由度同样较高。

11传感器综合应用训练模块

11.1手持式超声测距仪

图7-11超声测距仪设计流程图

图7-12超声波测距仪实物图

11.2温湿光传感智能传动（晾衣架）

图7-13智能晾衣架逻辑结构图

图7-14晾衣架收缩时的状态

图7-15晾衣架伸出后的状态

四．思考题

1、思考不同类型的传感器是如何构成的？

2、思考不同类型的传感器是如何工作的？

3、思考单片机是如何驱动传感器？

4、思考如何利用不同的传感器组合成智能家居产品？