物联网技术与应用实践(项目式)熊茂华项目3

项目三传感器与检测的实现3.1任务一：传感器的基础知识3.2任务二：检测技术基础3.3任务三：典型传感器的选择3.4任务四：物联网中传感器应用实践3.1任务一：传感器的基础知识

3.1.1传感器的概述

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)，并将探知的信息传递给其他装置或器官。3.1.2传感器的分类

1.按传感器的用途分类

传感器按照其用途分为力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器和24 GHz雷达传感器。

2.按传感器的原理分类

传感器按照其原理可分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器。

3.按传感器的输出信号标准分类

传感器按照其输出信号的标准分类可分为以下四种：

(1)模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

(2)数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

(3)膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

(4)开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

4.按传感器的材料分类

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列三类：

(1)按照其所用材料的类别分类：金属聚合物和陶瓷混合物。

(2)按材料的物理性质分类：导体、半导体、绝缘体和磁性材料。

(3)按材料的晶体结构分类：单晶、多晶和非晶材料。与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。

5.按传感器的制造工艺分类

传感器按照其制造工艺分类可分为以下四种：

传感器按照其制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器。

6.按传感器的测量目的不同分类

传感器根据测量目的不同可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器。

(1)物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。

(2)化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。

(3)生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。3.1.3传感器的性能指标

1.传感器静态特性

(1)线性度：

(2)灵敏度：

(3)迟滞：

(4)重复性：

(5)漂移：

2.传感器动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

3.传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)，就是这个近似程度的一个性能指标。

4.传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δy对输入量变化Δx的比值。

它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

5.传感器的分辨率

分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。3.1.4传感器的组成和结构

国家标准(GB7665—87)中传感器(Transducer/Sensor)的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。图3.1传感器组成框图3.2任务二：检测技术基础

3.2.1检测系统概述

检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。检测技术的发展标志着人类的进步和人类社会的繁荣。现代工业、农业、国防、交通、医疗、科研等各行业，检测技术的作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。微处理器芯片使传统的检测技术采用计算机进行数据分析处理成为现实。现代检测系统应当包含测量、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“测量”更丰富的范畴和模仿人类专家信息综合处理能力。一般具有以下特点：

(1)软件控制测量过程。

(2)智能化数据处理。

(3)高度的灵活性。

(4)实现多参数检测与信息融合。

(5)测量速度快。

(6)智能化功能强。3.2.2检测技术分类

1.按测量过程的特点分类

1)直接测量法

(1)偏差测量法。

(2)零位测量法。

(3)微差测量法。

2)间接测量法

在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量，将被测量代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量方法称为间接测量法。间接测量法的测量手续较多，花费时间较长，常用于不易直接测量或者缺乏直接测量手段的场合。3)组合测量法

组合测量法是一种特殊的精密测量方法。被测量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果。组合测量操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验或特殊场合。

2.按测量的精度因素分类

(1)等精度测量法：用相同精度的仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量。

(2)非等精度测量法：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量。

3.按测量仪表特点分类

(1)接触测量法：传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得其信号，并测量其信号大小的方法。

(2)非接触测量法：传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，并测量其信号大小的方法。

4.按测量对象的特点分类

(1)静态测量法：指被测对象处于稳定情况下的测量，此时被测对象不随时间变化，故又称为稳态测量。

(2)动态测量法：指被测对象处于不稳定情况下进行的测量，此时被测对象随时间而变化，因此，这种测量必须在瞬间完成，才能得到动态参数的测量结果。3.2.3检测系统组成

1.检测系统构成

在工程中，由传感器与多台仪表组合在一起，完成信号的检测，这就形成了一个检测系统。检测系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。图3.2检测系统原理结构框图

