电设中的传感器应用
【电子系统设计综合实践 】讲座 2010.09.25(Sat.) (7:20-9:00PM)
自动化系 检测与电子技术研究所 曹丽
caoli@
内容
• 大赛平台和传感器任务分析 • 路径策略和传感器任务
＝》传感器与移动控制策略的协调设计
• 光电耦合器、转速测量，阵列循线 • 光电测距PSD，测距开关 • 传感器安装调试要点 • 传感器与MCU/FPGA/DSP的接口
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超声波发射和接收电路（例）
无障碍 亮灯
调频
40kHz
超声波测距模块
电工电子实验中使用的模块：

H/L选择 振荡或停止 有无障碍物
比较器 F-V转换、 比较器
参考：何希才等，«传感器及其应用实例»，P149，机械工业出版社
Taobao网上的模块：
接触开关
－－避免小车进入死角出不来 －－代替距离检测开关，不故意碰撞破坏
不受物体颜色、 光反射系数和 光照强度的影响。 模拟电压输出距离。
PSD器件内部电路框图
模拟电压输出 开关量输出
PSD(Position Sensitive Device)测距原理
(1)PSD元件
检测入射光点的位置
P层:A、B两电极、
N层:C电极
半导体
I1 = L − x I2 L + x
x = L( I 2 − I1 ) 重心位置
红外发光和接收模块__回顾
红外发光和接收模块__回顾
38kHz调制红外发光
为什么要调制发光？
周期T＝26us
接收模块能够感应的发光是？
发射数据 模块所需要的载波
实际发射信号
光电器件外观
红外发光二极管 光敏二极管 光敏三极管 …
光电耦合器
940nm, 15º, 20mA 38kHz, 5V, max2.5mA
决赛任务 ……
平台比例图
可能用到的传感器
• 发光检测 提供的红外模块 自制红外接收模块
• 循线检测 反射型光电耦合器
• 转角和转速控制 反射或透射型光电耦合器
• 障碍物检测 红外测距开关（收发一体型）； 超声测距10cm－300cm ； 接触、限位机械开关； PSD光电距离传感器10-80cm。
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光电传感器的快速入门
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MCU的结构及功能
PWM
MCU数字输入设备的连接
注意： MCU引脚或 CMOS和TTL的 最大输出 或吸入电流
大赛比什么？
• 比创意 制定策略、目标、方案； 展示创意。
• 比技术、比功夫 模块化设计，全局参数； 制作调试用模块和测试程序。
• 比习惯 进度；结构图，流程图，沟通记录文档； 测试结果记录和分析。
• 小车载物等配重变化导致重心变化 • 天气、油污等环境变化导致轮胎摩擦系数变化
• 跑直线不容易 • 严格90度转弯的调试烦琐
转角检测和控制
基本控制模式： • 直进 • 转弯（90度） • 旋转（微调） f是什么？PWM的频率
转角计算
•内轮速度ωi，外轮速度ωo
ωi = Ri , ωo Ro
ωi = R − L 2 ωo R + L 2
大赛平台
黑线框宽35mm： 距离外沿200mm 距离发光障碍220mm 距离中心障碍700mm
平台照片
大赛平台
场地 2000 X 2000mm
障碍 Ф200 H270mm Ф160 H110mm
车身 273 X 123mm
平台比例图
传感器任务和路径策略
任务① 循线
任务② 检测障碍
任务③ 检测平台发光
光电传感器抗干扰措施
－－发射和接收信号的调制解调
红外LED 发光脉冲信号
光敏三极管PT 传感器输出
高通滤波
光干扰： －照明光； －地面反光; －闪光灯； ……

接收脉冲信号 干扰光
信号水平高/低 ＝》光反射强/弱 ＝》地板白/黑 ＝》距离近/远 ＝》入射光强/弱
（红外LED，PT）阵列传感器
黑线偏置检测 障碍高度检测
超声测距时序图
t1
发射信号 接收信号
t2
障碍回波
40kHz (T=25μsec)
t1=0.1msec, 4个脉冲； t2=25msec，每秒40次测量
比较电压
不可测区
t3
t3=nT; C=340m/sec X＝（C*t3）/2 例： x=1m, t3=6msec x=50cm, t3=3msec x=10cm, t3=0.6msec
• 光：分可见光、红外光等，940nm红外发光。 • 发光管：发光强度与通过电流成比例。 • 光电感应原理：半导体PN结，
