传感器原理及应用

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1、第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料课题一 车辆里程表 要求1、显示车速2、显示里程，并具有存储功能第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料无线传感器网络节点的实现 要求1、该系统由上位机（PC机）、下位机、传 感器模块、无线通讯模块、电源模块、显 示模块及数据存储模块组成。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料一、霍尔传感器 第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料霍尔传感器是利用霍尔效应实现 磁电转换 的 一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳 定性高、体积小和耐高温等特点。对测 速装置 的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测 时间 。 通过检测车轮转过 的转数乘上车轮 的周长来 计算路程，霍

2、尔元件就是一种很好的可用于检 测车轮转 数的元件。在普通转盘计 数的仪表中加装霍尔元件和磁 铁，即可构成基于磁电转换 技术的传感器。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料接线图第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料注意事项：1、霍尔电流传感器本身已经存在滤波电 路，输出无须再加装滤波，可直接供单片 机的05V的 AD采集或比较器直接参与比 较，信号非常稳定，而且抗干扰能力也很 强，直接判断，编辑命令即可. 2、霍尔电流传感器反应速度一般在7 微妙，根本不用考虑单片机循环判断的时 间. 第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料二、超声波传感器原理及其应用第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料1.前言 超声

3、波传感器向空气中发射超声波，探测 来自某个物体的反射波。超声波传感器具 有多种用途，例如防盗报警系统、门自动 启闭装置、汽车倒车传感器以及各种电子 设备的遥控装置。 随着信息处理技术的迅猛发展，新的超声 波传感器应用领域，如工厂自动化设备和 汽车用电子设备，正在与日俱增，而且将 会不断地得到扩展。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料2.超声波的特性 超声波是一种人耳无法听到的、频率一般 超过20kHz的声音。几种声波的频率范围 ： 次声波：f20KHz第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料2.1波长与辐射 波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波 的传播速度是3108m/s，而声波在空气中的传

4、 播速度很慢，约为344m/s (20时)。在这种比 较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以 获得较高的距离和方向分辨率。 正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可 能在进行测量时获得很高的精确度。超声波设备 的外表面尺寸易于获得精确的辐射。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料2.2反射 要探测某个物体是否存在，超声波就能够 在该物体上得到反射。 金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等 可以反射近乎100的超声波，因此我们可 以很容易地发现这些物体。 而布、棉花、绒毛等可以吸收超声波，因 此很难利用超声波探测到它们。同时，由 于不规则反射，通常可能很难探测到表面 振动幅度很大的物体。第二届

5、广西大学生电子设计竞赛培训材料2.3温度效应 声波传播的速度“c”可以用下列公式表示 c=331.5+0.607t (m/s) 式中，t是当前环境温度 () 也就是说，声音传播速度随周围温度的变 化而有所不同。因此，要精确的测量与某 个物体之间的距离时，始终检查周围温度 是十分必要的。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料2.4 衰减 传播到空气中的超声波强度随距离的变化 成比例地减弱，这是因为衍射现象所导致 的在球形表面上的扩散损失，也是因为介 质吸收能量产生的吸收损失。 如图1所示，超声波的频率越高，衰减率就 越高，波的传播距离也就越短。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图1 声压在不同距

6、离上的衰减特性第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.结构与工作原理 当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的 变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷 时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由 两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成 的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电 信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反， 当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生 一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷 用作超声波传感器。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.1 开放型超声波传感器图2 开放型超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 该复合式振动器是谐振器以及，由

7、一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.2密封型超声波传感器图3 密封型超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.3高频超声波传感器图4 高频超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 对应用于工业机器人的

8、超声波传感器而言，要求其精确 度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射。利用常规 双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz 的情况下，是不可能达到此目的的。所以，在高频率探 测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种 情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重 要。压电陶瓷的声阻抗为2.6107kg/m2s，而空气的声 阻抗为4.3102kg/m2s。 5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量 损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层 ，可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声 波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常 工作。第二届广西大

