第13章傳感器的綜合應用12/30/20231學習目的掌握傳感器的應用技術了解傳感器與檢測電路的調試方法

12/30/2023213.1電阻應變式力傳感器制作的數顯電子秤

13.2敲擊式電子門鈴

13.3超溫報警電路

13.4水位指示及水滿報警器

13.5光控延時照明燈

13.6熱釋電紅外探頭報警器

13.7超聲波遙控照明燈

13.8感應式防盜報警器

13.9吸煙報警器

13.10觸摸式延時照明燈本章小結主要內容返回主目錄12/30/20233隨著科學技術的發(fā)展，傳感器幾乎滲透到所有的技術領域，如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護、資源利用、醫(yī)學診斷、生物工程、文物保護等等廣泛領域，并逐漸深入到人們的生活中。本章僅列舉傳感器在部分檢測與控制中的應用，通過這些簡單的制作，使讀者充分掌握傳感器的工作原理及其應用，加深對傳感器的理解。12/30/2023413.1電阻應變式力傳感器制作的數顯電子秤該電子秤是根據應變式傳感器的工作原理制作的數字式電子秤，具有準確度高，易于制作、成本低、體積小巧、實用等特點。其分辨率為1g，在2kg的量程范圍內經仔細調校，測量精度可達0.5%。12/30/2023513.1.1工作原理圖13-1數顯電子秤電路原理圖電阻應變式傳感器，采用E350-2AA箔式電阻應變片，其常態(tài)阻值為350

數顯面板提供1.22V基準電壓，經R5、R6及RP2分壓后作為A/D轉換器的參考電壓A/D轉換器放大電路12/30/2023613.1.2元件選擇IC1選用ICL7126集成塊；IC2、IC3選用高精度低溫漂精密運放OP07；IC4選用LM385-1.2V集成塊。傳感器R1選用E350-2AA箔式電阻應變片，其常態(tài)阻值為350

。各電阻元件選用精密金屬膜電阻。RP1選用精密多圈電位器，RP2、RP3經調試后可分別用精密金屬膜電阻代替。電容C1選用云母電容或瓷介電容。12/30/2023713.1.3制作與調試該數顯電子秤外形可參考圖13-2形式。其中形變剛件可用普通鋼鋸條制作，其方法是：首先將鋸條打磨平整，再將鋸條加熱至微紅，趁熱加工成“U”形，并在對應位置鉆孔，以便以后安裝；然后再將其加熱至橙紅色（700～800℃），迅速放入冷水中淬火，以提高其硬度和強度；最后進行表面處理工藝。有條件時，可采用如圖13-3所示的準S型傳感器。秤鉤可用清理膠粘接于鋼件底部。應變片則用專用應變膠粘接于鋼件變形最大的部位（內側正中），這時其受力變化與其阻值變化剛好相反。拎環(huán)用活動鏈條與秤體連接，以便使用時秤體能自由下垂，同時拎環(huán)還應與秤體在同一垂線上。圖13-2圖13-3準S型傳感器12/30/20238調試在調試時，應準備1kg及2kg標準砝碼各一個，調試過程如下：零位調整。首先在秤體自然下垂無負載時調整RP1，使顯示器讀數為零。滿量程調整。當秤承擔滿量程重量時（如2kg），調整RP2，使顯示器讀數為滿量程值。中間位置調整：當秤鉤下懸掛1kg的標準砝碼時，調整RP3，使顯示器讀數為1.000。重復第2、3步，直到滿足要求為止。最后準確測量PR2、RP3電阻值，并用精密金屬膜電阻代替。RP1引出表外，以便于測量前調零之用。12/30/2023913.2敲擊式電子門鈴該敲擊式電子門鈴是用壓電傳感器作為檢測元件的。其特點是：當有客人來訪時，只要用手輕輕敲擊房門，室內的電子門鈴就會發(fā)出清脆的“叮咚”聲。工作可靠、實用性強。12/30/20231013.2.1工作原理圖13-4敲擊式電子門鈴電路壓電陶瓷片BC固定在房門內側上，當有人敲擊門時，BC受到機械振動后，其兩端產生感應電壓（壓電效應），該電壓經VT1放大后，作為觸發(fā)電平加至IC1和IC2的CP端，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉，IC1的輸出端輸出低電平脈沖給IC2的R端，IC2開始對敲擊脈沖進行計數。延時約1s后，IC1的輸出端恢復為高電平，IC2停止計數。當1s內敲擊脈沖超過3次時，IC2的輸出端會產生高電平脈沖，觸發(fā)音樂集成電路IC3工作，IC3的O/P端輸出音樂電平信號，該信號經VT2和VT3放大后，推動揚聲器BL發(fā)出“叮咚”聲。拾音放大器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖計數器音樂發(fā)生器音頻放大器壓電陶瓷片12/30/20231113.2.2元器件選擇R1～R7均選用RTX-1/8W碳膜電阻器。CI～C3均選用滌綸電容器或獨石電容器；C4～C6均選用CD11-16V的電解電容器。VT1用9014或3DG8型硅NPN小功率三極管，要求電流放大系數

