電子設(shè)計(jì)大賽單元模塊之聲音報(bào)警電路 傳感器電路

1、3.5 聲音報(bào)警電路聲音報(bào)警電路通?？梢杂袃煞N方法實(shí)現(xiàn)，一是采用單片機(jī)或可編程邏輯器件完成，二是采用分立元件實(shí)現(xiàn)。3.5.1分立元件制作的聲音報(bào)警電路圖3.5.1所示電路中，LM555電路構(gòu)成的高頻多諧振蕩器由啟動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)后，使LM555的第4腳為高電平，可以產(chǎn)生音頻信號(hào)，Q2則用作音頻放大器和揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)；實(shí)際應(yīng)用時(shí)，也可以將揚(yáng)聲器的電容隔離后接在第3腳的電阻上。圖3.5.1 555電路組成的聲音報(bào)警電路圖3.5.2 或非門(mén)組成的聲音報(bào)警電路圖3.5.2所示電路中，或非門(mén)CD4001A和B構(gòu)成低頻振蕩器，在啟動(dòng)信號(hào)（低電平有效）觸發(fā)下，使或非門(mén)A的一個(gè)輸入端為邏輯“0”，振蕩器從而被激發(fā)，它

2、產(chǎn)生的低頻（約10Hz）方波對(duì)高頻振蕩器（由C、D門(mén)組成）進(jìn)行門(mén)控制，以產(chǎn)生大約1KHz的信號(hào)。調(diào)整可以改變低頻信號(hào)的頻率，調(diào)整可以改變音調(diào)。3.5.2與單片機(jī)接口的聲音報(bào)警電路與程序在MCS-51單片機(jī)的P1.0口接上一個(gè)報(bào)警電路，如圖3.5.3所示。圖3.5.3 單片機(jī)組成的聲音報(bào)警輸出電路單片機(jī)計(jì)數(shù)器R7控制揚(yáng)聲器響的次數(shù)，計(jì)數(shù)器R6控制響停時(shí)間。程序如下： WARM: MOV R7, #10; 響的次數(shù)； WAR2: MOV R6, #200; 響的音調(diào)；WAR0: ACALL DL10 CPL P1.0 DJNZ R6, WAR0 MOV R6 ,#100WAR1: ACALL DL

3、10 DJNZ R6, WAR1DJNZ R7,WAR2RET若晶振頻率為12MHz時(shí)，10ms延時(shí)子程序?yàn)椋?DL10 : MOV R5,#120 DL12 : MOV R4, #250 DL11 : DJNZ R4, DL11 DJNZ R5, DL12 RET3.5.3與可編程邏輯器件接口的聲音報(bào)警電路與程序通過(guò)FPGA進(jìn)行預(yù)分頻產(chǎn)生兩種聲音的頻率每隔0.5秒交替輸出一個(gè)高電平，編輯程序模塊實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警功能，按下button鍵后產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)通過(guò)alarm輸出到圖3.5.3所示的報(bào)警電路可以得到蜂鳴報(bào)警聲。VHDL程序如下：library IEEE；use IEEE.STD_LOGIC_1

4、164.ALL；use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL；use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL；entity plyx_alarm is Port (clk : in std_logic； -50MHz標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)； button: in std_logic；-開(kāi)，停按鍵； alarm : out std_logic)；-輸出；end plyx_alarm；architecture Behavioral of plyx_alarm issignal clk_1_2Hz : std_logic；beginprocess(button,clk)variab

5、le c : integer range 0 to 16000000；begin if button='1' then c:=0;clk_1_2Hz<='0'； elsif rising_edge(clk) then c:=c+1； if c<8000000 then clk_1_2Hz<='0'；elsif c=16000000 then c:=0; else clk_1_2Hz<='1'；end if；end if；end process；process(button,clk)variable c :

6、integer range 0 to 128000；begin if button='1' then c:=0;alarm<='0'； elsif rising_edge(clk) then c:=c+1； if clk_1_2Hz='1' then if c<32000 then alarm<='1'； elsif c=64000 then c:=0； else alarm<='0'； end if；elsif c<64000 then alarm<='1'；e

7、lsif c=128000 then c:=0；else alarm<='0'；end if；end if；end process；end Behavioral；3.6 傳感器及其應(yīng)用電路3.6.1傳感器種類(lèi)介紹1. 傳感器定義傳感器是能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)物理量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子電路所組成。2. 傳感器分類(lèi)（1）按傳感器的機(jī)理及轉(zhuǎn)換形式分類(lèi)有結(jié)構(gòu)型、物性型、數(shù)字（頻率）型、量子型、信息型和智能型。（2）按敏感材料分類(lèi)有半導(dǎo)體型（如元素硅或V 族、VI 族化合

