《传感器原理及应用》PPT课件.ppt

2008年7月,培训人：李显圣,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,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,一、霍尔传感器,2008年7月,培训人：李显圣,2008年7月,培训人：李显圣,接线图,2008年7月,培训人：李显圣,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.,2008年7月,培训人：李显圣,二、超声波传感器原理及其应用,2008年7月,培训人：李显圣,1.前言,超声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。,2008年7月,培训人：李显圣,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,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,图1 声压在不同距离上的衰减特性,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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,2008年7月,培训人：李显圣,该复合式振动器是谐振器以及，由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。,2008年7月,培训人：李显圣,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,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,3.3高频超声波传感器,图4 高频超声波传感器的构造,2008年7月,培训人：李显圣,对应用于工业机器人的超声波传感器而言，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。,2008年7月,培训人：李显圣,4.应用,4.1 应用实例,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,4.2发射与接收电路,图5 连续波发送电路,2008年7月,培训人：李显圣,图6 前置放大器电路,2008年7月,培训人：李显圣,图7 超声脉冲发送电路,2008年7月,培训人：李显圣,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射时间，可以确定与物体之间的距离。,2008年7月,培训人：李显圣,2008年7月,培训人：李显圣,5.安装,48cm,2008年7月,培训人：李显圣,单片机测距系统,1.发送超声波脉冲，脉冲宽度约为125200 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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。 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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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,解码,控制器,图1 红外线遥控系统框图,红外线接收模块,2008年7月,培训人：李显圣,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。,图2 红外线发射器的工作方块图,与门,单片机编程产生,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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,2008年7月,培训人：李显圣,采用脉宽调制的串行码，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,图4 “1”的定义,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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。,2008年7月,培训人：李显圣,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）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右即可。,根据红外编码的格式，程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。,2008年7月,培训人：李显圣,（2）基于单片机的遥控器,基于专用芯片的遥控器只适用于某一专用电器产品，应用范围受到限制。而采用单片机设计的遥控器具有编程灵活多样、操作码个数可随意设定等优点。图5所示即为基于单片机的遥控器原理框图。,单 片 机,电源,行列式键盘,发射电路,发射 指示灯,图5 基于单片机的遥控器原理框图,低功耗控制电路,2008年7月,培训人：李显圣,设计要点,单片机选型 单片机型号可以选用AT89C2051。该单片机具有宽工作电压范围：2.7V6V。是AT89C51的简化版。除了I/O口比AT89C51少P0和P2外其他资源都一样。选用该型号单片机主要看中其体积小（封装为DIP20）和宽电压范围。可以用两节1.5V的电池串联供电。,键盘 为节省端口资源，采用行列式键盘。为配合低功耗工作方式，设计为中断式行列式键盘。