1、物理系,2010年7月25,四、设计入门,(一 )单元电路设计方法 1、执行（开关）器件的应用 2、功能电路设计,放大电路振荡电路A/D-D/A电源电路控制电路,变换电路比较电路,（1）温度传感器（PT100、热敏电阻、双金属片,（2）湿度传感器,（3）气体传感器（瓦斯气体、一氧化碳、烟雾）,（4）测距传感器（超声测距、红外测距、激光测距）,（5）（人体）热释电传感器,（6）速度测量传感器(霍尔、干簧管 、光电门、 ),（7）光度测量传感器,（9）声(敏）传感器,(二 )单元电路设计方法 3、初识传感器,（8）力（敏）测量传感器,（10） 位移测量传感器,（11） 角（敏）传感器-倾角、角度,
2、（12） 力（敏）传感器,(二 )单元电路设计方法 3、初识传感器 -温度传感器,A 热敏电阻,正温度系数(PTC),负温度系数(NTC),温度升高阻值增大,温度升高阻值减小,构成：,用金属铂丝(0.020.07mm)绕制在线圈骨架上封装在玻璃或陶瓷管等保护管内构成.,(a) 铂电阻(Pt100),Pt100：,Pt100：,用于测量控制温度的场合,Pt100：,应用：,标准温度计，高精度工业测温，高低温测试,PT100在0度时的阻值为100欧，100度的时候138.51欧,式中，A=0.00390802；B=-0.000000580；C=0.0000000000042735。 Pt100在常
3、温0100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：RPt=100（1+At），当温度变化1摄氏度，Pt100阻值近似变化0.39欧。,特点：,输入输出特性接近线性,(a) 铂电阻(Pt100),3、初识传感器 -温度传感器,R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。 放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大
4、电路采用两级放大，如图 5.1所示，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。,应用电路：电桥+差动放大,材料：,特点：,（1）温度系数大 灵敏度高 （为一般电阻的10100倍）,（2）结构简单，体积小 可以测量点温度,（3）电阻率高、热惯性小 适于动态测温,（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温,（5）互换性差，非线性严重，精度低,临界温度系数热敏电阻(CTR),半导体 - 半导体热电阻,（6）成本低，应用广泛,b、热敏电阻 （过热保护）,非线性,3、初识传感器 -温度传感器,热敏电
5、阻的应用,基于热敏电阻的电机过热保护器：,Rt1 Rt2 Rt3 ：热敏电阻(NTC) ，安装在三相绕组附近,温度低时 ：电阻小 三极管导通 继电器吸合 电机运行,温度高时 ：电阻大 三极管不导通 继电器不吸合 电机停止,热敏电阻的应用举例,同时控制三路电器，任一路出现问题即切断电源停止工作,彩电消磁电路：,热敏电阻的应用举例,图中R1是消磁电阻，其值在10毫秒间可从几欧变化到几K欧或更大。使消磁线圈在瞬间产生大电流进行消磁。,负温度系数补偿电路,热敏电阻的应用举例,对线圈电阻进行补偿,负温度系数补偿电路,热敏电阻的应用举例,温度电压转换电路,热敏电阻的应用举例,变化量从反相端输入，电阻变小时
6、R4上端电压升高Uo有电压输出，温度变化越大。 Uo越大。,热敏电阻监测控制应用电路,热敏电阻的应用举例,变化量从同相端输入，反向端用稳压管固定比较电压值，RT电阻变大时运放3脚电压升高，运放6脚有电压输出，经三极管放大后推动继电器动作，使RL得电工作。,C 数字温度传感器DS18B20,DS18B20 是单线数字式测温芯片，它能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器双向通讯。 测温范围 55125，测温精度0.0625，数字量转换时间小于 200ms。 工作电源: 35V/DC。,3、初识传感器 -温度传感器,D
7、S18B20和AT89S52单片机的连接,DS18B20和2051单片机的连接,LM35 是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，,0 度时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。LM35 有多种不同封装型式，外观如图所示。,D 线性温度传感器LM35,3、初识传感器 -温度传感器,在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 1/4的准确率。 其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接脚如图所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；,D LM35,单电源模式,双电源模式,两种接法的静止电流温度关系如图