8、物）、功能陶瓷型（如電子型半導(dǎo)體瓷、壓電瓷）、功能高聚物型（如各種高分子有機(jī)半導(dǎo)體、壓電體）等。（3）按測(cè)量對(duì)象參數(shù)分類(lèi)有光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、壓力（壓強(qiáng)）感器、振動(dòng)傳咸器、超聲波傳感器等。（4）按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)有機(jī)器人傳感器、醫(yī)用（生物）感器、環(huán)保傳感器、各種過(guò)程和檢測(cè)傳感器等。362 霍爾傳感器與應(yīng)用電路1. 基本原理霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體的磁電效應(yīng)中的霍爾效應(yīng)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)。 霍爾效應(yīng)：將一載流體置于磁場(chǎng)中靜止不動(dòng)，若此載流體中的電流方向與磁場(chǎng)方向不相同時(shí)，則在此載流體中平行于由電流方向和磁場(chǎng)方向所組成的平面上將產(chǎn)生電勢(shì)，此電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效

9、應(yīng)?；魻栯妱?shì) UH=BbI/nebd式中：B外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；I通過(guò)基片的電流；n基片材料中的載流子濃度；e電子電荷量，e=1.602×10-9C；b基片寬度；d基片厚度。半導(dǎo)體材料的電阻率和遷移率均高，砷化銦和銻化銦常被大量采用作為制作霍爾元件的材料?；魻栐ǔ１恢谱鞒砷L(zhǎng)方形薄片。2. 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝將霍爾元件與測(cè)量電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體，有線(xiàn)性型霍爾傳感器和開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器。 圖3.6.1 霍爾傳感器基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路，如圖3.6.1所示，控制電流（激勵(lì)電流）由電源E供給，其大小可由調(diào)節(jié)電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)，霍爾片輸出端接

10、負(fù)載Rf，Rf可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內(nèi)阻。在磁場(chǎng)和控制電流的作用下，負(fù)載上就有輸出電壓。在實(shí)際使用中，輸入信號(hào)可為電流I或磁感應(yīng)強(qiáng)度B，或者兩者同時(shí)作為輸入，則輸出信號(hào)可正比于I或B，或兩者之積。由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短（約10-1210-14S之間），因此，控制電流用交流電時(shí)，頻率可以很高（幾千兆赫）。3. 典型應(yīng)用轉(zhuǎn)速測(cè)量霍爾傳感器是基于UH=（kH/d）IBsin式工作的，如圖3.6.2所示的非電量通過(guò)彈性元件產(chǎn)生位移便可利用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量。圖3.6.2 非電量通過(guò)霍爾傳感器測(cè)量原理（1）轉(zhuǎn)速測(cè)量原理圖3.6.3霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速示意圖應(yīng)用開(kāi)關(guān)型霍爾

11、傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)速的示意圖如圖3.6.3所示。在非磁材料的圓盤(pán)邊緣上粘貼一塊磁鋼，將圓盤(pán)固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器固定在圓盤(pán)外緣附近，圓盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖，用頻率計(jì)測(cè)量這些脈沖，便可知道轉(zhuǎn)速。設(shè)頻率計(jì)的頻率為f，粘貼的磁鋼數(shù)為Z，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為n=60f/Z（r/min）若Z=60，則n=f，即轉(zhuǎn)速為頻率計(jì)的示值。但是，粘貼60塊磁鋼實(shí)在麻煩，而且若圓盤(pán)很小便裝不下這么多。因此，可視情況粘貼適當(dāng)?shù)膲K數(shù)。例如：可粘貼6塊磁鋼，則轉(zhuǎn)速為n=10f這樣讀數(shù)與計(jì)算都比較方便。 （2）測(cè)量轉(zhuǎn)速電路測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置示意圖如圖3.6.4所示，將霍爾傳感器按圖3.6.3的方式裝成后，再將霍

