傳感器技術及應用：傳感器與遙控裝置

傳感器與遙控裝置任務一項目學習引導任務二聲控遙控裝置任務一項目學習引導

內容一紅外探測的基本概念

隨著科學技術的發(fā)展，紅外傳感器技術的應用正向著各個領域延伸，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、遠紅外和極遠紅外四部分，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變?yōu)闊崮?。熱探測器正是利用紅外輻射的這一熱效應，當探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使敏感元件的相關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，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電介質的極化與熱釋電圖7-3電介質的極化矢量與所加電場的關系

2.光子探測器

光子探測器型紅外傳感器是利用光子效應進行工作的傳感器。所謂光子效應，就是當有紅外線入射到某些半導體材料上時，紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象。通過測量半導體材料中電子性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。光子探測器主要有內光電探測器和外光電探測器兩種。內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、雷達等無線通信領域得到了廣泛的應用。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??；

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

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，無需進行非電量轉換，簡化了處理環(huán)節(jié)。

(6)輸出信號可以方便地調制在載波信號上進行反射和接收，傳輸距離遠，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，給標定帶來困難。

(2)測量環(huán)境對測量結果影響較大，如溫度、氣壓、取樣位置等。內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，廣泛地應用于冶金、船舶、機械、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

介質中的質點以彈性力互相聯(lián)系。某質點在介質中振動，能激起周圍質點的振動。質點振動在彈性介質內的傳播形成機械波。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，能為人耳所聞的機械波，稱為聲波；頻率低于16Hz的機械波，稱為次聲波；頻率高于2×104Hz的機械波，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

1)超聲波的波形

由于聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同，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的彈性常數(shù)

及介質密度。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系。通?？烧J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

超聲波從一種介質傳播到另外一種介質時，在兩介質的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分則透過分界面，在另一種介質內繼續(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：當波在界面處產生折射時，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中的波速c1與折射波在第二介質中的波速c2之比，即

4)超聲波的衰減

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

式中：Px、Ix分別為聲波在距聲源x處的聲壓和聲強；P0、I0分別為聲波在聲源處的聲壓和聲強；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構

2.磁致式超聲波傳感器

鐵磁材料在交變的磁場方向產生伸縮的現(xiàn)象，稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮效應的強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，但功率可達100kW，聲強可達幾千瓦每平方毫米，且能耐較高的溫度。任務二聲控遙控裝置

隨著微電子技術、無線技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(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品，因此本任務設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??；

·主機也可以采用電池供電，方便安裝；

·采用無線電進行遙控，具有一定的遙控距離；

·在同一區(qū)域范圍內能有多套系統(tǒng)同時工作而相互間不影響；

·門鈴按鍵按下有音樂響起；

·主機有復位按鍵，可以隨時關閉音樂；

·門鈴的音樂為3首以上，可以通過程序更改。

內容一工作原理

1.系統(tǒng)總體框圖

本設計采用STC89C51單片機作為主控制器，外部加上三極管驅動放音設備，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.電源電路設計

家用電壓為220V，而本設計采用的電壓是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)壓的思路進行設計。由于單片機及后續(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行傳送，而且在同一區(qū)域內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.接收電路設計

接收電路的無線接收與解調部分采用的是現(xiàn)成的高頻接收模塊，可以簡化設計工作，而且可靠性較好。接收模塊采用的是超再生接收，具體的解調過程為：當發(fā)射器發(fā)送1時，相應的發(fā)射高頻電路工作，接收部分就會相應地收到一個315MHz的高頻信號，使模塊輸出為1，當發(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.主控電路設計

STC89C51為主要的中央處理系統(tǒng)，單片機是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機，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。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術和工業(yè)領域應用較為廣泛，在智能儀表中單片機是應用最多、最活躍的領域之一。

6.光敏電阻的檢測

播放模塊是由三極管和電阻驅動構成的，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所示為聲音驅動電路。圖7-14聲音驅動電路

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，三極管就進入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib·β＞Ic。進入飽和狀態(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閉合了。

7.程序設計

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

按照圖7-17所示的原理圖進行焊接，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問題

(1)元器件的裝插焊接應遵循先小后大、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，核對無誤后，先固定IC，然后重復檢查，確認后再焊接其余腳位。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，確保焊接質量。

(4)焊錫之前應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