物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐(項目式)熊茂華項目3

項目三傳感器與檢測的實(shí)現(xiàn)3.1任務(wù)一：傳感器的基礎(chǔ)知識3.2任務(wù)二：檢測技術(shù)基礎(chǔ)3.3任務(wù)三：典型傳感器的選擇3.4任務(wù)四：物聯(lián)網(wǎng)中傳感器應(yīng)用實(shí)踐3.1任務(wù)一：傳感器的基礎(chǔ)知識

3.1.1傳感器的概述

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度)或化學(xué)組成(如煙霧)，并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。3.1.2傳感器的分類

1.按傳感器的用途分類

傳感器按照其用途分為力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器和24?GHz雷達(dá)傳感器。

2.按傳感器的原理分類

傳感器按照其原理可分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器和生物傳感器。

3.按傳感器的輸出信號標(biāo)準(zhǔn)分類

傳感器按照其輸出信號的標(biāo)準(zhǔn)分類可分為以下四種：

(1)模擬傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

(2)數(shù)字傳感器：將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

(3)膺數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

(4)開關(guān)傳感器：當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

4.按傳感器的材料分類

在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點(diǎn)出發(fā)可將傳感器分成下列三類：

(1)按照其所用材料的類別分類：金屬聚合物和陶瓷混合物。

(2)按材料的物理性質(zhì)分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體和磁性材料。

(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分類：單晶、多晶和非晶材料。與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向：

(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實(shí)際使用。

(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。

(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實(shí)施。

5.按傳感器的制造工藝分類

傳感器按照其制造工藝分類可分為以下四種：

傳感器按照其制造工藝可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。

6.按傳感器的測量目的不同分類

傳感器根據(jù)測量目的不同可分為物理型傳感器、化學(xué)型傳感器和生物型傳感器。

(1)物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化的特性制成的。

(2)化學(xué)型傳感器是利用能把化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等化學(xué)量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量的敏感元件制成的。

(3)生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測與識別生物體內(nèi)化學(xué)成分的傳感器。3.1.3傳感器的性能指標(biāo)

1.傳感器靜態(tài)特性

(1)線性度：

(2)靈敏度：

(3)遲滯：

(4)重復(fù)性：

(5)漂移：

2.傳感器動態(tài)特性

所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實(shí)驗方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。

3.傳感器的線性度

通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度(非線性誤差)，就是這個近似程度的一個性能指標(biāo)。

4.傳感器的靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。

它是輸出-輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

5.傳感器的分辨率

分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。3.1.4傳感器的組成和結(jié)構(gòu)

國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665—87)中傳感器(Transducer/Sensor)的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。圖3.1傳感器組成框圖3.2任務(wù)二：檢測技術(shù)基礎(chǔ)

3.2.1檢測系統(tǒng)概述

檢測是人類認(rèn)識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。檢測技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類的進(jìn)步和人類社會的繁榮?，F(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、科研等各行業(yè)，檢測技術(shù)的作用越來越大，檢測設(shè)備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人們傳輸各種有用的信息。微處理器芯片使傳統(tǒng)的檢測技術(shù)采用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理成為現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含測量、故障診斷、信息處理和決策輸出等多種內(nèi)容，具有比傳統(tǒng)的“測量”更豐富的范疇和模仿人類專家信息綜合處理能力。一般具有以下特點(diǎn)：

(1)軟件控制測量過程。

(2)智能化數(shù)據(jù)處理。

(3)高度的靈活性。

(4)實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測與信息融合。

(5)測量速度快。

(6)智能化功能強(qiáng)。3.2.2檢測技術(shù)分類

1.按測量過程的特點(diǎn)分類

1)直接測量法

(1)偏差測量法。

(2)零位測量法。

(3)微差測量法。

2)間接測量法

在使用儀表或傳感器進(jìn)行測量時，首先對與測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量進(jìn)行測量，將被測量代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計算得到所需要的結(jié)果，這種測量方法稱為間接測量法。間接測量法的測量手續(xù)較多，花費(fèi)時間較長，常用于不易直接測量或者缺乏直接測量手段的場合。3)組合測量法

組合測量法是一種特殊的精密測量方法。被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得到最后結(jié)果。組合測量操作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時間長，多用于科學(xué)實(shí)驗或特殊場合。

2.按測量的精度因素分類

(1)等精度測量法：用相同精度的儀表與測量方法對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量。

(2)非等精度測量法：用不同精度的儀表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量。

3.按測量儀表特點(diǎn)分類

(1)接觸測量法：傳感器直接與被測對象接觸，承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得其信號，并測量其信號大小的方法。

(2)非接觸測量法：傳感器不與被測對象直接接觸，而是間接承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，并測量其信號大小的方法。

4.按測量對象的特點(diǎn)分類

(1)靜態(tài)測量法：指被測對象處于穩(wěn)定情況下的測量，此時被測對象不隨時間變化，故又稱為穩(wěn)態(tài)測量。

(2)動態(tài)測量法：指被測對象處于不穩(wěn)定情況下進(jìn)行的測量，此時被測對象隨時間而變化，因此，這種測量必須在瞬間完成，才能得到動態(tài)參數(shù)的測量結(jié)果。3.2.3檢測系統(tǒng)組成

1.檢測系統(tǒng)構(gòu)成

在工程中，由傳感器與多臺儀表組合在一起，完成信號的檢測，這就形成了一個檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機(jī)結(jié)合。圖3.2檢測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

2.開環(huán)檢測系統(tǒng)和閉環(huán)檢測系統(tǒng)

1)開環(huán)檢測系統(tǒng)

