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物演示方法向大家展示各種傳感器。如果大家覺得可能用得上，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、力等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便于計算機(jī)處理。目錄：測距類傳感器：1.激光測距傳感器2.紅外測距傳

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

3、tion Processing 測距類傳感器n2.激光測距傳感器n原理：通過發(fā)射和接收激光，計算時間差，乘以光速等于距離。n特點：n價格昂貴；距離連續(xù)可測（也有只輸出開關(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)換為電壓信號進(jìn)行采集。5Measurement Control Information Processing 測距類傳感器n3.超聲波傳感器n原理：通過發(fā)射和接收超聲波（20kHz），計算時間差，乘以聲速（340m/s）等于距離。n特點：n價格便宜；距離連續(xù)可測；測量范圍寬；精度較高（cm級別）；頻響較高。

4、n購買建議：經(jīng)費允許的話也可以購買輸出數(shù)字信號的（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：一個發(fā)光管一個接收管；物體不同顏色表面對相同關(guān)照的反射不一樣，通過反射的強度轉(zhuǎn)化為電壓的大小。n特點：n價格便宜；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)化為開關(guān)量供單片機(jī)識別；一般采用多個傳感器組成陣列，提高識別精度（編碼方法介紹）。7Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n5.電子羅盤（指南針

5、）n原理：顧名思義，用于檢測和地磁場的偏角）。n特點：n一般有兩種，平面羅盤和三軸羅盤；平面羅盤精度較差，對使用環(huán)境要求高；三軸羅盤能夠?qū)A角進(jìn)行補償，精度高，價格也相對昂貴。n注意：需要遠(yuǎn)離鐵磁性物質(zhì)。n選購建議：經(jīng)費允許情況下可選用數(shù)字信號輸出的模塊。8Measurement Control Information Processing 導(dǎo)航類傳感器n6.GPS接收機(jī)n原理：通過接收4個以上衛(wèi)星信號計算接收機(jī)的經(jīng)緯度及其他信息。n特點：n功能強大；價格便宜；100塊錢的接收模塊精度大概5米；室內(nèi)可能信號不好；全球衛(wèi)星免費用（國產(chǎn)北斗）。n使用建議：絕大部分的手機(jī)都有GPS功能，可考慮寫程序

6、調(diào)用其GPS信號。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：n不需要依賴其它環(huán)境（如電子羅盤需要地磁場），可靠性高，穩(wěn)定性好；價格不等，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；但存在時漂問題，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 計數(shù)類傳感器n8.光電碼盤（光柵）n原理：碼盤圓周上開若干小孔，碼盤上下方各有一

7、個光電發(fā)射管和一個光電接收管，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生脈沖信號，通過脈沖信號計數(shù)。n特點：n一般用于電機(jī)測速。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 計數(shù)類傳感器n9.霍爾器件n原理：霍爾器件上方有磁鐵時，輸出電平會翻轉(zhuǎn)。n特點：n一般用于無刷電機(jī)（轉(zhuǎn)子是永磁鐵）測速。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！選傳感器和買傳感器十分簡單，但從傳感器讀取數(shù)據(jù)可能會花費非常多的時間。n接口用于兩個器件之間數(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，可長距離輸送信號。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，使用時較為簡單，直接往對應(yīng)寄存器里寫數(shù)據(jù)，單片機(jī)就能夠自動解碼發(fā)送出去。16Measurement Control Information Processing SPI和IICn如果單片機(jī)沒有SPI（IIC），也可以用模擬的方法來實現(xiàn)，即用普通的I/O口對照協(xié)議來編程（要注意時鐘信號）。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通信?，F(xiàn)在的筆記本一般都沒有串口，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：性能最穩(wěn)定，價格略高。18Measuremen