IoT物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備中30種常見傳感器模塊簡介及原理講解

IoT物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備中30種常見傳感器模塊簡介及原理講解別出BUG求求了于2022-07-2313:58:09發(fā)布閱讀量7k收藏147點贊數(shù)8分類專欄：ARM微型電腦/IoT設(shè)備/嵌入式文章標簽：物聯(lián)網(wǎng)單片機嵌入式硬件傳感器簡介和原理版權(quán)ARM微型電腦/IoT設(shè)備/嵌入式專欄收錄該內(nèi)容23篇文章9訂閱訂閱專欄IoT物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備中30種常見傳感器模塊簡介及原理講解0、前言一、光學傳感器模塊：1.光敏傳感器模塊：2.紅外避障模塊3.循跡傳感器模塊4.U型光電傳感器模塊5.紅外接收模塊6.火焰?zhèn)鞲衅髂K7.脈搏傳感器8.攝像頭模塊二、力學傳感器模塊：9.傾斜開關(guān)傳感器模塊10.振動傳感器模塊11.MPU6050陀螺儀三軸加速度傳感器模塊12.壓力傳感器模塊三、磁類傳感器：13.干簧管傳感器模塊14.霍爾傳感器模塊四、開關(guān)類傳感器模塊：15.輕觸開關(guān)按鈕模塊16.雨滴檢查傳感器模塊17.土壤濕度傳感器18.觸摸傳感器模塊五、氣體類：19.模擬溫度傳感器20.DHT11濕度傳感器模塊21.煙霧傳感器模塊22.BMP180氣壓傳感器模塊六、模擬量傳感器：23.AD/DA轉(zhuǎn)換PCF8591傳感器模塊24.PS操作傳感器模塊25.電位器傳感器模塊七、聲學傳感器：26.超聲波傳感器模塊27.聲音傳感器模塊八、信息傳輸模塊：28.MP3藍牙解碼板29.藍牙數(shù)據(jù)模塊30.WIFI模塊0、前言人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要傳感器。因此可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。各類傳感器模塊上都有其核心部分和輔助電路，如光敏電阻傳感器上的光敏電阻就是整個模塊的靈魂，它是電路與外界溝通的橋梁，而輔助電路單元只是為了能夠簡單處理輸入、輸出量，讓敏感元件和模塊的插口能夠安全對接并正常傳輸數(shù)據(jù)。大多數(shù)傳感器的核心部件測量的物理、化學量都是模擬量，因此輔助電路為插口輸出預期值（比如把模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量）做出了巨大貢獻。之所以封裝成模塊是為了方便使用者直接用它插口的輸出量來完成預期功能，省去了自己設(shè)計、制作并調(diào)試電路的時間。今天小編就帶大家了解一下市場上常見的各類傳感器模塊及其簡單工作原理！當然每一種傳感器還有不同型號，文章中每種傳感器只舉一例，各種同類型的傳感器模塊的原理和使用方法大同小異。以下的分類是小編根據(jù)其測量的物理、化學量的特點大致分類的，不要鉆牛角尖哦?。?！這里介紹幾個模塊上常見的插口標識及術(shù)語：VCC：電源正極（一般為5V）GND：電源負極（0V）AO：模擬量輸出DO：數(shù)字量輸出OUT：輸出開關(guān)量：高低電平一般情況下各種敏感元件測量的都是模擬量，為了能把模擬量轉(zhuǎn)換成開關(guān)量供單片機使用，大多數(shù)模塊都會使用LM3983芯片及相關(guān)電路。LM393芯片外觀及內(nèi)部邏輯電路如下圖。LM393是雙電壓比較器，有8個引腳，將芯片的凹槽向上（如右上），右上角為VCC，左下角為GND，這兩個引腳為芯片正常工作提供條件；其余的6個引腳分為左右兩組，每一組都含有一個比較器，每個比較器都有兩個輸入端和一個輸出端；當比較器“+”極電壓大于“-”極電壓時，輸出端（OutputA/OutputB）輸出高電平，否則輸出端輸出低電平；利用這一特性，它常常被用作探測電壓的變化，然后控制一個電路的開關(guān)（具體電路及詳細使用方法請自行百度）。一、光學傳感器模塊：1.