傳感器技術(shù)及應(yīng)用：傳感器與遙控裝置

傳感器與遙控裝置任務(wù)一項目學(xué)習(xí)引導(dǎo)任務(wù)二聲控遙控裝置任務(wù)一項目學(xué)習(xí)引導(dǎo)

內(nèi)容一紅外探測的基本概念

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外傳感器技術(shù)的應(yīng)用正向著各個領(lǐng)域延伸，特別是在測量、家用電器、安全保衛(wèi)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。一、紅外輻射

紅外輻射是一種人眼不可見的光線,俗稱紅外線,它是介于可見光中紅色光和微波之間的光線。紅外線的波長范圍大致為0.76～1000μm,對應(yīng)的頻率大致為4×1014～3×1011Hz,工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外四部分，如圖7-1所示。圖7-1電磁波譜圖二、紅外探測器

1.熱探測器

紅外線被物體吸收后將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱探測器正是利用紅外輻射的這一熱效應(yīng)，當(dāng)探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)以及其值的變化就可確定探測器所吸收的紅外輻射。圖7-2電介質(zhì)的極化與熱釋電圖7-3電介質(zhì)的極化矢量與所加電場的關(guān)系

2.光子探測器

光子探測器型紅外傳感器是利用光子效應(yīng)進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，就是當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。通過測量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測器主要有內(nèi)光電探測器和外光電探測器兩種。內(nèi)容二微波傳感器的工作原理

一、微波

如圖7-1所示，微波是介于紅外線與無線電波之間的一種電磁波，其波長為1mm～1m，通常按照波長特征將其細(xì)分為分米波、厘米波和毫米波三個波段。微波在微波通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等無線通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。二、微波傳感器的原理及組成

1.微波傳感器的原理

微波具有以下特點：

(1)需要定向輻射裝置；

(2)遇到障礙物容易反射；

(3)繞射能力差；

(4)傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、灰塵等的影響較小；

(5)介質(zhì)對微波的吸收大小與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，如水對微波的吸收作用最強(qiáng)。

2.微波傳感器的組成

(1)微波發(fā)生器

(2)微波天線

(3)微波檢測器圖7-4常用的微波天線三、微波傳感器的特點

1.優(yōu)點

(1)微波傳感器是一種非接觸式傳感器，如進(jìn)行活體檢測時大部分不需要取樣。

(2)微波傳感器的波長為1mm～1m，對應(yīng)的頻率范圍為300MHz～300GHz，因此有極寬的頻譜。

(3)可在惡劣的環(huán)境下工作(高溫、高壓、有毒、有放射線等)，它基本不受煙霧、灰塵和溫度的影響。

(4)頻率高，時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可用于動態(tài)檢測與實時處理。

(5)測量信號本身是電信號，無需進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，簡化了處理環(huán)節(jié)。

(6)輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進(jìn)行反射和接收，傳輸距離遠(yuǎn)，可實現(xiàn)遙測和遙控。

(7)不會帶來顯著的輻射。

2.缺點

(1)存在零點漂移，給標(biāo)定帶來困難。

(2)測量環(huán)境對測量結(jié)果影響較大，如溫度、氣壓、取樣位置等。內(nèi)容三超聲波傳感器的工作原理

超聲波傳感器是一種以超聲波作為檢測手段的新型傳感器。利用超聲波的各種特性，可做成各種超聲波傳感器，再配上不同的測量電路，制成各種超聲波儀器及裝置，廣泛地應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個工業(yè)部分的超聲探測、超聲清洗、超聲焊接、超波檢測和超波醫(yī)療等方面。一、超聲波及其物理特性

1.超聲波的概念

介質(zhì)中的質(zhì)點以彈性力互相聯(lián)系。某質(zhì)點在介質(zhì)中振動，能激起周圍質(zhì)點的振動。質(zhì)點振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播形成機(jī)械波。根據(jù)聲波頻率的范圍，聲波可分為次聲波、聲波和超聲波。其中，頻率在16～2×104Hz，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；頻率低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；頻率高于2×104Hz的機(jī)械波，稱為超聲波。各種波的頻率范圍如圖7-5所示。圖7-5聲波的頻率界限圖聲波的頻率很高，與光波的某些特性就越相似。超聲波波長、頻率與波速的關(guān)系為

