传感器技术 课件 第8章　传感器综合应用项目案例

8.1可穿戴电子产品中传感器综合应用Contents目

录

任务描述与要求1

任务内容2工程实践常见气拓展

拓展实践3内容简介：传感器应用综合实践是指将传感器技术与实际应用场景相结合，通过设计、搭建和测试传感器系统来解决现实问题的实践活动。这种实践旨在利用传感器技术对环境、物体或事件进行监测和测量，并将获取的数据用于控制、判定、诊断、预警等目的。项目背景1.任务描述与要求任务具体描述：

引导案例：2022年12月中旬，疫情管控全面解除，引发人们对“白肺”现象的关注。这带动了便携指夹式血氧仪的需求激增，价格迅速上涨。图8.1血氧仪方案1.任务描述与要求任务描述：结合案例，动手设计并制作一款简单的血氧检测仪

任务要求：要求1：依据任务描述设计并绘制系统原理框图；要求2：绘制MAX30102生物传感器的模块电路原理图；要求3：绘制血氧仪软件系统运行流程图；要求4：MAX30102生物传感器的模块程序编写；要求5：硬件组装与项目调试；要求6：培养细致操作、遵循流程的大师素养；要求7：培养追求探索、永不放弃的精神。2.任务内容1.血氧仪简介血氧仪主要测量指标分别为脉率、血氧饱和度、灌注指数（PI）。2.脉搏血氧仪如何工作？氧气通过进入肺部然后进入血液，血红蛋白是主要的携氧分子。脉搏血氧仪使用红光和近红外光作为射入光源，在手指、耳垂或脚趾上测定通过的光传导强度，以计算血红蛋白浓度和血氧饱和度（SpO2）。正常情况下，人体动脉血的血氧饱和度应≥98%，大于95％被认为是正常，90%以下表示供氧不足。脉搏血氧仪工作原理图脉搏血氧仪氧含量对比图3.系统总体结构设计(1)系统功能可测量人体指标脉率；可测量人体指标血氧饱和度；显示屏实时显示测量的各项指标。(2)系统原理框图本系统由STM32单片机核心板电路+MAX30102生物传感器电路+温湿度传感器+显示电路组成。通过MAX30102生物传感器检测人手指，近红外光作为射入光源，测定光传导强度，计算出血液中的血红蛋白浓度及血氧饱和度（SpO2）。通过MAX30102生物传感器检测人手指，使血液中的血氧受光的照射而吸收，称为红外光吸收法。当光吸收器吸收血里的红外光时，血中就会形成瞬时电位，这一电位就是一次心跳，记录和监测到心律的变化，从而知道心跳的频率。lcd1602实时显示血氧浓度、心率以及环境温湿度。2.任务内容2.任务内容实践练习：现增加一个WiFi模块，请参数上图，绘制出新的系统原理框图系统原理框图2.1

MAX30102传感器简介MAX30102生物传感器简介（1）MAX30102生物传感器简介MAX30102是一款集成了脉搏血氧和心率监测功能的生物传感器模块。它具有660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器和低噪声电子电路，同时具备环境光抑制功能。（2）MAX30102生物传感器产品参数MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，标准的I2C兼容的通信接口。MAX30102生物传感器产品参数2.1MAX30102生物传感器简介光溶积法:利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量的；01光源:采用对脉动血中氧合血红蛋白(Hbo2)-和血红蛋白(Hb)有选择性的特定波长的发光极管；02透光率转化为电信号:动脉搏动充血积委化导致够束光的透光性发生改变，此时由光电变换接收经人体组织反身光线转变为电信号并将其放大放出。03（3）原理说明2.1MAX30102生物传感器简介

（4）引脚名称1、VIN:主电源输入端，1.8V-5V；2、3位焊盘:选择总线上的拉电平，取决于引脚主控3、电压，可选1.8V端或者3.3V端(此端包含3.3V及以上)；3、SCL:接12C总线的时钟；4、SDA:接12C总线的数据；5、INT:MAX30102芯片的中断引脚；6、RD:MAX30102芯片的REDLED接地端，一般不接；7、IRD:MAC30102芯片的IRLED接地端，一般不接；8、GND:接地线。MAX30102生物传感器引脚2.1MAX30102生物传感器简介