12、爾傳感器H的1腳和3腳間接2K的電阻，將其輸出端接到數(shù)字式頻率計(jì)的輸入端，即可根據(jù)相應(yīng)的情況計(jì)算出被測(cè)機(jī)械的轉(zhuǎn)速。圖3.6.4 測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置具體的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖3.6.5所示。該電路采用霍爾IC UGN3040檢測(cè)磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)。UGN3040是集電極開(kāi)路元件，外接上拉電阻。當(dāng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾IC的輸出也隨之變化，B點(diǎn)是經(jīng)過(guò)三極管反相后的輸出。后續(xù)電路可用計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)速。圖3.6.5 轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)電路開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器還可選用UGN-3020，UGN-3030型，其電源電壓為4.525V，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小要求不嚴(yán)格，當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，其輸出截止電壓的幅值U012V。亦可選用國(guó)產(chǎn)CS8

13、37，CS6837型，其電源電壓為10V；CS839，CS6839其電源電壓為18V。但應(yīng)注意的是，CS型開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器為雙端輸出，也屬于集電極開(kāi)路輸出級(jí)。不管是單端輸出還是雙端輸出，電源和集電極間必須接上負(fù)載電阻才能正常工作。363金屬傳感器與應(yīng)用電路1. 集成金屬傳感器的分類(lèi)集成金屬傳感器包括兩種類(lèi)型：電容式接近開(kāi)關(guān)和電感式接近開(kāi)關(guān)。（1）電感式接近開(kāi)關(guān)電感式接近開(kāi)關(guān)是建立在電磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)上而工作的。由電磁場(chǎng)理論可知，在受到時(shí)變電磁場(chǎng)作用的任何導(dǎo)體中，都會(huì)產(chǎn)生電渦流。成塊的金屬置于變化的磁場(chǎng)中，或者在固定的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的磁力線(xiàn)在金屬內(nèi)是閉合的，所

14、以稱(chēng)為渦流。導(dǎo)體影響使線(xiàn)圈的阻抗發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為反阻抗作用。該傳感器利用受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流，調(diào)節(jié)線(xiàn)圈原有阻抗。因此電感式接近開(kāi)關(guān)可以作為金屬探測(cè)器。幾種常用的電感式接近開(kāi)關(guān)的外形如圖3.6.6所示。*齊平安裝；檢測(cè)距離： 3，5，10mm*非齊平安裝；檢測(cè)距離： 8，12，20mm（a） 帶螺紋塑料圓柱形*齊平安裝；檢測(cè)距離：3，5，10mm*非齊平安裝；檢測(cè)距離：8，12，20mm（b）鍍鉻黃銅圓柱外殼 *齊平安裝；檢測(cè)距離：1.5，3，5，10mm*非齊平安裝；檢測(cè)距離：4，8，12，20mm（c）不銹鋼圓柱外殼圖3.6.6 常用電感式接近開(kāi)關(guān)（2）電容式接近開(kāi)關(guān)電

15、容式接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面由兩個(gè)同軸金屬電極構(gòu)成，很像“打開(kāi)的”電容器的電極，如圖3.6.7所示。電極A和電極B連接在高頻振子的反饋回路中。該高頻振子無(wú)測(cè)試目標(biāo)時(shí)不感應(yīng)。當(dāng)測(cè)試目標(biāo)接近傳感器表面時(shí)，測(cè)試目標(biāo)就進(jìn)入了由這兩個(gè)電極構(gòu)成的電場(chǎng)，引起A、B之間的偶合電容增加，電路開(kāi)始振蕩。該振蕩信號(hào)由電路檢測(cè)，并形成開(kāi)關(guān)信號(hào)。電容式接近開(kāi)關(guān)主要由振蕩電路、檢波、整形電路、開(kāi)關(guān)電路等幾部分組成，如圖3.6.7所示。圖3.6.7 電容器的極板位置圖3.6.8 常用電容式接近開(kāi)關(guān)常用的電容式接近開(kāi)關(guān)的外形如圖3.6.8所示；外形、安裝方式、接線(xiàn)方式、檢測(cè)距離等參數(shù)與電感式接近開(kāi)關(guān)基本相同。2. 自制簡(jiǎn)易金屬傳感器

