《智能传感器技术及应用》实验指导书

智能传感器技术及应用 实验指导书 万振武 编写 武汉理工大学华夏学院 2014 年 7 月 实验一实验一 扩散反射式光电开关应用实验扩散反射式光电开关应用实验 一 实验目的一 实验目的 1 熟悉软件开发环境 熟练运用下载软件下载程序 熟练运用串口调试 软件进行串口调试 2 了解本实验中扩散反射式光电开关的结构 3 会应用串口调试软件测试光电开关 4 掌握舵机的控制方法 5 搭建光电循线机器人并编程实现机器人走直线 二 实验原理二 实验原理 1 光电开关的检测原理 图 1 1 光电开关原理图 光电开关原理如图 1 1 所示 当图中光电探头前面为浅色物体时 发光 二极管发出的光被反射回探头 光电三极管导通 信号端 S 输出低电平 当 光电探头前面为深色物体时 发光二极管发出的光被吸收 没有光线反射回 探头 光电三极管截止 信号端 S 输出高电平 2 舵机的控制原理 舵机是一种位置伺服的驱动器 适用于角度需要不断变化并可以保持的 控制系统 其工作原理是 控制信号进入信号调制芯片 这时会获得直流偏 置电压 舵机内部本身有一个基准电路 产生脉宽为 1 5ms 周期为 20ms 的基准信号 直流偏置电压与电位器的电压比较 获得电压差输出 该电压 差的正负输出到电机驱动芯片 决定电机的正反转 当电机转速一定时 通 过级联减速齿轮带动电位器旋转 一直到电压差为 0 电机停止转动 如图所示高电平持续 1 5ms 低电平持续 20ms 然后不断重复的控制脉 冲序列 如果将该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机 伺服电机不会 旋转如图 1 2 所示 如果此时电机旋转 表明电机需要进行零点标定 从图 1 3 图 1 4 可知 控制电机运转速度是高电平持续的时间 当高电平持续 的时间为 1 3ms 时 电机按图中顺时针方向旋转 当高电平持续的时间为 1 7ms 时 电机按图中逆时针方向旋转 图 1 2 1 5ms 控制脉冲系列电机转速为零的控制信号时序图 图 1 3 1 3 ms 的控制脉冲系列使电机全速顺时针旋转的时序图 图 1 4 1 7 ms 的控制脉冲系列使电机全速逆时针旋转的时序图 三 实验设备三 实验设备 1 实验开发板 不锈钢车体 2 万用表 工具箱 3 光电开关三个 四 实验内容四 实验内容 1 利用串口调试软件测试光电开关 利用串口调试助手 在上位机上观测光电传感器在不同色度的物体 表面反馈回来的电平 include include int main void uart init While 1 printf qti d p2 3 state printf qti d p2 2 state printf qti d n p2 1 state delay nms 500 2 实现机器人线跟踪 根据光电传感器信号组合形式编写应用程序 实现机器人线跟踪 表 1 1 使用三个光电传感器的策略表 p2 3p2 2p2 1策略 100向左旋转 110小幅度左转 010前进 011小幅度右转 001向右旋转 其他前进 五 任务拓展五 任务拓展 1 设计一个线跟踪机器人可以沿着一根黑线来回往复行走 2 设计一个线跟踪机器人可以沿着一根黑线来回往复行走 而不用掉头 实验二实验二 压电式超声波传感器应用实验压电式超声波传感器应用实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步熟悉软件开发环境 熟练运用下载软件下载程序 熟练运用串 口调试软件进行串口调试 2 了解本实验中压电式超声波传感器的结构 3 编写超声波测距程序并用串口调试软件观测 4 搭建超声波机器人并编程实现机器人智能漫游 二 实验原理二 实验原理 1 压电式超声波传感器工作原理 超声波是指振动频率大于 20KHz 以上 频率甚高 超出了人耳听觉上限 20KHz 而听不见的一种声波 超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆 向压电效应来工作的 其内部由两个压电晶片和一个锥形振子构成 当它的 两极外加电压脉冲信号 压电元件就变形引起空气振动 当脉冲信号频率等 于压电晶片的固有振荡频率时 压电晶片将会发生共振 并带动锥形振子振 动 便产生超声波 而超声波接收器是利用正向压电效应制成 如果压电晶 片两极间未外加电压 当锥形振子接收到超声波时 促使接收器的振子随着 相应频率进行振动 由于存在正向压电效应 将机械能转换为电能 就产生 和超声波频率相同的高频电压 这种电压非常小 通过放大后送后级电路处 理 2 超声波传感器的测距原理 超声波测距原理是 超声波传感器发出声波 在空气中传播 遇到障碍 物后发生反射 传回超声波传感器 通过这个时间差计算出障碍物离本体的 距离 图 触发信号 模块内部 发出信号 输出回响 信号 图 2 1 超声波传感器工作时序图 以上时序表明只需提供一个 10us 以上的脉冲触发信号 该模块内部将 发出 8 个 40kHz 的周期电平并检测回波 一旦探头检测到回波信号则输出回 响信号 回响信号的脉宽会与所测的距离成正比 由此可以通过从发射信号 到收到回响信号的时间差计算得到距离 计算公式 距离 高电平持续时间 