光敏傳感器模塊：光敏傳感器是最常見的傳感器之一它的核心元件——光敏電阻可以將光信號（光強度）轉(zhuǎn)換為電信號（光敏電阻的電阻）；然后比較電路把經(jīng)過光敏電阻的電壓和經(jīng)過電位器的電壓進行比較，并向DO口輸出高電壓或低電壓供用戶使用；而AO口是直接經(jīng)過光敏電阻降壓后的電路，所以輸出的是在GND和VCC之間的任一電壓值；當然VCC和GND是模塊元件和芯片正常工作的基本條件，不可或缺?。?！光敏傳感器常用于相機自動調(diào)光圈或路燈自動開關(guān)等。2.紅外避障模塊紅外避障模塊有與上面介紹的光敏傳感器基本相同的輔助電路（都有LM393芯片及周邊電路）；核心元件為紅外線發(fā)射管（圖中透明元件）和紅外線接收管（黑色），發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線；當發(fā)射的紅外線被前方的障礙物反射，接收管接收到紅外線時，此時比較電路就會比較經(jīng)過接收管和電位器的電壓，進行與光敏傳感器模塊相同的輸出操作（由OUT腳輸出對應電信號）。紅外避障模塊常用來制作智能小車，如做循跡車的道路檢測部分、避障車的障礙物檢測部分等。3.循跡傳感器模塊可以很清楚的看到循跡傳感器模塊也包含比較電路，它與紅外避障模塊原理相同，也是發(fā)射紅外線——紅外線遇到障礙物反射——接收紅外線；它的核心元件是紅外對管，它由紅外發(fā)射管和紅外三極管組成，紅外三極管與常見的PNP/NPN三極管工作原理類似，它與紅外二極管的不同在于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的同時，也將電流放大，只是它接收的是光，而不是電，只要接收到光，就會有電流從紅外三極管的一端流向另一端；紅外對管的發(fā)射管與接收管由塑料殼固定并隔開來避免發(fā)射管里面的紅外線直接被紅外三極管接收到，造成不必要的干擾；這個模塊是設(shè)計來制作循跡車的，所以檢測部分和其它電路單元在PCB板的不同面(檢測部分面向地面，電路在另一面）,這樣即方便觀察電路板上的指示燈狀態(tài)，又不用擔心電子元件朝向地面碰撞或沾水損壞。4.U型光電傳感器模塊U型光電傳感器模塊又叫做槽型光耦模塊、測速傳感器模塊、計數(shù)器模塊；它也含有比較電路，與以上幾種比較電路不同的是，這個模塊上沒有電位器，這是因為上面幾種模塊對環(huán)境要求比較嚴格（比如太陽光，燈光等都會對它的接收端造成影響），要根據(jù)實際外界情況調(diào)整電位器達到預期效果，而U型槽光電模塊直接將接收管和發(fā)射管置于相對的兩側(cè)，再分別用塑料殼包裝，只留很小的空隙發(fā)射和接收紅外光，所以受到外界的干擾較少，可以用貼片電阻直接取代電位器，減少成本、縮小體積并達到預期效果；計數(shù)器模塊不是單獨使用的，常常配合測速碼盤使用的，測速碼盤外觀如上圖中圓形物件，一般為塑料材質(zhì)；碼盤固定在轉(zhuǎn)軸上，碼盤外圍的空隙置于槽型光耦模塊的U型槽之間；U型槽兩端的元件與紅外對管原理相同，只是將它們放在U型槽的兩邊，并在它們之間留很小的空隙透光；當圓盤外圍的光柵擋住紅外光時，模塊的OUT腳會輸出一種開關(guān)量，當光柵空隙在U型槽之間時，模塊輸出相反的開關(guān)量；因為可以根據(jù)數(shù)理計算得到碼盤的轉(zhuǎn)動情況，這樣就可以計算出軸承的轉(zhuǎn)速及其它相連的機械物件的角速度或線速度了，也可用根據(jù)實際機械結(jié)構(gòu)來計數(shù)。5.紅外接收模塊紅外接收模塊用于接收紅外信號，一般用于接收數(shù)字紅外信號，如電視遙控器發(fā)出的紅外信號；紅外接收電路通常被廠家集成在一個元件中，包含紅外檢測二極管、放大器等，成為一體化紅外接收頭；紅外接收頭需要VCC和GND提供工作條件，它接收到紅外信號會在OUT腳輸出低電平，平時OUT腳為高電平；由于自然光常常包含紅外線等波長的光，所以為了屏蔽自然光中紅外線的干擾，紅外線接收頭常常用黑色塑料包裝，而用鐵殼就可以遮擋一部分光，使接收頭接收一定角度內(nèi)的紅外信號。6.