16、電路競(jìng)賽時(shí)也可以自制金屬傳感器。由電磁場(chǎng)理論可知，在受到時(shí)變電磁場(chǎng)作用的任何導(dǎo)體中，都會(huì)產(chǎn)生電渦流。電渦流式傳感器的靈敏度和線(xiàn)性范圍是與線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布狀況有關(guān)，磁場(chǎng)沿徑向分布范圍大，則線(xiàn)性范圍就大，軸向磁場(chǎng)梯度大，則靈敏度就高。它們與傳感器線(xiàn)圈的尺寸和形狀有關(guān)。根據(jù)這種關(guān)系就可以確定線(xiàn)圈的形狀和尺寸參數(shù)。 當(dāng)x小時(shí)（被測(cè)物體靠近線(xiàn)圈），線(xiàn)圈半徑rb小，則產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大。 當(dāng)x大時(shí)（被測(cè)體遠(yuǎn)離線(xiàn)圈），磁感應(yīng)強(qiáng)度小，且半徑小的變化梯度大，線(xiàn)圈半徑大的變化梯度小。對(duì)渦流傳感器通常設(shè)計(jì)為截流扁平線(xiàn)圈，產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以視為由相應(yīng)的單匝線(xiàn)圈的磁場(chǎng)疊加而成。a. 線(xiàn)圈外徑大時(shí)，傳感器敏感范圍大，

17、線(xiàn)性范圍相應(yīng)也大，但敏感度低。b. 線(xiàn)圈外徑小時(shí)，線(xiàn)性范圍相應(yīng)小，但敏感度增大。c. 線(xiàn)圈薄時(shí)，靈敏度高。d. 線(xiàn)圈內(nèi)徑改變時(shí)，只有被測(cè)體與傳感器距離近時(shí)，靈敏度略有變化。e. 設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器的線(xiàn)性范圍一般取為線(xiàn)圈外徑的1/31/5。圖3.6.9 金屬傳感器電路金屬傳感器電路如圖3.6.9所示，電路由振蕩電路、比較電路和整形電路三部分組成。當(dāng)有金屬時(shí)，影響線(xiàn)圈L1的阻抗，從而影響振蕩電路的輸出幅值，經(jīng)過(guò)比較器進(jìn)行比較，比較后的輸出信號(hào)經(jīng)整形電路整形，可直接輸入到控制電路進(jìn)行檢測(cè)狀態(tài)的判斷。364溫度傳感器與應(yīng)用電路1. 分類(lèi)溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中占據(jù)首位。其中將溫度轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱(chēng)為

18、熱電阻和熱敏電阻傳感器；將溫度轉(zhuǎn)換成電勢(shì)變化的稱(chēng)為熱電偶傳感器。2. 熱電偶溫度傳感器（1）基本原理熱電偶傳感器能將溫度變化量轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)，理論是建立在熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上。熱電效應(yīng)：將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定的電流（電勢(shì)），其大小與材料性質(zhì)及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，這種物理現(xiàn)象即為熱電效應(yīng)。（2）應(yīng)用電路如圖3.6.10所示的熱電偶報(bào)警信號(hào)電路。在AD594/AD595的應(yīng)用中，13腳應(yīng)受一定的限制，它的電壓不能超過(guò)-4V。這一點(diǎn)只要將13腳連接到4腳的公共端，或連到7腳的V-就容易辦到。電路在正常工作時(shí)報(bào)警晶體管斷開(kāi)，20K的上拉電阻使12腳輸出為高電

19、平。如果熱電偶的一個(gè)頭或兩個(gè)頭斷開(kāi)，12腳將輸出低電平，從而輸出報(bào)警信號(hào)。圖3.6.10 熱電偶報(bào)警信號(hào)電路3. 熱電阻溫度傳感器利用熱電阻和熱敏電阻的溫度系數(shù)制成的溫度傳感器，均稱(chēng)為熱電阻式溫度傳感器。（1）金屬熱電阻工作原理由物理學(xué)可知，對(duì)于大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性，其特性方程滿(mǎn)足下式：Rt=R01+（t-t0）式中，Rt、R0分別為熱電阻在t和0時(shí)的電阻；為熱電阻的溫度系數(shù)（1/）。對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，值并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度而變化，但在一定溫度范圍內(nèi)，可近似視為一個(gè)常數(shù)，不同的金屬導(dǎo)體，保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍也不同。（2）金屬熱電阻種類(lèi)鉑熱電阻：測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性好

20、，被廣泛應(yīng)用于作溫度的基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。銅電阻：靈敏度高，但易于氧化，一般只用于150以下的低溫測(cè)量和沒(méi)有水及無(wú)侵蝕性的介質(zhì)中的溫度測(cè)量。電阻：電阻溫度系數(shù)大、電阻率也大，可制成體積小、靈敏度高的電阻溫度計(jì)；易于氧化、化學(xué)穩(wěn)定性差、不易提純、復(fù)制性也差，而且電阻-溫度特性線(xiàn)性差。因此，目前用的比較少。（3）熱電阻傳感器的測(cè)量電路熱電阻傳感器的測(cè)量電路最常用的是電橋電路，精度要求高的采用自動(dòng)電橋，為了消除由于連接導(dǎo)線(xiàn)電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線(xiàn)和四線(xiàn)制連接方法。在此不再詳述。4. 半導(dǎo)體熱敏溫度傳感器（1）半導(dǎo)體熱敏溫度傳感器的分類(lèi)用半導(dǎo)體制成的熱敏元件。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體比金屬

