信息科学与技术导论之信息获取(第三讲).ppt

第三讲 信息获取原理及相关技术 信息获取是一切生物在自然界能够生存所不可缺少的基本环节 生物如不能从外界感知信息 就不能适当地调整自己的状态 进而改善与外界的关系来适应其变化 可以说从外界获取信息和利用信息的能力是一切生物得以生存的必要条件 生物越高级 摄取信息的能力就越高 如信息过程模型所描述 对于一个信息系统 信息获取是首要的工作 只有充分获得了各种信息 系统才能根据需要进行有效的工作 3 1引言 3 1引言 续1 问题 对包罗万象的 信息 人工系统如何才能有效获取 或者说如何才能转变成载体所能携带的信号形式 载体所能携带的信号形式 信息的获取方法 信息获取的第一步就是信息的 感知 也就是 感受 事物运动状态及其变化方式的形式 感觉并知道这种形式的存在 对于人类而言 信息感知的功能是由人的感觉器官来承担的 可是 人类感觉器官存在着一些天然的缺陷 使人的感知功能在感受域 灵敏度和可信度上存在一定的局限 因此 我们需要根据信息感知的原理去研制具有更优异性能的人工感知系统 扩展和完善人类感知信息的能力 信息来源的主要途径 1 直接获取信息 直接获取信息主要是通过人的感官与事物接触 使事物的面貌和特征在人的大脑中留下印象 这是人们认识事物的重要渠道之一 2 间接获取信息 间接获取信息就是用科学的分析研究方法 鉴别和挖掘出隐藏在表象背后的信息 例如 通过人与人之间的沟通 查阅书刊资利 广播电视 影视资料 电子读物等获取的信息 3 1引言 续2 信息获取的首要环节是信息的 感知 信息的 感知 即感知外部世界或事物运动的状态及其变化的方式 或者说是通过客体事物与认识主体的相互作用把事物的本体信息转变为信息系统所能处理的信息 就信息的 感知 而言 它只 感受 到了事物运动状态及状态变化方式的形式 并不 知晓 事物运动状态及其变化方式的逻辑含义和效用价值 3 31引言 续3 信息感知的基本机制信息感知的基本机制在于要有某种组织或器官 在人工系统则是某种器件或系统 能够灵敏地感受到某种事物运动的状态及其变化的方式 也就是说 要有某种组织或器件 能够在某种事物运动状态及其变化方式的刺激下产生相应的响应 而且 这种刺激与响应关系应当满足一定的条件 3 1引言 续4 人类感知机制分析和实验都表明 虽然人的感觉器官在感知外部事物的信息方面具有十分精巧的工作机制 但同时也存在一些天然的缺陷 这主要表现在 感知区域有限 敏感度有限 分辨力不高 人眼仅能感受到波长为380 780nm的可见光 人耳也只能对20HZ 20KHZ范围的音频具有相应能力 3 1引言 续5 信息感知的过程和实现技术感知过程感知单元表示单元 对事物运动的状态及其变化方式高度敏感 能够产生与 事物运动状态及其变化方式 相对应的实际响应 把感知单元的实际输出响应通过适当的方式表示出来 便于观察 处理和利用 3 1引言 续6 信息感知的过程和实现技术研究结果表明人类视觉 听觉 嗅觉 触觉等感知的相应是以神经生理电信号表示的 问题 机器感知系统的敏感单元响应能否也用电信号表示 答案是肯定的 机器感知敏感单元响应不仅可以表示成电信号还可以表示成光信号 但表示成电信号有无与伦比的优势 3 1引言 信息感知的过程和实现技术实现技术感知单元实现表示单元实现 为了感知可视的 可闻的 可嗅的 等信息就需要采用多种传感器 如温度传感器 气体传感器 湿度传感器 表示单元往往都把感知单元的输出响应转换为电信号或光信号的形式 在这个意义上 表示单元可以被理解为 换能器 非电 光 变化转换为电 光 变化 3 2感知技术 3 2 1非电量电测3 2 2信号处理3 2 3测量 3 2 1非电量电测 人们对工业 农业 医学 航空 航天 航海等各行各业中的很多 量 感兴趣 但这些量绝大多数都是非电量 如机械量 位移 尺寸 力 振动 速度等 热工量 温度 压力 流量等 成分量 化学成分 浓度等 和状态量 颜色 透明度 磨损量 裂纹等 要想将它们表示成电参数以便测量 就涉及到非电量电测技术 3 2 1非电量电测 将被测的非电量变换成电量的装置称为传感器 Sensor 也称为换能器 发送器 传送器 变送器 检测器 探头 传感器的任务传感技术的重要性传感技术作为信息获取与信息转换的重要手段 