火焰?zhèn)鞲衅髂K由于火焰的光包含大量紅外線，所以可以用紅外線接收裝置直接接收外界的光，再通過模塊的比較電路判斷是否著火；下面的模塊有4個端口，其中VCC為電源正極，GND為電源負極，AO直接輸出檢測到的模擬量，DO輸出經(jīng)過LM393芯片判斷后的開關(guān)量。7.脈搏傳感器脈搏傳感器按照輸出方式有模擬輸出、數(shù)字輸出兩種。按照采集信號的方式主要可以分為壓電式、壓阻式、光電式等三種；其中壓電式和壓阻式通過微壓力型的材料（壓電片、電橋等）將脈搏跳動的壓力過程轉(zhuǎn)換為信號輸出。光電式脈搏傳感器則通過反射或?qū)ι涫降姆绞?，將血管在脈搏跳動過程中透光率的變化轉(zhuǎn)換為信號輸出；脈搏傳感器主要應用在醫(yī)療設(shè)備、教學設(shè)備，教學實訓等領(lǐng)域，如血氧測量、心率監(jiān)測、中醫(yī)脈象診斷等等。8.攝像頭模塊攝像頭模塊的核心元件是鏡頭內(nèi)部嵌有的小塊感光元件，感光元件又叫圖像傳感器；模塊傳輸出去的圖像品質(zhì)與這個感光元件的精密程度有直接關(guān)系；感光元件主要有兩種：CCD（電荷耦合）、CMOS（互補金屬氧化物半導體），大多數(shù)手機中的數(shù)碼相機的感光元件基本都是COMS的；CCD是一種高感光度的半導體材料，由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位；當當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，即把光線轉(zhuǎn)變成電荷；所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。而后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過壓縮后保存在相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡中。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機的制造技術(shù)沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。二、力學傳感器模塊：9.傾斜開關(guān)傳感器模塊傾斜開關(guān)的金屬頭中有一個小鋼珠，根據(jù)小球向低處走的特性，使開關(guān)閉合或斷開；目前大多數(shù)滾珠開關(guān)的材料是水銀，有易破損、氧化、漏氣、壽命短、環(huán)境污染大的缺點；而鋼球開關(guān)撇棄了以上的種種缺點，更環(huán)保易用，并且更加安全。此模塊的端口可輸出模擬量和數(shù)字量。10.振動傳感器模塊振動傳感器模塊的核心元件是振動開關(guān)，振動開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖；振動元件的一端是金屬棒，另一端為金屬彈簧，兩極一般是分開的；當有振動產(chǎn)生時，彈簧振動接觸到金屬棒，則元件兩極導通，可以通過這種方式檢測是否有振動產(chǎn)生；其實振動開關(guān)很常見，滑板能發(fā)光的輪子里面有個彈簧開關(guān)，當輪子轉(zhuǎn)動的時候，彈簧被甩向輪子軸心的遠處，那里有另一個電極，彈簧和另一個電極接觸便可以導通電路，讓燈亮起來，悠悠球里面的燈也是這樣亮起來的，有些童鞋也會裝有類似的裝置，它們都是振動傳感器的簡化版。11.MPU6050陀螺儀三軸加速度傳感器模塊MPU6000是全球首例整合6軸運動出力的組件，它整合了3軸陀螺儀和3軸加速器，并使用IIC端口向外傳輸測量數(shù)據(jù)；可用于運動感測游戲、現(xiàn)實增強、電子穩(wěn)像、光學穩(wěn)像、行人導航器、“零觸控”手勢用戶接口、姿勢快捷方式、車輪力傳感器；智能型手機、平板裝置設(shè)備、手持型游戲產(chǎn)品、游戲機、3D遙控器、可攜式導航設(shè)備都會用到MPU6000，它的潛力很大，技術(shù)高新，價格比其它傳感器貴。12.