21、具有更大的電阻溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻可分為：正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）、臨界溫度系數(shù)（CTR）熱敏電阻等幾類(lèi)。PTC：主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，也可作限流元件使用。CTR：主要用作溫度開(kāi)關(guān)。NTC：在點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫度場(chǎng)等測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用，還廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制及電子線(xiàn)路的熱補(bǔ)償電路中。是運(yùn)用最為廣泛的熱敏電阻。（2）半導(dǎo)體熱敏溫度傳感器的應(yīng)用熱敏電阻可以和普通的電阻一樣使用，只是熱敏電阻的阻值是隨著溫度的變化而變化的?？山M成如圖3.6.11所示應(yīng)用電路。圖3.6.11 熱敏電阻溫度測(cè)量電路這是一個(gè)非對(duì)稱(chēng)式多諧振蕩器電路。R4為熱敏

22、電阻，當(dāng)溫度變化時(shí)，其阻值將會(huì)隨著發(fā)生變化。此變化將會(huì)影響振蕩電路的振蕩頻率。將振蕩電路的輸出信號(hào)，輸入到控制電路（如FPGA或單片機(jī)控制系統(tǒng)）中，便可以通過(guò)計(jì)頻率的變化而顯示出對(duì)應(yīng)的溫度。需要注意的是，圖中的U1必須是MOS反相器，否則可能會(huì)不起振。振蕩電路的振蕩周期為（推導(dǎo)過(guò)程略）：T=2.2 C（R2+R3+R4）由熱敏電阻組成的溫度控制器，其電路如圖3.6.12所示。溫度傳感器采用在25為10K的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，電路由兩個(gè)比較器組成。比較器A1為溫控電路，比較器A2為熱敏電阻損壞或接線(xiàn)斷開(kāi)指示電路，調(diào)整W1可設(shè)定控制溫度，調(diào)整R5可調(diào)節(jié)電路翻轉(zhuǎn)延時(shí)時(shí)間，以免繼電器頻繁通斷。（3）二

23、極管PN結(jié)這類(lèi)溫度傳感器是利用晶體管半導(dǎo)體材料的PN結(jié)的伏安特性與溫度之間的關(guān)系研制而成的一種溫度傳感器。根據(jù)半導(dǎo)體器件原理，流經(jīng)晶體二極管的正向電流ID與這個(gè)PN結(jié)上的壓降VD有如下關(guān)系：ID=IseqVD/ kT式中，ID為PN結(jié)的正向電流；VD為PN結(jié)的正向壓降；q為電子電荷量；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；IS為反向飽和電流。溫度與電壓VD有關(guān)，這一特性就可用來(lái)測(cè)溫。 圖3.6.12 熱敏電阻溫度控制器二極管的測(cè)溫電路如圖3.6.13所示。利用二極管VD、R2、R1、R3和Rw組成一電橋電路，利用運(yùn)算放大器將電橋輸出電壓信號(hào)放大，運(yùn)算放大器也起到阻抗變換作用。 圖3.6.13 二極管

24、的測(cè)溫電路（4） 晶體三極管溫度傳感器晶體三極管溫度傳感器的原理根據(jù)晶體管原理，處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管，其發(fā)射極電流和發(fā)射結(jié)電壓能很好的符合以下關(guān)系：Ie=Ise（eqVbe/kT-1） 式中，Ie為發(fā)射極電流；Vbe為發(fā)射結(jié)壓降；Ise為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。室溫時(shí)，KT/q=36mV左右，因此，在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下，都滿(mǎn)足Vbe>>KT /q的條件。經(jīng)近似處理并取對(duì)數(shù)后得：Vbe=（KT/q）·ln（Ie/Ise） (3.6-1)由上式可知，溫度T與發(fā)射結(jié)壓降Vbe有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)此關(guān)系通過(guò)測(cè)量Vbe來(lái)測(cè)溫度T值。圖3.6.14 對(duì)管溫度傳感器由式3.