式中：λ為波長，c為波速，f為頻率。

2.超聲波的物理性質(zhì)

1)超聲波的波形

由于聲源在介質(zhì)中的施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也有所不同。常有以下幾種波形：

①縱波：質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播。

②橫波：質(zhì)點的振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播。

③表面波：質(zhì)點的振動方向介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?/p>

2)超聲波的傳播速度

縱波、橫波及表面波的傳播速取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)

及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，氣體中聲速為344m/s，液體中聲速為900～1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系。通?？烧J(rèn)為橫波聲

速為縱波聲速的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%。

3)超聲波的反射和折射

超聲波從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分則透過分界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。這兩種情況分別稱為超聲波的反射和折射，如圖7-6所示。其中，α是入射角，α′是反射角，β是折射角。圖7-6超聲波的反射和折射折射定律：當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波在第一介質(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即

4)超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：

式中：Px、Ix分別為聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；P0、I0分別為聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；x為聲波與聲源間的距離；α為衰減系數(shù)。二、超聲波傳感器的工作原理

1.壓電式超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。常用的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器可分為發(fā)生器(發(fā)射探頭)和接收器(接收探頭)兩種。圖7-7壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)

2.磁致式超聲波傳感器

鐵磁材料在交變的磁場方向產(chǎn)生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)的強(qiáng)弱即材料伸長縮短的程度，因鐵磁材料的不同而各異。鎳的磁致伸縮效應(yīng)最大，如果先加一定的直流磁場，再通以交變電流，則它可工作在特性最好的區(qū)域。磁致伸縮傳感器的材料除鎳外，還有鐵鈷釩合金和含鋅、鎳的鐵氧體。它們的工作頻率范圍較窄，僅在幾萬赫以內(nèi)，但功率可達(dá)100kW，聲強(qiáng)可達(dá)幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。任務(wù)二聲控遙控裝置

隨著微電子技術(shù)、無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們生活水平的大幅度提高，人們對居住環(huán)境的安全、方便提出了越來越高的要求，尤其是在智能化住宅中，人們迫切需要一種集安全可靠、使用方便等優(yōu)點于一體的智能門鈴產(chǎn)品，因此本任務(wù)設(shè)計一款無線遙控音樂門鈴系統(tǒng)。要求如下：

·發(fā)射器采用電池供電，靜態(tài)電流??；

·主機(jī)也可以采用電池供電，方便安裝；

·采用無線電進(jìn)行遙控，具有一定的遙控距離；

·在同一區(qū)域范圍內(nèi)能有多套系統(tǒng)同時工作而相互間不影響；

·門鈴按鍵按下有音樂響起；

·主機(jī)有復(fù)位按鍵，可以隨時關(guān)閉音樂；

·門鈴的音樂為3首以上，可以通過程序更改。

內(nèi)容一工作原理

1.系統(tǒng)總體框圖

本設(shè)計采用STC89C51單片機(jī)作為主控制器，外部加上三極管驅(qū)動放音設(shè)備，超再生無線模塊實現(xiàn)無線連接。系統(tǒng)總體框圖如圖7-8所示。

遙控器采用PT2262編碼芯片對信號編碼，由超再生無線模塊發(fā)射信號。遙控器發(fā)射信號如圖7-9所示。圖7-8系統(tǒng)總體框圖圖7-9遙控器發(fā)射信號圖

2.電源電路設(shè)計

家用電壓為220V，而本設(shè)計采用的電壓是5V，如果不用電池，使用家用電的情況下，考慮采用典型的變壓器降壓、全波整流、電容濾波及集成電路穩(wěn)壓的思路進(jìn)行設(shè)計。由于單片機(jī)及后續(xù)的無線接收電路等都用5V作為工作電源，所以在經(jīng)整流和濾波電路后再用三端集成穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，為后續(xù)電路提供穩(wěn)定可靠的5V直流電源，三端穩(wěn)壓集成電路采用LM7805。具體電路圖如圖7-10所示。圖7-10電源供電電路圖