8、所示，在静止温度中自热效应低(0.08)，单电源模式在25下静止电流约50A，工作电压较宽，可在420V的供电电压范围内正常工作非常省电,LM35和部分器件组成温控电路原理图,LM35和ICL7107组成的数字温度计,数字温度计,湿敏电阻HR202,特性参数 （at 1kHz） 单位：欧姆工作范围 2095%RH 060供电电压 1.5V AC(Max 正弦波)工作频率 500Hz2kHz额定功率 0.2mW(Max 正弦波)中心值 （at25 1kHz 1V AC 60%RH 正弦波） 31.0k阻抗范围 （at25 1kHz 1V AC 60%RH 正弦波） 19.850.2k湿度检测精度
9、 5%RH应用领域:,湿（敏）传感器,用于测量控制湿度的领域,HR202湿敏电阻是采用有机高分子材料的一种新型的湿度敏感元件，感湿范围宽，长期使用性能稳定，可以应用于仓储、车厢、居室内空气质量控制、楼宇自控、医疗、工业控制系统及科研领域等广泛的应用。,3、初识传感器 2 湿（敏）传感器,应用接口电路：,湿度检测电路,湿（敏）传感器,应用电路-婴儿尿湿报警器,3、初识传感器 2 湿（敏）传感器,-湿度频率转换电路,湿（敏）传感器,a 瓦斯气体传感器(KGS-20),特性参数 ：l.检测电压：（Vc、Vd）15V 2.取样电阻：（RL）0.5-20K 3.加热电压：（VH）0.90.05V 4.加
10、热功率：（P）约150mW 5.灵敏度：R0（air）RS（5000ppmCH4）5 6.响应时间：Tres10秒 7.恢复时间：Trec30秒,气（敏）体传感器,用于测量控制各种气体的领域,3、初识传感器 3 气（敏）传感器,KGS-20型可燃气传感器是以二氧化锡为基本敏感材料的，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。TO-39金属封装的外壳上部带有100目金属丝网。 它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低。KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。,根据瓦斯传感器的特性: 当CH4浓度为1.5%时输出20mV
11、的模拟电压信号，经过信号放大电路使其放大10倍，得到200mV的模拟电压信号。 设定64AD模块模拟量控制端输入为05V的电压信号由于模拟量模块采集的瓦斯浓度值为0-4000之间的数字量，在给定瓦斯浓度限制点的值时，要把其转换成0-4000之间的数字量。,1.5%对应的数字量为:0.2/(5-0)*(4000-0)=1600,a 瓦斯气体传感器(KGS-20),典型驱动应用接口电路,a 瓦斯气体传感器(KGS-20),典型驱动应用-瓦斯超限报警电路,a 瓦斯气体传感器(KGS-20),典型驱动应用-和单片机的接口电路,a 瓦斯气体传感器(KGS-20),特性参数l、回路电压：(Vc) 5-24
12、V2、取样电阻：(RL) 0.5-20K3、加热电压：(VH)50.1V4、加热功率：(P)约750mW5、灵敏度：R0(air)/RS (1000ppmC4H10)56、响应时间：Tres10秒7、恢复时间：Trec30秒,工作环境： 温度-10-+50、相对湿度0-90RH,b 天然气、液化石油气（CO） 传感器2M003,1外形尺寸（mm）2、接线图A-a内部短路为第一测量极B-b内部短路为第二测量极H-h加热极,3、初识传感器 3 气（敏）传感器,测试电路：,b 天然气、液化石油气（CO） 传感器2M003,图3-2 烟雾报警系统电路图,R3和电位器R4并联之后与R5相串联，5管脚处电
13、压值为2.5v，其中R4为调敏电阻。当无烟雾时，MQ不导通，电压比较器的5管脚电压值为0，则通过比较，7号管脚输出低电平给单片机。当有烟雾出现时，MQ导通，5管脚大约为5v，则7号管脚输出高电平给单片机，从而由单片机触发二极管和语音芯片，发光并发出119火警信号。,应用电路之一,b 天然气、液化石油气（CO） 传感器2M003,上电后烟雾传感器输出电压为1.6V。当烟雾传感器检测到有烟雾的时候，输出端的电压逐渐升高，输出端接到LM339比较器，比较电压设为2.5V。由于比较出来的电压带负载能力低，所以如果直接接到单片机上电压会拉低，因此我们再加一个LM324做了一个电压跟随器，这样输出电压接到
14、单片机上不会变低，带负载能力增强。当有烟雾的时候，单片机监测到高电平从而做出相应的反应。,应用电路之二,b 天然气、液化石油气（CO） 传感器2M003,应用电路之三,b 天然气、液化石油气（CO） 传感器2M003,a、超声测距传感器,一种可实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。,超声波传感器外形,超声波探头主要技术参数 中心频率：401KHZ 超声波探头反射灵敏度：1.0mVp-pMin. 余振时间1.5msec.Max. 指向性：水平探测角度（6dB)12010，垂直探测角度（6dB）6010。 绝缘阻抗：100M。(100VDC
15、) 最大输入电压：140Vp-pMax(正弦波，40KHZ,施加超声波时间0.5msec.,间隔时间100msec.)。 工作温度：-3085 储存温度：-4085 引线长度：8米Max,超声波探头组成 压电陶瓷 吸声材料 壳体 引线,3、初识传感器 4 测距传感器,被测距离:,c - 声速 t - 往返飞行时间,应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪 - 盲人导盲 汽车倒车雷达 - 汽车安全 工业应用 - 超声测量液位、物位,特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；,超声测距原理：,a、超声测距传感器,测距电路由发射和接收电路组成：,超声测距电