25、6-1可知，發(fā)射結(jié)壓降與反向飽和電流Ise有關(guān)，而Ise又是一個(gè)跟溫度有關(guān)的常數(shù)，為了消除Ise的影響，可以用接成對(duì)管方式來(lái)解決，電路如圖3.6.14所示，在此條件下，Ise1=Ise2。在Ie1和Ie2比值一定的條件下，vbe與絕對(duì)溫度成正比。比例系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，與反向飽和電流無(wú)關(guān)，因此也與三極管的制造工藝條件無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，晶體三極管可以作為理想的測(cè)溫元件。 圖3.6.15 LM35封裝形式及管腳圖5. 集成溫度傳感器組成的測(cè)溫電路集成溫度傳感器LM35靈敏度為l0mv，即溫度為10時(shí)，輸出電壓為100mV。常溫下測(cè)溫精度為+/-0.5以?xún)?nèi)，消耗電流最大也只有70A，自身發(fā)熱對(duì)測(cè)量精度影響也只

26、在0.1以?xún)?nèi)。采用+4V以上單電源供電時(shí)，測(cè)量溫度范圍為2150；而采用雙電源供電時(shí)，測(cè)量溫度范圍為-55150(金屬殼封裝)和-40110(TO92封裝)。外形如圖3.6.15所示。（1）-20+100測(cè)溫電路圖3.6.16 -20+100測(cè)溫電路利用LM35或LM45溫度傳感器及二極管1N914可以組成單電源供電的測(cè)溫電路（一般需要正負(fù)電源）。輸出電壓Vo=10mV×t（t為測(cè)量溫度值），溫度測(cè)量范圍為-20+100。電路如圖3.6.16所示。 （2）溫度/頻率變化電路圖3.6.17 溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路利用V/F變換器LM131芯片、集成溫度傳感器LM25或LM45及光電耦合器4

27、N128組成輸入輸出隔離的溫度/頻率變換電路。其溫度測(cè)量范圍為25100，響應(yīng)的頻率輸出為251000Hz。由5k電位器來(lái)調(diào)整，使100電路輸出為1000Hz。利用光電耦合器作為輸入輸出隔離，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。電路如圖3.6.17所示。 （3）AD590遠(yuǎn)程測(cè)溫電路如圖3.6.18所示電路可以測(cè)量千米之外的溫度。當(dāng)溫度為-55+100時(shí)，電路的輸出電壓以100mV/的規(guī)律變化，輸出為-5.5+10V。電路中測(cè)溫元件采用AD590，其溫度變化的輸出電流經(jīng)屏蔽線(xiàn)，并通過(guò)屏蔽線(xiàn)兩側(cè)的RC環(huán)節(jié)濾除干擾，再流過(guò)1K電阻，產(chǎn)生1mV的電壓加在放大器的輸入正端。AD590直接輸出的為絕對(duì)溫度，為了以攝氏溫度讀出

28、，需要在放大器的負(fù)端加上273.2mV電壓，這一電壓由LM1403經(jīng)電阻分壓產(chǎn)生。實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽線(xiàn)只能一端接地，若兩端同時(shí)著地，將形成噪聲電流串至芯線(xiàn)引起干擾。圖3.6.18 AD590遠(yuǎn)程測(cè)溫電路3.65 光電傳感器與應(yīng)用電路1.主要類(lèi)型 光電傳感器根據(jù)檢測(cè)模式的不同可分為如下幾種： （1）反射式光電傳感器將發(fā)光器與光敏器件置于一體內(nèi)，發(fā)光器發(fā)射的光被檢測(cè)物反射到光敏器件。（2）透射式光電傳感器將發(fā)光器與光敏器件置于相對(duì)的兩個(gè)位置，光束也是在兩個(gè)相對(duì)的物體之間，穿過(guò)發(fā)光器與光敏器件的被檢測(cè)物體回阻斷光束，并啟動(dòng)受光器。（3）聚焦式光電傳感器將發(fā)光器與光敏器件聚焦于特定距離，只有當(dāng)被檢測(cè)物體