3.發(fā)射電路設(shè)計

由于無線信號容易受外界環(huán)境的影響，因此從系統(tǒng)的可靠性考慮，發(fā)射的控制信號采用編碼的方式進(jìn)行傳送，而且在同一區(qū)域內(nèi)要同時使用多個系統(tǒng)而相互間又不影響，所以無線信號的編碼由SC2262集成電路完成，該電路具有8位地址信號和4位數(shù)據(jù)信號，不同的地址與數(shù)據(jù)的組合，可以編制上萬種編碼，完全可以滿足同一區(qū)域內(nèi)互不影響地工作。發(fā)射芯片地址編碼輸入有“1”、“0”和“開路”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有“1”和“0”兩種狀態(tài)。由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端Dout輸出，通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。圖7-11SC2262-IR引腳圖圖7-12編碼與發(fā)射電路圖

4.接收電路設(shè)計

接收電路的無線接收與解調(diào)部分采用的是現(xiàn)成的高頻接收模塊，可以簡化設(shè)計工作，而且可靠性較好。接收模塊采用的是超再生接收，具體的解調(diào)過程為：當(dāng)發(fā)射器發(fā)送1時，相應(yīng)的發(fā)射高頻電路工作，接收部分就會相應(yīng)地收到一個315MHz的高頻信號，使模塊輸出為1，當(dāng)發(fā)射部分發(fā)送的是0時，發(fā)射高頻部分停止工作，接收部分輸出為0，這樣就實現(xiàn)了無線信號的傳輸。圖7-13數(shù)據(jù)解碼與接收電路

5.主控電路設(shè)計

STC89C51為主要的中央處理系統(tǒng)，單片機(jī)是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機(jī)，這些元件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機(jī)具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應(yīng)用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在智能儀表中單片機(jī)是應(yīng)用最多、最活躍的領(lǐng)域之一。

6.光敏電阻的檢測

播放模塊是由三極管和電阻驅(qū)動構(gòu)成的，三極管將信號放大，然后傳輸?shù)嚼?，喇叭幾乎不存在噪聲，音響效果較好。圖7-14所示為聲音驅(qū)動電路。圖7-14聲音驅(qū)動電路

1)電流放大

如圖7-15所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib，把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。圖7-15三極管放大電路

2)偏置電路

三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路，這有幾個原因。

3)開關(guān)作用

如圖7-15所示，因為受到電阻Rc的限制(Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓)，集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大不能使集電極電流繼續(xù)增大時，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib·β＞Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關(guān)閉合了。

7.程序設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計程序流程圖如圖7-16所示。圖7-16系統(tǒng)總體設(shè)計程序流程圖內(nèi)容二遙控門鈴的制作與調(diào)試

按照圖7-17所示的原理圖進(jìn)行焊接，焊接后的遙控門鈴實物圖如圖7-18所示。圖7-17遙控門鈴原理圖圖7-18遙控門鈴實物效果圖

1.焊接遇到的主要技術(shù)問題

(1)元器件的裝插焊接應(yīng)遵循先小后大、先輕后重、先低后高、先里后外的原則，這樣才有利于裝配的順利進(jìn)行。

(2)在瓷介電容、電解電容及三極管等元件立式安裝時，引線不能太長，否則會降低元器件的穩(wěn)定性；但也不能過短，以免焊接時因過熱損壞元器件。一般要求距離電路板面2mm，并且要注意電解電容的正負(fù)極性不能插錯。

(3)在焊接集成電路時，首先要弄清引腳的排列順序，并與線路板上的焊盤引腳對準(zhǔn)，核對無誤后，先固定IC，然后重復(fù)檢查，確認(rèn)后再焊接其余腳位。由于IC引線腳較密，焊接完后要檢查有無虛焊、連焊等現(xiàn)象，確保焊接質(zhì)量。

(4)焊錫之前應(yīng)該先插上電烙鐵的插頭，給電烙鐵加熱。

(5)焊接時，焊錫與電路板、電烙鐵與電路板的夾