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

項(xiàng)目三傳感器與檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)3.1任務(wù)一：傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)3.2任務(wù)二：檢測(cè)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(shí)

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(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l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(dòng)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)分類

傳感器按照其輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)分類可分為以下四種：

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

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

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

(4)開(kāi)關(guān)傳感器：當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。

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(huì)作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對(duì)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(lái)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：?jiǎn)尉?、多晶和非晶材料。與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開(kāi)發(fā)工作，可以歸納為下述三個(gè)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(lái)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(cè)量目的不同分類

傳感器根據(jù)測(cè)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(cè)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(cè)與識(shí)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(dòng)態(tài)特性

所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)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(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)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(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。

4.傳感器的靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對(duì)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(gè)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?jìng)鞲衅骺筛惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨率時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。3.1.4傳感器的組成和結(jié)構(gòu)

國(guó)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(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。圖3.1傳感器組成框圖3.2任務(wù)二：檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

3.2.1檢測(cè)系統(tǒng)概述

檢測(cè)是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著人類的進(jìn)步和人類社會(huì)的繁榮?，F(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、醫(yī)療、科研等各行業(yè)，檢測(cè)技術(shù)的作用越來(lái)越大，檢測(cè)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(cè)技術(shù)采用計(jì)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(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含測(cè)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(cè)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(cè)量過(guò)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(cè)與信息融合。

(5)測(cè)量速度快。

(6)智能化功能強(qiáng)。3.2.2檢測(cè)技術(shù)分類

1.按測(cè)量過(guò)程的特點(diǎn)分類

1)直接測(cè)量法

(1)偏差測(cè)量法。

(2)零位測(cè)量法。

(3)微差測(cè)量法。

2)間接測(cè)量法

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

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

2.按測(cè)量的精度因素分類

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

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

3.按測(cè)量?jī)x表特點(diǎn)分類

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

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

4.按測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)分類

(1)靜態(tài)測(cè)量法：指被測(cè)對(duì)象處于穩(wěn)定情況下的測(cè)量，此時(shí)被測(cè)對(duì)象不隨時(shí)間變化，故又稱為穩(wěn)態(tài)測(cè)量。

(2)動(dòng)態(tài)測(cè)量法：指被測(cè)對(duì)象處于不穩(wěn)定情況下進(jìn)行的測(cè)量，此時(shí)被測(cè)對(duì)象隨時(shí)間而變化，因此，這種測(cè)量必須在瞬間完成，才能得到動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。3.2.3檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

在工程中，由傳感器與多臺(tái)儀表組合在一起，完成信號(hào)的檢測(cè)，這就形成了一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)是傳感器與測(cè)量?jī)x表、變換裝置等的有機(jī)結(jié)合。圖3.2檢測(cè)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

2.開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)和閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

1)開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，如圖3.3所示。圖3.3開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)框圖2)閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)是在開(kāi)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(duì)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(cè)儀表的組成

檢測(cè)儀表是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的物質(zhì)手段，是測(cè)量方法的具體化，它將被測(cè)量經(jīng)過(guò)一次或多次的信號(hào)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(cè)量的檢測(cè)。圖3.4檢測(cè)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(cè)傳感器

磁檢測(cè)傳感器使用的是干簧管。干簧管(ReedSwitch)也稱舌簧管或磁簧開(kāi)關(guān)，是一種磁敏的特殊開(kāi)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(zhǎng)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(duì)射傳感器

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

人體檢測(cè)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(dòng)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(duì)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(bào)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(cè)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(shuō)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(shí)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(shí)序

用戶主機(jī)(MCU)發(fā)送一次起始信號(hào)(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(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，AM2321發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，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(yàn)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(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來(lái)臨。單總線通信時(shí)序如圖3.11所示。圖3.11AM2321單總線通信時(shí)序圖圖3.12AM2321單總線通信時(shí)序圖圖3.13AM2321單總線通信時(shí)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(shuō)明如圖3.15所示。圖3.15火焰?zhèn)鞲衅髂K及管腳說(shuō)明圖3.16火焰?zhèn)鞲衅髂K電原理圖3.3.7聲響檢測(cè)傳感器

聲響檢測(cè)傳感器使用麥克風(fēng)(咪頭)作為拾音器，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，單片機(jī)AD采集，獲取聲響強(qiáng)度信號(hào)。咪頭是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(cè)接口電路3.3.8煙霧檢測(cè)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(shí)，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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)?？扇?xì)怏w檢測(cè)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(cè)傳感器

結(jié)露傳感器HDS10是正特性開(kāi)關(guān)型元件，僅對(duì)高濕敏感，對(duì)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(cāng)儲(chǔ)、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(cè)傳感器

酒精檢測(cè)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(shí)，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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。圖3.21酒精檢測(cè)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(yàn)箱上完成。將AM2321溫濕度傳感模塊插到實(shí)驗(yàn)箱傳感器節(jié)點(diǎn)底板上，然后通過(guò)串口線將實(shí)驗(yàn)箱上相應(yīng)的RS2