29、出現(xiàn)在聚焦點(diǎn)時(shí)，光敏器件才會(huì)接受到發(fā)光器發(fā)出的光束。2.應(yīng)用舉例（1）利用反射式光電傳感器檢測(cè)黑白物體利用反射式光電傳感器檢測(cè)黑白物體的電路如圖3.6.19所示。圖3.6.19 光電檢測(cè)電路由于黑色物體和白色物體的反射系數(shù)不同，調(diào)節(jié)反射式光電傳感器與檢測(cè)對(duì)象之間的距離，使光敏三極管就只能接受到白色物體反射回來(lái)的光束。而對(duì)于黑色物體由于其反射系數(shù)小，所反射回來(lái)的光束很弱，光敏三極管無(wú)法接受到反射光。利用反射光可以使光敏三極管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑白物體的分辨。電路工作過(guò)程如下：當(dāng)被測(cè)物體是黑色物體時(shí)，紅外光電二極管U1發(fā)射出的光，被反射回來(lái)的很弱，光敏三極管無(wú)法導(dǎo)通，所以A點(diǎn)此時(shí)為高電平，

30、通過(guò)反相器7414，F(xiàn)PGA或者微控制器接受到的信號(hào)是低電平。當(dāng)被測(cè)物體是白色物體時(shí)，紅外光電二極管U1發(fā)射的光，被反射回來(lái)的很強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，所以A點(diǎn)此時(shí)為低電平，通過(guò)反相器7414， FPGA或者微控制器接受到的信號(hào)是高電平； FPGA或者微控制器檢測(cè)輸入的電平，即可以判斷此時(shí)被檢測(cè)物體是白色物體還是黑色物體。（2）在應(yīng)用光電檢測(cè)電路時(shí)應(yīng)注意： a.發(fā)光器的光強(qiáng)度發(fā)光器的光強(qiáng)度可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)男吞?hào)，改變加在發(fā)光器的限流電阻，或者在發(fā)光器和光敏器件的外面可以加上聚光裝置。b.不同物體表面對(duì)光線(xiàn)的反射能力不同，應(yīng)仔細(xì)調(diào)節(jié)反射式光電傳感器與檢測(cè)對(duì)象之間的距離。c.工作環(huán)境條件。由于無(wú)法改變

31、工作環(huán)境，必須考慮光電傳感器的安裝位置。（3）在安裝中各種不同類(lèi)型的光電傳感器有各自必須首先要注意的問(wèn)題：a.反射式光電傳感器的安裝：首先要注意的就是要根據(jù)不同的檢測(cè)材料，確定適當(dāng)?shù)木嚯x。具體的距離和具體的位置必須在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。b.聚焦式光電傳感器的安裝：在這種傳感器的安裝過(guò)程中，最主要的就是要確定聚焦點(diǎn)的位置，如果位置選擇的不合適的話(huà)，就會(huì)使傳感器失去作用。c.透射式光電傳感器的安裝：一定要安裝好遮光片，安裝時(shí)一是要選擇好材料，二是要特別注意其安裝的位置。（4）光源檢測(cè)電路光源檢測(cè)電路用來(lái)判斷光源的位置。具體電路如圖3.6.20所示。 圖3.6.20 光源檢測(cè)電路由光敏二極管D2對(duì)光源進(jìn)行檢測(cè)

32、，當(dāng)光敏二極管接收到光源發(fā)出的光時(shí)，VT1和VT2導(dǎo)通，A點(diǎn)為低電平，VT3不能導(dǎo)通，B點(diǎn)為高電平，此時(shí)FPGA或者微控制器接收到的電平為高電平；當(dāng)光敏三極管未接收到光源時(shí)，則VT1和VT2不導(dǎo)通，A點(diǎn)為高電平VT3導(dǎo)通，B點(diǎn)輸出低電平，此時(shí)FPGA或者微控制器接收到的電平為低電平。FPGA或者微控制器檢測(cè)輸入端電平即可以判斷此時(shí)光敏二極管是否檢測(cè)到了光源。3. 集成的光電傳感器（1）分類(lèi)集成的光電傳感器主要有反射式光電開(kāi)關(guān)、會(huì)聚式光電開(kāi)關(guān)、透射式光電開(kāi)關(guān)、反射板式光電開(kāi)關(guān)、光纖穿透式開(kāi)關(guān)、光纖反射式開(kāi)關(guān)等幾種，一般采用前三種。（2）工作光源采用的工作光源主要有可見(jiàn)紅光（650nm）、可見(jiàn)綠光