是信息科学最前端的一个阵地 信息系统离开了传感器就像人失去了视 听 嗅 触觉 传感器 非电物理量 电物理量 传感器具有多种分类方法按工作机理分类 物理型 化学型 生物型等 根据能量转换情况分类 能量控制型传感器和能量转换型传感器 按照传感器的用途分类 位移 压力 振动 温度等传感器 根据转换过程可逆与否分类 单向和双向 根据传感器输出信号分类 模拟信号和数字信号 根据传感器使用电源与否分类 有源传感器和无源传感器 按照物理原理分类 可分为十种 电参量式传感器 电阻式 电感式 电容式等 磁电式传感器 磁电感应式 霍尔式 磁栅式等 压电式传感器 声波传感器 超声波传感器 光电式传感器 一般光电式 光栅式 激光式 光电码盘式 光导纤维式 红外式 摄像式等 力电式传感器 电位器式 应变式 热电式传感器 热电偶 热电阻 波式传感器 超声波式 微波式等 射线式传感器 热辐射式 射线式 半导体式传感器 霍耳器件 热敏电阻 其他原理的传感器 差动变压器 振弦式等 3 2 1非电量电测 传感器的组成 敏感元件 传感元件 变换元件 敏感元件 对待测的非电量敏感 敏感元件种类很多 根据其感知外界信息的原理可分为 1 物理类 基于力 热 光 电 磁和声等物理效应 2 化学类 基于化学反应的原理 3 生物类 基于酶 抗体和激素等分子识别能力 根据传感器的基本感知功能可分为热敏 光敏 气敏 力敏 磁敏 湿敏 声敏 色敏和味敏元件等 3 2 1非电量电测 传感元件 将一种非电量转换为另一种非电量 变换元件 将非电量转换为电量 对有些传感器 可能不需要传感元件 有些传感器传感元件不只一个 可能要经过若干次传感转换 还有一些传感器 上述三单元是三位一体的 即一个元件就可以直接将非电量转换为电量 3 2 1非电量电测 物理效应和传感原理 1 磁电传感 回忆所熟悉的有关定理 2 光电传感 3 力电传感 4 热电传感 等 能举一些例子么 1 磁电传感主要原理如下 电磁感应定理 当穿过导电回路所包围的面积的磁通量发生变化时 回路中就有感应电动势产生 感应电动势的大小与磁通量对时间的变化率的负值成正比 磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片施加与电流垂直或平行的外磁场 其电阻值就增加 这种现象称为磁致电阻变化效应 简称为磁阻效应 霍耳效应 通电的导体或半导体 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象 电涡流效应 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时 根据电磁感应定理导体上会产生感生电流 此电流在导体内闭合 称为涡流 2 光电传感原理 物质在光的作用下 光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时 电子就会从基态被激发到高能态 脱离原子核的束缚 在外电场作用下参与导电 因而产生了光电效应 根据这些原理 可以制成多种光电传感器 如 CCD摄像机 数码相机 自动冲水机 路灯控制器 光电计数器 烟雾报警器等由于物质的结构和物理性能不同 以及光和物质的作用条件不同 在光子作用下产生的载流子就有不同的规律 因而导致了不同的光电效应 即 3 力 电传感 主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号 位移 速度 加速度等 转化为电学信号 电压 电流等 的仪器 其应用到的主要原理如下 应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化 这种现象称为金属的电阻应变效应 压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后 其电阻率发生明显变化 这种现象被称为压阻效应 压电效应 一些离子型晶体的电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就会产生极化现象 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷极性也随着改变 这种现象称为 正 