16、路：,a、超声测距传感器,典型发射电路之一,a、超声测距传感器,超声波接收电路之一,a、超声测距传感器,为了有更高的声压级和灵敏度，选用需要较高发射电压和大角度的超声波传感器，单片机输出40K的方波信号，经变压器升压，作用于超声波传感器。使发射功率更大。,实用发射电路之二,a、超声测距传感器,超声波传感器接收回波信号，经耦合电容送入前置放大电路，放大的信号经带通滤波电路、后级放大电路、电压比较电路后完成回波信号的处理并向单片机发出中断信号。,实用接收电路之二：,a、超声测距传感器,由于超声波在不同温度下传播速度不同，超声波速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著，必须考虑温度补偿问题。空气中声
17、速与温度的关系可以表示为：,式中T为环境摄氏温度。为了提高测量精度，可采用数字温度传感器DS1820采集环境温度进行温度补偿。,测距温度补偿：,a、超声测距传感器,1.测量射程范围：10 to 80 cm 2.最大允许角度：40 3.电源电压：4.5 to 5.5V 4.平均功耗：35mA 5.峰值功耗：约200mA 6.更新频率/周期：25Hz/40ms 7.模拟输出噪声：200mV 8.测量距离与输出模拟电压关系：2.4V0.4V模拟信号对应10cm80cm，输出与距离成反比非线性关系。,GP2D12产品规格参数：,b、红外测距传感器（夏普GP2D12）,3、初识传感器 4 测距传感器,该
18、光电传感器为NPN常开型反射式传感器，自发自收。工作电压为5V，工作电流为100mA。有效测量距离为80cm。易于装配，使用方便，可以很方便的实现小车的避障等功能。通过调节后部的螺丝，可以改变该传感器的避障距离。即避障距离可以在080cm之间可调。 该传感器为开关量传感器，输出的为1，0开关量信号，可以和单片机直接连接使用。,C、红外测距传感器（避障模块 、寻迹模块）,3、初识传感器 4 测距传感器,TK-20黑白线检测传感器是TK-10的升级版，有效探测距离达5cm。通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下，探测黑白线的精度降低）。这款黑白线传感器继承了TK-10的受可见光干扰小，输出
19、信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便外，还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探测精度（在有效量程内，可对报纸大标题进行感应）。,应用场合： 1.白底黑线或黑底白线的检测； 2.完成小车或机器人寻迹功能；,注意事项：该传感器为开关量传感器，输出为TTL电平，可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻，使用方法如红外避障传感器。（如不加上拉电阻会出现不规则电平输出）,d、红外测距传感器（黑白线检测传感器TK-20）,特性： U:5VDC I:20mA Sn:05CM,3、初识传感器 4 测距传感器,(1) 激光测距特点：,测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）,(2) 激光测
20、距方法：飞行时间法、相位差法,(a) 飞行时间法：,被测距离:,c - 光速 t - 往返飞行时间,(b) 相位差法：,被测距离:,c - 光速 f0 - 脉冲频率 - 相位差,原理：激光器发出单个激光脉冲,原理：激光器发出连续激光脉冲,特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m ）,特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）（相机自动调焦）,e、激光测距传感器,3、初识传感器 4 测距传感器,部分激光测距仪外形,范围：0.2 300m 分辨力： 3mm,德国俫卡手持式：范围：0.2 200m分辨力：0.2mm,美国bushwell 单目军用范围：1000m
21、分辨力：1m,作业：1 温度电压转换电路,图中VD1不用，3.3K电阻不用，电源取12V。运放用LM358。 测量出当温度发生变化时输出电压的变化值。,本题限10组,作业：2 热敏电阻监测控制应用电路,图中IC741用LM358代替，VD2去掉，继电器用1K电阻代替。VD4去掉。220V不接。VD1用2.1-2.3K间的电阻代替 。 测量出当温度发生变化时输出电压的变化值。,本题限12组,R3和电位器R4并联之后与R5相串联，5管脚处电压值为2.5v，其中R4为调敏电阻。当无烟雾时，MQ不导通，电压比较器的5管脚电压值为0，则通过比较，7号管脚输出低电平给单片机。当有烟雾出现时，MQ导通，5管脚大约为5v，则7号管脚输出高电平给单片机，从而由单片机触发二极管和语音芯片，发光并发出119火警信号。,作业：3 液化石油气（CO） 传感器2M003接口电路,图中LM324用LM358代替，VCC取6-12V。 测量当有无烟雾时输出电压的变化。,