声速 340m s 2 三 实验设备三 实验设备 1 实验开发板 不锈钢车体 2 万用表 工具箱 3 超声波传感器一个 四 实验内容四 实验内容 1 利用串口调试软件检测超声波测距数 据 超声波测距子程序的作用是实现测距功 能 在触发脉冲作用下 超声波发射器发射 超声波 通过 TRIG 端口检测确认超声波是否 发送完毕 然后单片机定时计时器开始计数 超声波接收器收到反射波后立即停止计数 从而测出发射超声波和接收回波的时间差 T 然后求出距离 L 如果机体前方没有物体 为 避免死循环 通过判断定时计数器是否溢出 来解决 流程图如图 2 2 所示 2 实现机器人智能避障 编写程序 利用超声波传感器探测物体距离 并根据距离长短做出不同 的运动略 表 2 1 障碍物距离策略 大于 15cm左转 90 度 大于 15cm前进 五 任务拓展五 任务拓展 利用超声波传感器寻找最近的目标 随后朝最近的目标运动 图 2 2 超声波测距流程图 实验三实验三 红外传感器应用实验红外传感器应用实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步熟悉软件开发环境 熟练运用下载软件下载程序 熟练运用串 口调试软件进行串口调试 2 了解本实验中红外传感器的结构 3 运用串口调试软件测试红外传感器 4 搭建红外避障机器人并编程实现机器人走简易迷宫 二 实验原理二 实验原理 红外传感器选用红外对管 发射管发射波长范围在 938 940 nm 的红外 光 接收管有内置的光滤波器 除了需要检测的 940 nm 波长的红外线外 它几乎不允许其它光通过 另外 接收管内还有一个电子滤波器 它只允许 大约 38 5 kHz 的电信号通过 有效防止了普通光源的干扰 图 3 1 为红外 发射电路 图 3 2 为红外接收电路 图 3 1 图 3 2 图 3 1 中 555 时基电路构成多谐振荡器 振荡频率为 通过选择合适的参数 使其振荡频率为 38 5K 左右 满足接收管电子滤波器 的频率要求 三 实验设备三 实验设备 1 实验开发板 不锈钢车体 2 万用表 工具箱 3 红外传感器三个 四 实验内容四 实验内容 CRRR f 2 43 1 321 1 利用串口调试软件检测红外传感器检测信号 利用串口调试助手 在上位机上观测红外传感器检测障碍物的反馈信号 当有障碍物的时候输出高电平 没有障碍物的时候输出低电平 include include int main void uart init While 1 printf hw d p2 3 state printf hw d p2 2 state printf hw d n p2 1 state delay nms 200 2 实现机器人走简易迷宫 编写程序 利用红外传感器判断机器人周围障碍物的情况 实现机器人 在如图 3 3 的简易迷宫中行走 图 3 3 简易迷宫 五 任务拓展五 任务拓展 自主设计一个简易迷宫 并能找到出口 实验四实验四 颜色传感器应用实验颜色传感器应用实验 一 实验目的一 实验目的 1 进一步熟悉软件开发环境 熟练运用下载软件下载程序 熟练运用串 口调试软件进行串口调试 2 了解本实验中颜色传感器的结构 3 运用串口调试软件测试颜色传感器 4 搭建颜色识别机器人并编程实现机器人色彩导航 二 实验原理二 实验原理 实验中用到的颜色传感器 TCS230 把可配置的硅光电二极管与电流频 率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上 同时在单一芯片上集成了红绿蓝 RGB 三种滤光器 其输出信号是数字量 可以驱动标准的 TTL 或 CMOS 逻辑 输入 因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接 能够实现每个彩色信 道 10 位以上的转换精度 不再需要 A D 转换电路 电路更简单 图 4 1 是 TCS230 的引脚和功能框图 图 4 1 引脚和功能框图 S0 S1 用于选择输出比例因子或电源关断模式 S2 S3 用于选择滤波 器的类型 OE 是频率输出使能引脚 可以控制输出的状态 当有多个芯片 引脚共用微处理器的输入引脚时 也可以作为片选信号 OUT 是频率输出引 脚 GND 是芯片的接地引脚 VCC 为芯片提供工作电压 表 4 1 是 S0 S1 及 S2 S3 的可用组合 表 4 1 S0 S1 及 S2 S3 的组合选项 三 实验设备三 实验设备 1 实验开发板 不锈钢车体 2 万用表 工具箱 3 颜色传感器 四 实验内容四 实验内容 1 正确搭建颜色传感器电路 图 4 2 颜色传感器接线图 2 运用串口调试软件测试颜色传感器 编写颜色传感器的测试程序 驱动传感器正常工作 读取输出结果并通 过串口发送给电脑 检查是否能输出正确的 RGB 值 设计原理是 设置定时器为一固定时间 250ms 然后选通三种颜色的 滤波器测试人为认为是白色的物体 计算这段时间内 TCS230 的输出脉冲数 计算出一个比例因子 通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为 255 在实 际测试时 使用同样的时间进行计数 把测得的脉冲数再乘