压电效应 3 2 2电信号处理电路 问题的提出 很多敏感元件通常将非电量的变化转变为常见电子元件 电阻 电容 电感 参数的变化 但由于变化很微弱 通常导致转变后的电信号很微弱 不便于信息的传输和利用 还需要相应的电路对信号进行放大 去噪等处理 还有一些传感器需要施以外加的激励才能正常工作 解决以上问题都需要适当的电子线路技术 因此 信息感知技术涉及大量的电子线路方面的知识和相关技术 3 2 3测量 测量的意义信息的获取是通过对电量的测量来完成的 而测量是对被测对象的量值而进行的处理过程 当今信息时代 测量技术已渐趋成熟 微电子与计算机技术的进步为电测技术提供了十分先进的手段 为自动检测和控制开辟了新的途径 人们可以通过传感器将各种非电量转换为电量进行测量 电测量通常包含以下几个方面 1 电流 电压 电功率 2 信号的特性及所受干扰的测量 如信号的波形和失真率 频率 相位 信躁比等 3 元件和电路参数的测量 如电阻 电感 电容 电子器件 集成电路 衰减和增益 相位移 时延的测量等 图2传感器组成框图 频谱分析仪 手持示波表 有效值电压表 取样示波器 7 5位直流电压表 信息获取技术所涉及的课程 电路分析基础模拟电子线路数字电路技术信号与系统电子测量数字信号处理等 一个燃气报警器的例子 燃气报警器 即燃气及有毒气体报警器 用于对煤气 天然气等气体的泄漏及时作出报警 当感应有燃气泄漏时 即发出报警声 并自动启动排风扇排出气体 警情排除后自动恢复正常工作状态 本产品功耗低 寿命长 设计独特 能感知一氧化碳 天然气等多种可燃气体 单片机智能控制 稳定可靠 可单独使用 也可与其它家用电器联接使用 安装灵活方便 使用单片机来进行控制 电路原理图如下 工作原理 供电电路 对220V交流电进行变压 整流 滤波 稳压后得到5V直流电压 变压器的型号为9V 1000mA 整流器由4个1N4007二极管构成 滤波器为1mF的电容 稳压器为常见的7805 使用了两片7805 主要因为传感器的功率较大 需要单独供电 单片机 单片机的型号为AT89S52 是Atmel公司的使用较为广泛的产品 1脚接指示灯电路 2脚接蜂鸣器电路 12脚接LM324输出 9脚为复位脚 18 19脚接石英晶体 31脚接VCC 配置单片机使用内部存储器 振荡电路 振荡电路主要给单片机提供一个时钟信号 这里单片机采用内部振荡模式 需要在外部接一个石英晶体 提供稳定的频率 我们采用12MHz的晶体 它的两端分别接22pF的电容到地 目的是稳定石英晶体的频率 使实际频率与标称值非常接近 单片机复位电路 复位电路给单片机提供复位信号 使单片机重新运行程序 同时初始化各个寄存器 刚通电时 由于电容端电压不能突变 所以RST为高电平 随着电容的充电 端电压增大 RST对地电压就会减小 最后为零 这就完成了一次复位 复位开关的作用是提供手动复位功能 这样就不用拔插电源插头来复位 开关按下时 RST为高电平 弹起时恢复到低电平 从而完成复位 传感器电路 这部分电路和第一代的一样 参考电压同样设为4 4V 指示灯和蜂鸣器电路 指示灯电路有LED和1K电阻组成 LED的阳极接VCC 阴极接电阻 电阻另一端接单片机的1脚 该引脚为低电平时 LED亮 反之不亮 蜂鸣器电路有9015 蜂鸣器 电阻组成 9015为PNP三极管 接成开关模式 两个10K电阻并联得到5K电阻 因为通过实验发现10K电阻效果不理想 气敏传感器 采用MQ 2型传感器 它能检测液化气 丁烷 丙烷 甲烷 酒精 氢气 烟雾等 其实物图如下 其结构如下所示 气敏传感器基本电路和典型参考数据 气敏传感器灵敏度特性 单片机程序 includesbitled pin 0 x90 P1 0sbitbell pin 0 x91 P1 1sbitinput pin 0 xb2 P3 2unsignedcharcount 0 voidtimer0 isr void interrupt2 count if count 4 bita b a led pin led pin a b bell pin bell pin b count 0 voidmain void bitb TMOD 0 x01 ET0 1 EA 1 TR0 0 input pin 0 while 1 b i