（5）电路原理图MAX30102生物传感器电路原理图2.1MAX30102生物传感器简介

（6）芯片内部框图

MAX30102生物传感器芯片内部框图从框图看，芯片可分为两部分，一部分为模拟信号采集电路，通过RED和IR灯发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过PD管将光信号转化为电信号，最终通过18bitADC转换器转化为数字信号。

第二部分为数字处理电路，将ADC转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于缓冲区内；单片机通过IIC接口读写芯片内部寄存器，读取出相应的数据。2.2程序设计这段代码是用于通过I2C接口向MAX30102寄存器写入数据的嵌入式控制器驱动程序。#include"max30102.h"#include"myiic.h"#definemax30102_WR_address0xAEboolmaxim_max30102_write_reg(uint8_tuch_addr,uint8_tuch_data)/*第1步：发起I2C总线启动信号*/IIC_Start();

/*第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读*/IIC_Send_Byte(max30102_WR_address|I2C_WR);/*此处是写指令*/

/*第3步：发送ACK*/if(IIC_Wait_Ack()!=0){gotocmd_fail;/*EEPROM器件无应答*/}2.2程序设计/*第4步：发送字节地址*/IIC_Send_Byte(uch_addr);if(IIC_Wait_Ack()!=0){gotocmd_fail;/*EEPROM器件无应答*/}/*第5步：开始写入数据*/IIC_Send_Byte(uch_data);/*第6步：发送ACK*/if(IIC_Wait_Ack()!=0){gotocmd_fail;/*EEPROM器件无应答*/}3.拓展实践可穿戴传感器可以实现采用多种信号的采集与传导。比如，利用金属导体和离子导体上的双电层(EDL)实现对于压力和应变的精确检测。检测的灵敏度要比传统的介电电容传感器高三个数量级。当使用离子液体作为EDL的电解质时，既可以实现电化学信号检测。根据信号类型，所有的可穿戴传感器可以分为三种:电生理、物理、和化学传感器。电生理传感器可以实现心,脑和肌肉等组织和器官的检测。物理传感器测量机械、温度或光学刺激下的电特性变化。化学传感器通过活动电极识别或量化分析物(包括离子、分子、蛋白质等)，这些活动电极可以根据特定的化学物质进行定制。请同学们调研：利用网络调研电生理传感器、物理传感器、化学传感器这三种传感器的厂家、产品型号、价格、实物图、电路图、应用案例，并输出一篇文稿。感谢观看请多指点任务2AI机器人中的传感器综合应用Contents目

录项目背景1

任务描述与要求2常见气拓展实践3工程实践“其帝炎帝，其神祝融。”《礼记》中提到的“祝融”是中国上古神话中的火神，三皇五帝时掌火之官。千百年后的今天，“祝融”有了新含义——4月24日，在第六个“中国航天日”，中国首辆火星车公布其新名称为“祝融号”，寓意点燃中国星际探测的火种。项目背景2.任务描述与要求任务描述：

结合案例，动手组装一辆带双目视觉的机器人“祝融号”小车。2.任务描述与要求任务要求：要求1：绘制“祝融号”小车系统原理框图；要求2：了解双目视觉计算物体深度技术原理；要求3：在ubuntu系统下完成对realsenselib的支持库安装；要求4：在移动平台网关平台测试双目摄像头是否正常工作；要求5：掌握基于ROS构建interrealsense双目相机的功能包；要求6：发展细致思考和追求卓越的素养；要求7：强化系统思维和合规执行的素养。2.1任务内容(1)