開環(huán)檢測系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個方向進(jìn)行，如圖3.3所示。圖3.3開環(huán)檢測系統(tǒng)框圖2)閉環(huán)檢測系統(tǒng)

閉環(huán)檢測系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加了反饋環(huán)節(jié)，使得信息變換與傳遞形成閉環(huán)，能對包含在反饋環(huán)內(nèi)的各環(huán)節(jié)造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使得系統(tǒng)的誤差變得很小。

3.檢測儀表的組成

檢測儀表是實(shí)現(xiàn)檢測過程的物質(zhì)手段，是測量方法的具體化，它將被測量經(jīng)過一次或多次的信號或能量形式的轉(zhuǎn)換，再由儀表指針、數(shù)字或圖像等顯示出量值，從而實(shí)現(xiàn)被測量的檢測。圖3.4檢測儀表的組成框圖3.3任務(wù)三：典型傳感器的選擇

3.3.1磁檢測傳感器

磁檢測傳感器使用的是干簧管。干簧管(ReedSwitch)也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種磁敏的特殊開關(guān)。圖3.5外形和接口原理圖3.3.2光照傳感器

光照傳感器使用的是光敏電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。圖3.6光照傳感器的外形和接口原理圖3.3.3紅外對射傳感器

紅外對射傳感器使用的是槽型紅外光電開關(guān)。紅外光電開關(guān)是捕捉紅外線這種不可見光，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管，轉(zhuǎn)換為可以觀測的電信號。紅外光電傳感器有效地防止周圍可見光的干擾，進(jìn)行無接觸探測，不損傷被測物體。圖3.7紅外對射傳感器模塊和接口原理圖3.3.4人體檢測傳感器

人體檢測傳感器使用的是熱釋電人體紅外線感應(yīng)模塊。人體紅外線感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，用于各類感應(yīng)電器設(shè)備，適合干電池供電的電器產(chǎn)品；低電壓工作模式，可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對接；尺寸小，便于安裝。人體紅外線感應(yīng)模塊適用于感應(yīng)廣告機(jī)、感應(yīng)水龍頭、各類感應(yīng)燈飾、感應(yīng)玩具、感應(yīng)排氣扇、感應(yīng)垃圾桶、感應(yīng)報警器﹑感應(yīng)風(fēng)扇等。這類傳感器種類繁多，通常具有高響應(yīng)、低噪音的特點(diǎn)。圖3.8人體檢測傳感器模塊和接口原理圖3.3.5溫濕度傳感器

1.接口電路

AM2321溫濕度傳感器的實(shí)物與STC12C5A16S2接口電路原理圖如圖3.9所示。圖3.9AM2321溫濕度傳感器實(shí)物與STC12C5A16S2接口電路原理圖

2.通信協(xié)議

AM2321的單總線通信協(xié)議說明：

SDA用于微處理器與AM2321之間的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。具體通信時序如圖3.10所示。圖3.10AM2321單總線通信協(xié)議圖

3.單總線通信時序

用戶主機(jī)(MCU)發(fā)送一次起始信號(把數(shù)據(jù)總線SDA拉低至少800?μs)后，AM2321從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機(jī)開始信號結(jié)束后，AM2321發(fā)送響應(yīng)信號，從數(shù)據(jù)總線SDA串行送出40?bit的數(shù)據(jù)，先發(fā)送字節(jié)的高位；發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束觸發(fā)一次信息采集，采集結(jié)束傳感器自動轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來臨。單總線通信時序如圖3.11所示。圖3.11AM2321單總線通信時序圖圖3.12AM2321單總線通信時序圖圖3.13AM2321單總線通信時序圖圖3.14外部設(shè)備讀取AM2321溫濕度流程圖3.3.6紅外感應(yīng)火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅髂K及管腳說明如圖3.15所示。圖3.15火焰?zhèn)鞲衅髂K及管腳說明圖3.16火焰?zhèn)鞲衅髂K電原理圖3.3.7聲響檢測傳感器

聲響檢測傳感器使用麥克風(fēng)(咪頭)作為拾音器，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，單片機(jī)AD采集，獲取聲響強(qiáng)度信號。咪頭是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，和喇叭正好相反。若選用的是駐極體電容式咪頭。其接口電路原理如圖3.17所示。圖3.17麥克風(fēng)(咪頭)接口電路原理圖圖3.18聲音檢測接口電路3.3.8煙霧檢測傳感器

煙霧傳感器MQ-2，使用的氣敏材料在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧或者可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧和可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。可燃?xì)怏w檢測傳感器MQ-2的實(shí)物如圖3.19所示。圖3.19煙霧傳感器MQ-2實(shí)物和電路原理圖3.3.9結(jié)露檢測傳感器

結(jié)露傳感器HDS10是正特性開關(guān)型元件，僅對高濕敏感，對低濕不敏感，可在直流電壓下工作，響應(yīng)速度快，高可靠性，廣泛用于倉儲、氣象等行業(yè)。圖3.20結(jié)露傳感器實(shí)物和電路原理圖3.3.10酒精檢測傳感器

酒精檢測MQ-3傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸氣時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。圖3.21酒精檢測傳感器實(shí)物和原理圖3.4任務(wù)四：物聯(lián)網(wǎng)中傳感器應(yīng)用實(shí)踐

3.4.1實(shí)踐一：溫濕度傳感器應(yīng)用

本實(shí)踐是在IOT-L01-05型物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗箱上完成。將AM2321溫濕度傳感模塊插到實(shí)驗箱傳感器節(jié)點(diǎn)底板上，然后通過串口線將實(shí)驗箱上相應(yīng)的RS2