傳感器與接口

1、傳感器與接口傳感器與接口for RoboGame2013Measurement Control Information Processing 課程宗旨2u 本課介紹有可能在機(jī)器人上用到的傳感器及其接口技術(shù)。u 本課傾向于采用直觀的圖片和實(shí)物演示方法向大家展示各種傳感器。如果大家覺(jué)得可能用得上，還需要自己去查閱更詳細(xì)的資料。u 傳感器和接口的選擇和選型需要結(jié)合機(jī)器人的具體功能和實(shí)現(xiàn)方式。Measurement Control Information Processing 傳感器3傳感器功能：將電、磁、力等非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)處理。目錄：測(cè)距類傳感器：1.激光測(cè)距傳感器2.紅外測(cè)距傳

2、感器3.超聲波測(cè)距導(dǎo)航類傳感器：4.顏色（巡線）傳感器 5.電子羅盤(pán)6. GPS7.陀螺儀計(jì)數(shù)類傳感器：8.光電碼盤(pán)9.霍爾傳感器Measurement Control Information Processing 測(cè)距類傳感器n1.紅外測(cè)距傳感器（紅外接近開(kāi)關(guān)）n特點(diǎn)：n價(jià)格便宜；距離預(yù)先可調(diào)；有兩種形式，一種為反射型（發(fā)射和接收都在一個(gè)管子上），一種為對(duì)射型（一個(gè)發(fā)射一個(gè)接收）；頻響100Hz左右。n使用簡(jiǎn)單，三根線：一根電源線，一根地線，一根信號(hào)線（只能輸出開(kāi)關(guān)量，即高或者低電平）。n選購(gòu)時(shí)注意：盡可能選用5V的（為和單片機(jī)匹配）。4Measurement Control Informa

3、tion Processing 測(cè)距類傳感器n2.激光測(cè)距傳感器n原理：通過(guò)發(fā)射和接收激光，計(jì)算時(shí)間差，乘以光速等于距離。n特點(diǎn)：n價(jià)格昂貴；距離連續(xù)可測(cè)（也有只輸出開(kāi)關(guān)量）；精度高（右圖的為0.22mm）；頻響1kHz左右。n輸出方式，工業(yè)上多采用4-20mA電流輸出，一般在采集端接電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行采集。5Measurement Control Information Processing 測(cè)距類傳感器n3.超聲波傳感器n原理：通過(guò)發(fā)射和接收超聲波（20kHz），計(jì)算時(shí)間差，乘以聲速（340m/s）等于距離。n特點(diǎn)：n價(jià)格便宜；距離連續(xù)可測(cè)；測(cè)量范圍寬；精度較高（cm級(jí)別）；頻響較高。

4、n購(gòu)買(mǎi)建議：經(jīng)費(fèi)允許的話也可以購(gòu)買(mǎi)輸出數(shù)字信號(hào)的（如TTL接口）。6Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n4.顏色（巡線）傳感器n原理：一個(gè)發(fā)光管一個(gè)接收管；物體不同顏色表面對(duì)相同關(guān)照的反射不一樣，通過(guò)反射的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓的大小。n特點(diǎn)：n價(jià)格便宜；反應(yīng)迅速；一般配備可調(diào)電阻調(diào)整閾值。n使用方法：可采用比較器（LM393）將模擬量轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)量供單片機(jī)識(shí)別；一般采用多個(gè)傳感器組成陣列，提高識(shí)別精度（編碼方法介紹）。7Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n5.電子羅盤(pán)（指南針

5、）n原理：顧名思義，用于檢測(cè)和地磁場(chǎng)的偏角）。n特點(diǎn)：n一般有兩種，平面羅盤(pán)和三軸羅盤(pán)；平面羅盤(pán)精度較差，對(duì)使用環(huán)境要求高；三軸羅盤(pán)能夠?qū)A角進(jìn)行補(bǔ)償，精度高，價(jià)格也相對(duì)昂貴。n注意：需要遠(yuǎn)離鐵磁性物質(zhì)。n選購(gòu)建議：經(jīng)費(fèi)允許情況下可選用數(shù)字信號(hào)輸出的模塊。8Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n6.GPS接收機(jī)n原理：通過(guò)接收4個(gè)以上衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算接收機(jī)的經(jīng)緯度及其他信息。n特點(diǎn)：n功能強(qiáng)大；價(jià)格便宜；100塊錢(qián)的接收模塊精度大概5米；室內(nèi)可能信號(hào)不好；全球衛(wèi)星免費(fèi)用（國(guó)產(chǎn)北斗）。n使用建議：絕大部分的手機(jī)都有GPS功能，可考慮寫(xiě)程序