吸收光子能量，电子迁跃，… 开放电压，短路电流 • 光电传感器模拟量输出： 输出电流（电压）与光强成比例 离光源越近输出信号越大；扩散和衰减 正对光源比斜对光源输出信号大；指向性 • 光电传感器开关量输出： 和阈值电压比较，输出H/L电平。
开关颤动和去颤动电路
4.7kΩ
SP：单刀 DT：双掷
NO：常开 NC：常关
单一转换数字电路
RS触发器的内部结构和时序
传播延时
微动开关控制LED灯的实验
LED_1 LED_2
常开 微动开关
实验：用微动开关逐次开关LED_1， 开关一定次数后，点亮LED_2
发现：没有开关那些次数，LED_2就亮了，为什么？
I1 + I2
A 光电流 I1
L
(2)PSD三角测量
已知焦距L和基线长D PSD输出漫反射光点的位置d －〉求距离S (S=LD/d)
x 光电流 I2
P
I
N 阴极
L
阳极
B
聚光透镜
红外LED
D
d
S
L
PSD
PSD器件－－开关量输出
Hysteresis width
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光电距离传感器（开关量）
可变电阻 指示灯
光电耦合器 （Photo Coupler）
10mA~ 20mA
R1 180
R2 4.7k
集电极反相输出
5V
(a)透射型
(b)反射型
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自制码盘
透明胶片上印刷： －》透射型光耦
白纸上印刷： －》反射型光耦
码盘、光耦及脉冲输出
－－光耦输出波形整形（例）
为什么需要自制码盘
• 给两个电机同样的PWM驱动，应该跑直线！？ • 转弯处适当调整左右电机的转速！？
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小车基本动作的测试要点
直线运动： 直进性能和偏差，机械调整 最高速度（最大限） 达到最高速度的快速稳定启动， 加速和减速曲线的确定 刹车距离和摩擦性能测试
90度转弯： 到达目标点的判断和减速曲线设置 转动轴线的中点在交叉点或其他 制动和free的不同
线条检测
黑白地面： 光反射系数不同； 反射型光电耦合器； 传感器阵列。
•白纸和浅色地板：反射系数不同，留出可调余地。 •目标条件下，明和暗的区别，差值重要。
•设置传感器和电机的电源开关，用不同电源，分别测试。
左中右式路面反射光检测（例）
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左中右式反射光检测电路（例）
左
10KHz
去噪
发光
中
右
暗色＝》H
光电测距器件: SHARP GP2D12
PSD器件: GP2Y0A21
加油！
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X（cm）
可变电阻调发光强度 O －》对应限位距离；
可调范围15－70cm； （滞环距离约8mm）
超声波距离传感器
R T
0.1－3m
555 555
压电换能器
屏蔽栅 外壳 圆锥振子 双晶陶瓷片 支柱 电极端子
发射超声波
激励 电压
接收超声波 输出 电压
压电换能器的激励和接收
谐振频率：40kHz； 适合空气中传播
•（加/减速－匀速－加/减速） f
右轮
• 返回正前方姿态
左轮
t
f
右轮
左轮
左轮
右轮
t
控制策略
左偏大 左偏小 居中 右偏小 右偏大
右急转 右转 直进 左转 左急转
直流电机转动量的控制： • 转动时间？经验调试 or 反馈控制 • 车轮转角检测？编码器 or not • 黑线或障碍检测？主动 or 被动检测 • 指令执行周期影响？
超声波测距性能
• 最大测量距离：声波在空气中衰减； － 增加发射功率：
增加脉冲个数，增加电压等。
• 测量盲区（最小测量距离）：发射串扰信号； － 降低最小距离：
减小脉冲个数，提高声波频率等。
• 距离测量分辨率：计时分辨率； － 10MHz时钟＝》间隔0.1μsec＝》距离分辨0.017mm； － 100kHz时钟＝》距离分辨1.7mm。
反射型光耦的设计及安装的要点
•焦距（最大灵敏度，几个mm） •焦点深度（浅，需要精密设置），
（机械振动或地面不平整对输出有影响）
•在到达反射面距离相同的条件下，反射光强代表反射系数。 •可见照明光中有红外光，遮挡或抗干扰措施。 •红外灯无法视觉确认其动作，用指示灯。
•筛选特性一致的传感器，或依靠可变电阻进行调整。