9、学生电子设计竞赛培训材料 4.应用4.1 应用实例第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料1.连续波的信号电平检测用于计数器和近似开关，因为这些设备的 电路结构较为简单。 2.用于诸如环境变化较大的自动门等装置。只有在检测到一定数量 反射脉冲的情况下，该装置才会启动。同时，也用于测量与某个 物体之间的距离，例如汽车的倒车传感器。 3.利用一种多普勒效应的应用。该现象是某个物体靠近或离开时， 多普勒效应可产生一个可调制信号，这通常应用于防盗报警系统 。 4.是利用随气体密度不同而发生声音传播速度变化的应用。可以利 用多普勒效应，检测气体的流速和流量。 5.是一种用于统计相对于空气流量而产生的卡门涡流

10、数量的方法， 同时也是利用了一种现象，即当卡门涡流通过传感器时，超声信 号电平会降低。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料4.2发射与接收电路图5 连续波发送电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图6 前置放大器电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图7 超声脉冲发送电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料4.3距离测量应用 测量距离的工作原理，被称做“脉冲反射 法”，可以统计参考脉冲的数量。本方法 用于测量超声波发送脉冲和物体之间、接 收脉冲和物体之间的反射时间。对于距物 体L的距离与发射时间T之间的关系，用下 列公式表示：L=CT/2 式中，C为声音传播速度。 即，通过测量到达物体的反

11、射时间，可以 确定与物体之间的距离。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料5.安装48cm第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料单片机测距系统 1.发送超声波脉冲，脉冲宽度约为125 200 s，即在一个调制脉冲内包含58个 40 kHz的方波。 2.一般在发送后延时1ms才开始接收。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料三、红外线遥控系统以一块单片机为核心设计一个遥控器， 另一块单片机做接收系统，系统能被遥控 操作。 u设计任务 1设计一个红外线遥控发射器。 2设计一个红外线接收系统。 3接收系统能通过遥控的方式对步进电机、 指示灯、接口电路等进行操作。第二届广

12、西大学生电子设计竞赛培训材料 红外线遥控原理及应用一、红外线遥控原理1.概述红外线遥控系统分成发送端和接收端两个部 分。发送端经过红外线发光LED，发射波长为 940nm的红外线不可见光来传送信号，这些信号经过接收端的红外线接收模块接收进来，并对其 进行译码进而使控制器做出相应的动作，完成遥 控功能。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 2.系统组成原理通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成， 应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如 图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解 调、解码电路。 键盘编码调制信号放大LED光/电放大解调

13、解码控制器图1 红外线遥控系统框图红外线接收模块第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料红外线发射器的工作方块图如图2所示。当发射器 上某一按键被按下时，发射器上的控制芯片便进行编 码，产生一组代码，结合载波电路的载波信号（一般 用38KHz）组合成一个合成信号。该信号经功率放大 后供给红外线发射LED发射出去。单片机38KHz载波信号信号 放大红外线 发射 LED图2 红外线发射器的工作方块图与门单片机编程产生第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料接收部分的主要组件为红外线接收模块，其内部含有高频的滤波电路，专门用来过滤红外线合成信号 中的载波信号（即38KHz）而解调出发射器的控制信号。当红外线

14、合成信号进入接收模块后，在其输出端便可得到原先的数字控制编码，直接可以送到单片机 的I/O口，经单片机译码后，便可知道按下哪一个按键，而做出相应的控制处理，进而完成遥控的动作。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.遥控发射器及其编码 遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类，这里我 们以运用比较广泛，解码比较容易的脉冲宽度调制 来加以说明，现以LC7461组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有遥控码发出， 所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以 下特征： （1）基于专用芯片的遥控器第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料采用脉宽调制的串行

15、码，以脉宽为0.565ms、间隔 0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”； 以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的 组合表示二进制的“1” 。图3 “0”的定义0.565ms1.125ms0.565ms图4 “1”的定义0.565ms2.25ms1.685ms第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料上述“0”和“1”组成的42位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向 空间发射，7461产生的遥控编码是连续的42位二进制码组，其中前26位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，防

16、止不同机种遥控码互相干扰。后16位为8位的操作码和8位的操作反码用于核对数据是否接收准确。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时， LC7461芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个 特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9ms 的低电平,和一个4.5ms的高电平，这个同步码头 可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接 收数据。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现 “0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不 同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区 别“0”和“1”。如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以 后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可 靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如 果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（ 1.12ms+0.56ms