传感器原理及应用课件.ppt
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- 传感器 原理 应用 课件
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1、第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 要求 1、显示车速 2、显示里程,并具有存储功能第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高,线性度好,稳定性高、体积小和耐高温等特点。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。通过检测车轮转过的转数乘上车轮的周长来计算路程,霍尔元件就是一种很好的可用于检测车轮转数的元件。在普通转盘计数的仪表中加装霍尔元
2、件和磁铁,即可构成基于磁电转换技术的传感器。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料接线图第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料注意事项: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.第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料二、超声波传感器原理及其应用二、超声波传感器原理及其应用第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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
3、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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料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:f20Hz声波 可闻声波:20Hzf20KHz第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料波长与辐射波长与辐射 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
4、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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料反射反射 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料温度效应温度效应 声波传播的速度“c”可以用下列公式表示c=331.5+
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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料衰减衰减 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图图1声压在不同距离上的衰减特性声压在不同距离上的衰减特性第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料结构与工作原理 当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频
6、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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.1 开放型超声波传感器开放型超声波传感器图图2开放型超声波传感器的构造开放型超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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,
7、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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料3.2密封型超声波传感器密封型超声波传感器图3密封型超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料高频超声波传感器高频超声波传感器图4高频超声波传感器的构造第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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
8、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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料应用4.1 应用实例第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料1
9、.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。第二届广西大学生电子设计竞
10、赛培训材料发射与接收电路发射与接收电路图5 连续波发送电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图6 前置放大器电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料图7 超声脉冲发送电路第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料距离测量应用距离测量应用 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料48c
11、m第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 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。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 以一块单片机为核心设计一个遥控器,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,系统能被遥控另一块单片机做接收系统,系统能被遥控操作。操作。u设计任务设计任务1设计一个红外线遥控发射器。设计一个红外线遥控发射器。2设计一个红外线接收系统。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、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。指示灯、接
12、口电路等进行操作。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料红外线遥控原理及应用红外线遥控原理及应用一、红外线遥控原理一、红外线遥控原理1.概述概述 红外线遥控系统分成发送端和接收端两个部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分。发送端经过红外线发光LED,发射波长为,发射波长为940nm的红外线不可见光来传送信号,这些信号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,完成遥进行译码进而使控制器做出相应的动作,完成遥控功能。控功能。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料
13、 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,应用编应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如图图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、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、解红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。调、解码电路。键盘键盘编码调制编码调制信号放大信号放大LED光光/电放大电放大解调解调解码解码控制器控制器图图1 红外线遥控系统框图红外线遥控系统框图红外线接收模块红外线接收模块第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 红外线发射器的工作
14、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。单片机38KHz载波信号信号放大红外线发射LED图2 红外线发射器的工作方块图与门单片机编程产生第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 接收部分的主要组件为红外线接收模块,其内部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(即中的载波信号(即38KHz)而解调出发射器的控制信)而解调出发射器的控制信
15、号。当红外线合成信号进入接收模块后,在其输出端号。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便可得到原先的数字控制编码,直接可以送到单片机的的I/O口,经单片机译码后,便可知道按下哪一个按口,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。键,而做出相应的控制处理,进而完成遥控的动作。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 遥控发射器专用芯片很多,根据编码格式可以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
16、易的脉冲宽度调制们以运用比较广泛,解码比较容易的脉冲宽度调制来加以说明,现以来加以说明,现以LC7461组成发射电路为例说明编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,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。这种遥控码具有以所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征:下特征:(1)基于专用芯片的遥控器)基于专用芯片的遥控器第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 采用脉宽调制的串行码,以脉宽为采用脉宽调制的串行码,以脉宽为0.565ms、间隔、间隔0.56ms、周期为、周期为1.125ms的组合表示二进制的的组合表示二进制的“0”;以
17、脉宽为以脉宽为0.565ms、间隔、间隔1.685ms、周期为、周期为2.25ms的的组合表示二进制的组合表示二进制的“1”。图图3 “0”的定义的定义0.565ms1.125ms0.565ms图图4 “1”的定义的定义0.565ms2.25ms1.685ms第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料 上述上述“0”和和“1”组成的组成的42位二进制码经位二进制码经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,向空间发射,7461产生的遥控编
18、码是连续的产生的遥控编码是连续的42位二位二进制码组,其中前进制码组,其中前26位为用户识别码,能区别不同的位为用户识别码,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。后红外遥控设备,防止不同机种遥控码互相干扰。后16位为位为8位的操作码和位的操作码和8位的操作反码用于核对数据是否位的操作反码用于核对数据是否接收准确。接收准确。第二届广西大学生电子设计竞赛培训材料当遥控器上任意一个按键按下超过当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时,时,LC7461芯片的振荡器使芯片激活,将发射一个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特定的同步码头,对于接收端而言
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