壓力傳感器模塊壓力傳感器由壓敏元件和信號處理單元組成；電阻應變片是壓阻式傳感器的主要組成部分之一；金屬應變片吸附在基體材料上，基體材料一般會設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)以應對不同大小的力；當基體材料受到力的作用形變，其表面的電阻應變片的電阻會呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，這種現(xiàn)象被稱作電阻應變效應；壓力傳感器是比較常見的傳感器，家用電子秤、電子血壓計、自動化工廠都會用到壓力傳感器；下圖為家用電子秤的壓敏元件。三、磁類傳感器：13.干簧管傳感器模塊干簧管是一種磁敏的特殊開關(guān)，可以檢測周圍是否有磁場；它通常由兩個軟磁性材料做成，兩個簧片被封裝在玻璃管內(nèi)，為防止簧片觸點多次的接觸與斷開形成氧化膜絕緣，玻璃管內(nèi)充有惰性氣體；無磁時兩個簧片斷開，有磁時兩個簧片接觸，是個常用且廉價的磁性開關(guān)。14.霍爾傳感器模塊與干簧管不同的是，霍爾元件可以測量磁性的大小，下圖的模擬霍爾傳感器模塊輸出值與磁性大小有一定的線性關(guān)系，因此可以通過它的輸出值計算磁性大小，當然它也可以加比較電路達到與干簧管傳感器相同的功能?；魻栐ぷ饔迷硪簿褪腔魻栃^霍爾效應如右上圖所示，讓以電流I通過導體，在與電流垂直的平面加一個方向的磁場B，則電流方向的電荷會受到洛倫茲力，則會使同時垂直于電流方向與磁場方向的導體兩端出現(xiàn)電勢差，霍爾元件通過這個原理測量這個電勢差，最終將模擬量輸出。四、開關(guān)類傳感器模塊：15.輕觸開關(guān)按鈕模塊這種模塊就是裝有單個或多個微動開關(guān)矩陣的模塊，并設(shè)計相應數(shù)量的插針或焊點，原理很簡單，這里不做解釋。16.雨滴檢查傳感器模塊雨滴檢查傳感器由兩部分組成——檢測面板和比較模塊；如果有雨滴落在檢測板的兩個電極之間，就會有電流通過水滴，模塊通過比較通過水滴的電壓和通過電位器的電壓，然后從DO腳輸出低電平，開關(guān)指示燈亮，反之開關(guān)指示燈滅，DO口為高電平；AO腳輸出的是通過水滴的模擬電壓值；這個模塊的工作原理也相對簡單，可用作天氣狀況監(jiān)測或汽車雨刮器的檢測單元。17.土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器的檢測元件是一個U型的電路板，U型板兩邊電極是不相連的，它的原理與雨滴檢查傳感器的原理是一樣的；使用時將U型電路板插入土壤，由于土壤中有水分，會有一定的電流從U型電路板的一端通向另一端；土壤中的水分越多，通過的電流就越多；比較模塊比較通過檢測板后的電壓并輸出開關(guān)量，這個模塊也有模擬量（AO）輸出。18.觸摸傳感器模塊觸摸傳感器模塊中的監(jiān)測部分是上圖中的白色同心環(huán)，同心環(huán)下面有環(huán)形電路，如果手指接近這個電路，環(huán)形電路部分的電容就會改變，其它的電路通過監(jiān)測這個變化值來確定是否有手指接近，然后輸出檢測量；它僅有三個端口，一個電源（VCC）、一個接地（GND）和一個信號輸出（SIG），當然SIG腳輸出的也是開關(guān)量供外部電路使用。五、氣體類：19.模擬溫度傳感器顧名思義，模擬溫度傳感器的輸出量為模擬量（未經(jīng)電路處理），下圖的傳感器元件為LM35溫度傳感器探頭；它有三個管腳，VCC、GND和VOUT，由于它采用內(nèi)部補償，所以它VOUT腳的輸出量可以在沒有輔助電路的情況下與攝氏溫度值一一對應，它也可以增加比較電路來輸出開關(guān)量。20.DHT11濕度傳感器模塊DTH11濕度傳感器模塊可以檢測周圍環(huán)境的濕度，下面的模塊同時帶有溫度傳感器；DHT11是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，它包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接；模塊有3路端口，其中DATA腳向外輸出濕度和溫度數(shù)據(jù)。21.煙霧傳感器模塊下圖的傳感器核心元件是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫；當傳感器所處的環(huán)境中有可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大；使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為該氣體濃度的輸出信號，也可以輸出開關(guān)信號。