2.开环检测系统和闭环检测系统

1)开环检测系统

开环检测系统的全部信息变换只沿着一个方向进行，如图3.3所示。图3.3开环检测系统框图2)闭环检测系统

闭环检测系统是在开环系统的基础上加了反馈环节，使得信息变换与传递形成闭环，能对包含在反馈环内的各环节造成的误差进行补偿，使得系统的误差变得很小。

3.检测仪表的组成

检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。图3.4检测仪表的组成框图3.3任务三：典型传感器的选择

3.3.1磁检测传感器

磁检测传感器使用的是干簧管。干簧管(ReedSwitch)也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关。图3.5外形和接口原理图3.3.2光照传感器

光照传感器使用的是光敏电阻。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。图3.6光照传感器的外形和接口原理图3.3.3红外对射传感器

红外对射传感器使用的是槽型红外光电开关。红外光电开关是捕捉红外线这种不可见光，采用专用的红外发射管和接收管，转换为可以观测的电信号。红外光电传感器有效地防止周围可见光的干扰，进行无接触探测，不损伤被测物体。图3.7红外对射传感器模块和接口原理图3.3.4人体检测传感器

人体检测传感器使用的是热释电人体红外线感应模块。人体红外线感应模块是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，用于各类感应电器设备，适合干电池供电的电器产品；低电压工作模式，可方便与各类电路实现对接；尺寸小，便于安装。人体红外线感应模块适用于感应广告机、感应水龙头、各类感应灯饰、感应玩具、感应排气扇、感应垃圾桶、感应报警器﹑感应风扇等。这类传感器种类繁多，通常具有高响应、低噪音的特点。图3.8人体检测传感器模块和接口原理图3.3.5温湿度传感器

1.接口电路

AM2321温湿度传感器的实物与STC12C5A16S2接口电路原理图如图3.9所示。图3.9AM2321温湿度传感器实物与STC12C5A16S2接口电路原理图

2.通信协议

AM2321的单总线通信协议说明：

SDA用于微处理器与AM2321之间的通信和同步，采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。具体通信时序如图3.10所示。图3.10AM2321单总线通信协议图

3.单总线通信时序

用户主机(MCU)发送一次起始信号(把数据总线SDA拉低至少800 μs)后，AM2321从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，AM2321发送响应信号，从数据总线SDA串行送出40 bit的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。单总线通信时序如图3.11所示。图3.11AM2321单总线通信时序图图3.12AM2321单总线通信时序图图3.13AM2321单总线通信时序图图3.14外部设备读取AM2321温湿度流程图3.3.6红外感应火焰传感器

火焰传感器模块及管脚说明如图3.15所示。图3.15火焰传感器模块及管脚说明图3.16火焰传感器模块电原理图3.3.7声响检测传感器

声响检测传感器使用麦克风(咪头)作为拾音器，经过运算放大器放大，单片机AD采集，获取声响强度信号。咪头是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，和喇叭正好相反。若选用的是驻极体电容式咪头。其接口电路原理如图3.17所示。图3.17麦克风(咪头)接口电路原理图图3.18声音检测接口电路3.3.8烟雾检测传感器

烟雾传感器MQ-2，使用的气敏材料在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在烟雾或者可燃气体时，传感器的电导率随空气中烟雾和可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。可燃气体检测传感器MQ-2的实物如图3.19所示。图3.19烟雾传感器MQ-2实物和电路原理图3.3.9结露检测传感器

结露传感器HDS10是正特性开关型元件，仅对高湿敏感，对低湿不敏感，可在直流电压下工作，响应速度快，高可靠性，广泛用于仓储、气象等行业。图3.20结露传感器实物和电路原理图3.3.10酒精检测传感器

酒精检测MQ-3传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在酒精蒸气时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图3.21酒精检测传感器实物和原理图3.4任务四：物联网中传感器应用实践

3.4.1实践一：温湿度传感器应用

本实践是在IOT-L01-05型物联网综合实验箱上完成。将AM2321温湿度传感模块插到实验箱传感器节点底板上，然后通过串口线将实验箱上相应的RS2