双目立体视觉介绍双目视觉技术在许多领域都有广泛的应用，例如机器人导航、自动驾驶、虚拟现实、三维重建等。它模仿了人类视觉系统的基本工作方式，通过两个眼睛从不同的视角获取信息，再通过大脑计算得到三维的空间感知。这种技术对于我们理解和解析现实世界具有重要的意义。双目视觉系统的另一个优势是它可以提供更丰富的空间信息。由于双目视觉系统可以计算出目标对象的深度信息，因此它可以提供更完整的三维场景信息。这使得双目视觉系统在许多领域中具有广泛的应用，例如机器人导航、自动驾驶、虚拟现实等。（2）单目和双目检测比较（3）可移动机器人及自动驾驶系统的主要构成在移动机器人和自动驾驶领域，环境感知、行为决策和执行控制是相互关联和影响的。环境感知为行为决策提供了数据输入，行为决策的结果又需要执行控制来实现。同时，执行控制的效果也会影响环境感知的数据收集和处理。这三个部分的协同工作是实现自主移动的关键。2.2实验原理（1）双目视觉双目立体视觉的深度相机对环境光照强度比较敏感，且依赖图像本身的特征，在光照不足，缺乏纹理的情况下很难提取到适合做匹配的特征。即左右两幅图像的对应关系不容易确定。2.2实验原理（2）InterRealsenseD415RealSenseD415提供卷帘快门感应器和窄视野的小镜头。英特尔表示，D415搭载D410深度传感器，狭窄视野提供了高深度分辨率，这是“精确测量的理想选择”。英特尔表示，D415相机是“机器人导航和物体识别等应用的首选解决方案”。这两款RealSenseD400系列摄像机的捕捉最远距离可以达到10米，而且新款在户外阳光下也可以使用，均支持输出1280x720分辨率的深度画面，更普通的视频传输方面可以达到90fps。2.2实验原理（3）支持库部署首先打开ubuntu终端，运行下列命令安装依赖包。sudoapt-getupdate&&sudoapt-getupgrade&&sudoapt-getdist-upgradesudoapt-getinstallgitcmakelibssl-devlibusb-1.0-0-devpkg-configlibgtk-3-devsudoapt-getinstalllibglfw3-devlibgl1-mesa-devlibglu1-mesa-dev然后下载realsenseSDKgitclone/IntelRealSense/librealsense.git或者直接去上述地址下载zip包，解压备用，然后准备编译。mkdirbuild&&cdbuildcmake../-DCMAKE_BUILD_TYPE=Release-DBUILD_EXAMPLES=true-DFORCE_RSUSB_BACKEND=ON-DBUILD_WITH_TM2=false-DIMPORT_DEPTH_CAM_FW=false2.2实验原理(4)Interrealsense与ROS本实验已提供适配本系统的ros功能包，如希望自行安装，可参考下列步骤镜像安装，在连接/IntelRealSense/realsense-ros.git下载realsense的ros包的源代码，并执行下列命令创建工作空间。mkdir-p~/catkin_ws/src&&cd~/catkin_ws/src下载源码，并检查依赖。mkdir-p~gitclone/IntelRealSense/realsense-ros.gitcdrealsense-ros/realsense2_cameragitcheckoutgittag|sort-V|grep-P"^\d+\.\d+\.\d+"|tail-1sudoapt-getinstallros-kinetic-ddynamic-reconfigure/catkin_ws/src&&cd~/catkin_ws/src按照下列命令编译完成后即可完成功能包的安装。cd~/catkin_wscatkin_make-DCATKIN_ENABLE_TESTING=False-DCMAKE_BUILD_TYPE=Releasecatkin_makeinstallecho"source~/catkin_ws/devel/setup.bash">>~/.bashrcsource~/.bashrc2.3实验步骤①正常连接小车的各个模块设备，特别是双目相机的蓝色USB3.0口要接在移动平台网关的蓝色USB3.0接口上。使移动平台正常上电，等待网关ubuntu系统启动，等待启动完成，触摸屏显示进入桌面环境，如下图所示。②打开网关ubuntu系统的终端，输入realsense-viewer命令，如下。③图形界面启动后，点击RGBCamera开启，即可看到摄像头的彩色图像，正面摄像头工作正常。(1)测试相机2.3实验步骤①在移动平台出厂系统中已包含本次实验的源代码，在/home/fy/realsense_ws中，如没有找到该工作空间，将光盘src\第五章基于ROS的智能设备驱动\双目视觉模块ROS驱动功能包构建下的realsense_ws.tar.bz2通过xshell下载到用户目录/home/fy，在终端输入如下命令进行解压。tarjxvfrealsense_ws.tar.bz2在终端输入如下命令进行编译源代码，编译完成如下图所示。③在终端输入如下命令设置环境变量。sourcedevel/setup.sh(2)ROS功能包编译2.3实验步骤①在终端输入如下命令启动相关节点。roslaunchrealsense2_camerars_camera.launch②等待程序加载完成，启动新终端，输入如下指令。rostopiclist③即可看到如图所示的topic列表，就是当前程序功能包的主题。④输入如下命令查看topic发布的图像。rqt_image_view⑤rqt_