6、調(diào)用其GPS信號(hào)。9Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n7.陀螺儀（角加速度傳感器）n原理：慣性導(dǎo)航器件n特點(diǎn)：n不需要依賴其它環(huán)境（如電子羅盤(pán)需要地磁場(chǎng)），可靠性高，穩(wěn)定性好；價(jià)格不等，可根據(jù)需求選擇。n使用：一般用的是角度信息，需要將角加速度兩次積分；但存在時(shí)漂問(wèn)題，因此一般配合其它傳感器使用，如重力傳感器等；如需使用，參考：傳感器信息融合，卡爾曼濾波等方法。10Measurement Control Information Processing 計(jì)數(shù)類傳感器n8.光電碼盤(pán)（光柵）n原理：碼盤(pán)圓周上開(kāi)若干小孔，碼盤(pán)上下方各有一

7、個(gè)光電發(fā)射管和一個(gè)光電接收管，旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。n特點(diǎn)：n一般用于電機(jī)測(cè)速。n使用注意：辨向原理（雙路90電氣相角，加法/減法器74LS191 ）。nPID 演示11Measurement Control Information Processing 計(jì)數(shù)類傳感器n9.霍爾器件n原理：霍爾器件上方有磁鐵時(shí)，輸出電平會(huì)翻轉(zhuǎn)。n特點(diǎn)：n一般用于無(wú)刷電機(jī)（轉(zhuǎn)子是永磁鐵）測(cè)速。n注：做機(jī)器人常用電機(jī)的選型和區(qū)別可參考我之前的培訓(xùn)：n0/lusliang/robogame2012.html12Measurement Control Informati

8、on Processing 傳感器接口n接口非常重要！選傳感器和買(mǎi)傳感器十分簡(jiǎn)單，但從傳感器讀取數(shù)據(jù)可能會(huì)花費(fèi)非常多的時(shí)間。n接口用于兩個(gè)器件之間數(shù)據(jù)傳輸，絕大部分的傳輸方法都可視為高低電平變化，不同的協(xié)議只是規(guī)定了變化的方式而已。n常見(jiàn)接口/協(xié)議/總線：n1.RS232/RS485/TTL（串口）n2.SPIn3.IICn4.USB13Measurement Control Information Processing RS232/RS485/TTLn標(biāo)準(zhǔn)RS232接口為9針，絕大部分情況只用到3針（Tx發(fā)送，Rx接收，GND地）。邏輯電平1：-3-15V，邏輯電平0:3-15V。RS232

9、一般在電腦上。nRS485可認(rèn)為是差分傳輸?shù)腞S232，可長(zhǎng)距離輸送信號(hào)。nTTL（可認(rèn)為是RS232的單片機(jī)版）：邏輯電平1:3.3V或者5V，邏輯電平0:0V。nRS232和TTL通信，需要電平轉(zhuǎn)換芯片，Max232（5V），Max3232（3.3V）14Measurement Control Information Processing RS232/RS485/TTLn注：n1.圖中的電容用無(wú)極性的電容就行，用0.1UF也行，用10UF好像也行，具體看datasheet。n2.單片機(jī)的發(fā)送口（Tx）接電腦的接收口（Rx），接反會(huì)發(fā)熱。15Measurement Control Infor

10、mation Processing SPI和IICnSPI和IIC（I2C）是兩種在嵌入式系統(tǒng)中十分常見(jiàn)的接口，它們有各自的協(xié)議。n硬件（原生）SPI（IIC）和模擬SPI（IIC）。n如右圖STM32單片機(jī)中就有原生SPI和IIC，使用時(shí)較為簡(jiǎn)單，直接往對(duì)應(yīng)寄存器里寫(xiě)數(shù)據(jù)，單片機(jī)就能夠自動(dòng)解碼發(fā)送出去。16Measurement Control Information Processing SPI和IICn如果單片機(jī)沒(méi)有SPI（IIC），也可以用模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用普通的I/O口對(duì)照協(xié)議來(lái)編程（要注意時(shí)鐘信號(hào)）。17Measurement Control Information Processing USBn可能用到的還是電腦和單片機(jī)的通信，STM32有原生USB口，但最常用的方法還是使用串口來(lái)通信。現(xiàn)在的筆記本一般都沒(méi)有串口，因此介紹幾種筆記本其它接口轉(zhuǎn)串口的方法。n1. Express Card-RS232(TTL)n特點(diǎn)：性能最穩(wěn)定，價(jià)格略高。18Measuremen