,2008年7月,培训人：李显圣,低功耗工作方式,因为遥控器大部分时间都处于空闲的状态，如不对其电源进行管理的话，将会造成电源的浪费。因此，可以结合键盘设置单片机为低功耗工作方式。即置IDL1（PCON.01），当没有按键按下时单片机处于低功耗状态；当有按键按下时通过中断唤醒单片机，使之退出低功耗状态，正常工作。这样遥控器的功耗将会很低。,红外发射和指示电路 遥控信息经调制后通过单片机的I/O口输出，再经三极管9014放大后再去驱动发射管。为使操作比较直观，加入操作指示灯，指示按键的操作情况。,2008年7月,培训人：李显圣,应用电路,图6 遥控器电路图,2008年7月,培训人：李显圣,程序设计,遥控器的编码采用脉冲数编码格式，即不同的脉冲个数代表不同的操作码，最少为两个脉冲。为使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms。码距1ms。,2008年7月,培训人：李显圣,流程图,调用初始化程序,调用键盘程序,进入低功耗工作方式,图8 初始化程序流程图,图9 主程序流程图,2008年7月,培训人：李显圣,装载发射脉冲个数,发3ms首脉冲,停发1ms码间距,发1ms脉冲,发射脉冲个数减1等于0？,停发1ms码间距,N,返回,Y,图10 发射程序流程图,2008年7月,培训人：李显圣,4接收器及解码,LT0038是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。,（1）接收器,应用电路,GND,VDD,OUT,1 2 3,Vcc,至I/O口,图6 红外线接收电路,100,100uF,2008年7月,培训人：李显圣,当红外接收器输出脉冲帧数据时(红外线接收器输出波形如图所示)。第1位码的下降沿触发中断程序，实时接收数据帧，并对第1位(起始位)码的码宽进行验证。若第1位低电平码的脉宽小于2mS，将作为错误帧处埋。当间隔位的高电平脉冲宽大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲数，执行相应的功能操作。,2008年7月,培训人：李显圣,首个低电脉宽2ms吗？,开始接收，并对脉冲个数加1,高电平脉宽1ms吗？,中断返回,Y,N,N,Y,开始,2008年7月,培训人：李显圣,编码发射程序： SEND: MOV R1 , A SEND0: MOV R0,#0FA AJMP SEND2 SEND1: MOV R0,#200 SEND2: SETB ET1 SETB TR1 NOP DJNZ R0 ,SEND2 MOV R0 , #100 SENDOUT: CLR TR1 CLR ET1 CLR P3.5 DJNZ R0,SENDOUT DJNZ R1,SEND1,CLR P3.0 LCALL DELAY500MS RET NOP NOP NOP LJMP START,2008年7月,培训人：李显圣,（2）解码,A. 把红外遥控器每一个按键的键值读出来，并且通过与P1口连接的8个LED显示出来，在解码成功的同时并且能发出“嘀嘀嘀”的提示音。 （使用现成的遥控器）,ORG 0000H AJMP MAIN;转入主程序 ORG 0003H ;外部中断P3.2脚INT0入口地址 AJMP INT ;转入外部中断服务子程序（解码程序） ;以下为主程序进行CPU中断方式设置 MAIN:SETB EA ;打开CPU总中断请求 SETB IT0 ;设定INT0的触发方式为脉冲负边沿触发 SETB EX0 ;打开INT0中断请求 ;以下对单片机的所有引脚进行初始化，全部设置成高电平 MOV P2,#11100111B AJMP $,2008年7月,培训人：李显圣,;以下为进入P3.2脚外部中断子程序，也就是解码程序 INT: CLR EA ;暂时关闭CPU的所有中断请求 MOV R6,#10 SB: ACALL YS1;调用882微秒延时子程序 JB P3.2,EXIT;延时882微秒后判断P3.2脚是否出现高电平如果有就退出 解码程序 DJNZ R6, SB;重复10次，目的是检测在8820微秒内如果出现高电平就 退出解码程序 ;以上完成对遥控信号的9000微秒的初始低电平信号的识别。 JNB P3.2, $ ;等待高电平避开9毫秒低电平引导脉冲 ACALL YS2 ;延时4.74毫秒避开4.5毫秒的结果码,MOV R7,#26;忽略前26位系统识别码,JJJJA:JNB P3.2,$;等待地址码第一位的高电平信号 LCALL YS1;高电平开始后用882微秒的时间尺去判断信号此时的高低电平状态 MOV C,P3.2;将P3.2引脚此时的电平状态0或1存入C中 JNC UUUA;如果为0就跳转到UUUA LCALL YS3;检测到高电平1的话延时1毫秒等待脉冲高电平结束 UUUA: DJNZ R7,JJJJA,2008年7月,培训人：李显圣,MOV R1,#1AH ;设定1AH为起始RAM区 MOV R2,#2;接收从1AH到1BH的2个内存,用于存放操作码和操作反码 PP: MOV R3,#8;每组数据为8位 JJJJ: JNB P3.2,$;等待地址码第一位的高电平信号 LCALL YS1;高电平开始后用882微秒的时间尺去判断信号此时的高低电平状态 MOV C,P3.2;将P3.2引脚此时的电平状态0或1存入C中 JNC UUU;如果为0就跳转到UUU LCALL YS3;检测到高电平1的话延时1毫秒等待脉冲高电平结束 UUU: MOV A,R1;将R1中地址的给A RRC A;将C中的值0或1移入A中的最低位 MOV R1,A;将A中的数暂时存放在R1数值的内存中 DJNZ R3,JJJJ;接收满8位换一个内存 INC R1;对R1中的值加1，换下一个RAM DJNZ R2,PP ;接收完8位数据码和8位数据反码，存放在1AH/1BH中,MOV A,1AH CPL A;对1AH取反后和1BH比较 CJNE A,1BH,EXIT;如果不等表示接收数据发生错误,放弃,2008年7月,培训人：李显圣,MOV