22.BMP180氣壓傳感器模塊BMP180是一款高精度、小體積、超低能耗的壓力傳感器，可以應用在移動設(shè)備中它的性能卓越，絕對精度最低可以達到0.03hPa，并且耗電極低，只有3μA；BMP180采用強大的8-pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過I2C總線直接與各種微處理器相連。六、模擬量傳感器：23.AD/DA轉(zhuǎn)換PCF8591傳感器模塊大家都知道模擬量和數(shù)字量是兩個相對的量，不能串通使用，這個模塊的作用就是實現(xiàn)數(shù)、模之間的轉(zhuǎn)換；PCF8591芯片具有4個模擬量輸入、1個模擬量輸出和1個IIC總線（一種不同芯片之間的通信協(xié)議）接口；也就是說它最多可以接收4路模擬量，將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后通過IIC總線將數(shù)據(jù)包裝發(fā)送出去供外部電路使用；那1個模擬量輸出就是外部電路將數(shù)字量通過IIC總線送給PCF8591芯片，芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，并發(fā)送給模擬量輸出端口；使用這個模塊要用IIC總線，IIC總線是芯片之間的一種通信協(xié)議，這里就不做詳細解釋了；同時它上面也自帶可選擇使用的光敏電阻、電位器和熱敏電阻來采集環(huán)境變量；此模塊是數(shù)字電路與模擬電路之間的橋梁，可用于萬用表中測量電壓或電流等。24.PS操作傳感器模塊PS操作傳感器模塊具有二路模擬輸出和一路數(shù)字輸出接口，它在空間中被定義了X、Y、Z軸；搖桿在X、Y軸的偏移會導致相對應的電位器觸點偏移，因而使接入電路的電阻有變化，從VCC通過電位器會有一定的壓降，這個電壓會在X、Y軸的相應端口輸出，而從Z軸按下時，搖桿下面的微動開關(guān)會與GND接通，這個開關(guān)量會在Z軸的端口輸出；由于它X、Y軸輸出的是模擬量，數(shù)字電路無法直接使用，所以一般需要經(jīng)過模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換才能正常使用。25.電位器傳感器模塊電位器的結(jié)構(gòu)圖如下，VCC和GND分別接到A、C端，模塊的OUT腳接到B端，B端與滑動端導通，電阻體具有一定的電阻，當滑動端在可動范圍內(nèi)滑動時，B端的電壓與角度有線性關(guān)系，這樣B端就可以獲得在VCC與GND之間的任意電壓供其它電路使用。七、聲學傳感器：26.超聲波傳感器模塊由于超聲波方向性好和反彈能力強的特點，常被應用于軍事潛艇的聲吶，超聲波傳感器模塊就是聲吶的縮小版；超聲波傳感器模塊其實是一個已經(jīng)高度封裝好的模塊，模塊的正面由一個超聲波發(fā)射器和超聲波接收器組成，背面是很復雜的電路；它有4個端口：VCC和GND提供工作電壓，Trig是控制端，可以接受外部控制電路的操作信號開始測距，Echo為接收端，它可以以一定規(guī)律的信號響應模塊測量的數(shù)據(jù)；時序圖由于它是高度封裝的，使用起來其實很簡單：采用IO觸發(fā)測距，至少給Trig端10微秒的高電平信號，如上圖第一條圖線（高低電壓顯而易見）；當模塊內(nèi)部電路檢測到至少10微秒的高電平信號后就開始從發(fā)射端發(fā)射8個40khz的方波（如第二條線），并自動檢測是否有信號返回；如果有信號返回，即接收端接收到發(fā)出去的超聲波，則超聲波模塊會從Echo讓端口保持一定時間的高電平，持續(xù)的時間與測得的距離成正比，這樣就可以用其它芯片測算這個高電壓的持續(xù)時間實現(xiàn)準確測距；這便是一個測距功能的完整過程。27.聲音傳感器模塊聲音傳感器模塊只能檢測外界的聲音有無（靈敏度可調(diào)），并不能測量聲音的大小，而部分模塊有模擬量輸出，也就是它可以識別來聲音大小。當聲音大于電位器的定位對應的聲音時，模塊上指示燈會