33、（510nm）和紅外光（800940nm）。不同的光源在具體情況下各有其長(zhǎng)處。例如：在不考慮被測(cè)物體顏色的情況下，紅外光有較寬的敏感范圍，而可見(jiàn)紅光或綠光特別適合于反差檢測(cè)，光源的顏色必須根據(jù)被測(cè)物體的顏色來(lái)選擇，紅色物體與紅色標(biāo)記宜用綠光（互補(bǔ)色）進(jìn)行檢測(cè)。（3）外形按照外殼形狀可分為：螺紋圓柱形系列，圓柱形系列，方形系列，槽型貫穿形系列。比較常用的螺紋圓柱形系列外形如圖3.6.21所示。（4）接線(xiàn)圖與電感式接近傳感器相同。具體型號(hào)可進(jìn)入有關(guān)網(wǎng)站查詢(xún)。圖3.6.21螺紋園柱型光電傳感器3.6.6 超聲波傳感器與應(yīng)用電路 超聲波傳感器可以用來(lái)測(cè)量距離，探測(cè)障礙物，區(qū)分被測(cè)物體的大小。1.基本原

34、理及其分類(lèi)超聲波檢測(cè)裝置包含有一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。發(fā)射器向外發(fā)射一個(gè)固定頻率的聲波信號(hào)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，聲波返回被接收器接收。超聲波探頭可由壓電晶片制成，超聲波探頭既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)用，有多種不同的結(jié)構(gòu)。40KHz超聲波探頭如圖3.6.22所示，型號(hào)為T(mén)CT40-2F （發(fā)射器）和TCT40-2S （接收器），兩者外形相同。 圖3.6.22 TCT40超聲波探頭外形及符號(hào)超聲探頭的構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)

35、加到晶片兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高，如圖3.6.23所示。（2）工作溫度由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。（3）靈敏度靈敏度主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。圖3.6.23 超聲波發(fā)射器的頻率特性2. 超聲波傳感器的發(fā)射/接收電路(1) 超聲波傳感器的發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路包括超聲波發(fā)射器、40KHz超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路，有時(shí)還包括編碼調(diào)制電路，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： 普通用的超聲波發(fā)射器所需電流小，只有幾毫安到十幾毫安，但激

36、勵(lì)電壓要求在4V以上。 激勵(lì)交流電壓的頻率必須調(diào)整在發(fā)射器中心頻率fo上，才能得到高發(fā)射功率和高效率。（a） （b）圖3.6.24 三極管組成的超聲波發(fā)射電路圖3.6.24（a）所示電路，用兩只低頻小功率三極管2SC9013組成的振蕩器、驅(qū)動(dòng)電路。三極管T1和T2構(gòu)成兩級(jí)放大器，又由于超聲波發(fā)射器ST的正反饋?zhàn)饔茫惯@個(gè)原本是放大器的電路變成了振蕩器，同時(shí)超聲發(fā)射器可以等效為1個(gè)串聯(lián)LC諧振電路，具有選頻作用；電路不需要調(diào)整，超聲波發(fā)射器在電路中同時(shí)擔(dān)當(dāng)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、選頻、正反饋三個(gè)任務(wù)。圖3.6.24（b）中用電感取代（a）圖中的R3，這樣可以增大激勵(lì)電壓。 圖3.6.25 與非門(mén)組成的

37、超聲波發(fā)射電路 圖3.6.26 555定時(shí)器組成的超聲波發(fā)射電路圖3.6.25中使用與非門(mén)組成了超聲波發(fā)射電路，其中G3為驅(qū)動(dòng)器，電路的振蕩頻率f0近似等于1/（2.2RC），調(diào)制信號(hào)由G2輸入。在圖3.6.26所示電路中，555定時(shí)器、R1、R2和C1組成多諧振蕩器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)為高電平時(shí)，啟動(dòng)振蕩器輸出40KHz的頻率信號(hào)。圖3.6.27 LM1812組成的超聲波發(fā)射電路LM1812組成的超聲波發(fā)射電路如圖3.6.27所示。LM1812為一種專(zhuān)用于超聲波收發(fā)的集成電路，它既可以用作發(fā)射電路，又可以用于接收放大電路，它主要決定于引腳8的接法。第1腳接L1、C1并聯(lián)諧振槽路以確定振蕩器頻率。輸出變壓器接在6、13腳間，電容C2起退耦、濾波、信號(hào)旁路作用。C3應(yīng)與變壓器副邊繞組諧振于發(fā)射載頻，變壓器的變比大致為N1：N2=1：2，當(dāng)然超聲波發(fā)射器也可接在6、13腳間，但發(fā)射功率小。(2) 超聲波傳感器的接收電路由LM1812組成的接收電路如圖3.6.28所示。引腳8接地，使芯片工作于接收模式。輸出信號(hào)可以從第16腳輸出或從14