≥150；VT2選用9013或3DG12、3DK4型硅NPN中功率三極管，要求電流放大系數

≥100；VT3選用9012型硅PNP中功率三極管，要求電流放大系數

≥50。IC1選用CD4013雙D觸發(fā)器數字集成電路；IC2選用CD4017十進制計數分頻器數字集成電路；IC3選用KD2538音樂集成電路。BL選用0.25W、8

微型電動式揚聲器。BC用

27mm的壓電陶瓷片，如FT-27等型號。G用兩節(jié)5號干電池串連而成，電壓3V。12/30/20231213.2.3制作與調試IC3芯片通過4根7mm長的元器件剪腳線插焊在電路板上；除壓電陶瓷片BC外，焊接好的電路板連同揚聲器BL、電池G（帶塑料架）一起裝入絕緣材料小盒內。盒面板為BL開出拾音孔；盒側面通過適當長度的雙芯屏蔽線引出到壓電陶瓷BC。實際安裝時，將壓電陶瓷片BC通過502膠粘貼在大門背面正對個人常敲門的位置（一般離地面1.4m左右），門鈴盒則固定在室內墻壁上。12/30/20231313.3超溫報警電路本超溫報警電路是采用LM45C貼片式溫度傳感器設計的，報警溫度可任意設定，超過設定溫度時會發(fā)出聲、光報警信號。12/30/20231413.3.1工作原理當探頭LM45C所在環(huán)境超過設定溫度時，CA3140比較器的6腳輸出高電平，三極管VT導通，VL發(fā)光，HA發(fā)聲以示超溫報警。比較器有一定的滯后，這是為了防止測量溫度在閾值溫度上下波動時，產生不穩(wěn)定的報警聲。圖13-5超溫報警電路貼片式溫度傳感器基準電壓源運算放大器組成的比較器設定報警溫度（每10mV相當于1℃）12/30/20231513.3.2元器件選擇IC1選用美國國家半導體公司生產的LM45C貼片式溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成正比，靈敏度為10mV/℃，不需要調整。IC2選用運算放大器CA3140。VS采用2.5V硅穩(wěn)壓二極管，如LM4431；VL采用

3mm高亮度發(fā)光二極管。VT采用9013或3DK4型硅NPN中功率三極管，要求電流放大系數

＞100。R1～R7選用RTX-1/8W碳膜電阻器。RP采用WSZ-1型自鎖式有機實心電位器。C1～C4均采用CT1瓷介電容器；C5選用CD11-10V的電解電容器。HA采用語音報警專用電喇叭。電源選用直流5V穩(wěn)壓電源。13.3.3制作與調試由于本電路較簡單，按電路圖焊接安裝好后，一般不需要調試即可使用。12/30/20231613.4水位指示及水滿報警器該水位指示報警器可用于太陽能熱水器的水位指示與控制。太陽能熱水器一般都設在房屋的高處，熱水器的水位在使用時不易觀察，給使用者帶來不便。使用該水位報警器后，可實現水箱中缺水或加水過多時自動發(fā)出聲光報警。12/30/20231713.4.1工作原理當水箱無水時，由于180k

電阻的作用，使4個開關的控制端部為低電平，開關斷開，發(fā)光二極管VL1～VL4不亮。隨著水位的增加，加之水的導電性，使得IC的13腳為高電平，S1接通，VL1點亮。當水位逐漸增加時，VL2、VL3依次發(fā)光指示水位。水滿時，VL4發(fā)光，顯示水滿。同時VT導通，B發(fā)出報警聲，提示水已滿。不需要報警時，斷開開關SA即可。圖13-6水位指示與水滿報警電路四雙向模擬開關集成電路CD4066和相關元器件組成。每個電路內部有4個獨立的能控制數字或模擬信號傳送的開關12/30/20231813.4.2元器件選擇IC選用四雙向模擬開關集成電路CD4066。VT用9013或8050、3DG12、3DX201型硅NPN中功率三極管，要求

＞150。VL1～VL4用F5mm高亮度紅色發(fā)光二極管。R用RTX-1/8W碳膜電阻器。B用YD57-2型8

圈式揚聲器。電源可用4節(jié)1.5V電池或6V直流穩(wěn)壓電源。12/30/20231913.4.3制作與調試制作時可制作一個簡易面板。并根據實際情況及個人愛好選擇合適的報警器B。調試時將五個探知電極安置水盆的不同水位高度，接通水位報警電路，給水盆中慢慢加水，在各種不同水位對電路報警效果進行調整。12/30/20232013.5光控延時照明燈光控延時照明燈，采用紅外發(fā)光二極管及光敏三極管作為雙重光控元件，用于走廊樓道照明.12/30/20232113.5.1工作原理圖13-7光控延時照明燈電路原理圖時基集成電路IC與電位器RP、電容器C1構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器光控電路紅外光控電路12/30/202322當有人進入光控區(qū)后，遮擋光照使VTL1截止，IC的2腳變?yōu)楦唠娖?，人走出光控區(qū)后，IC的2腳加入負脈沖，使其內部的觸發(fā)器翻轉，IC的3腳輸出高電平，使VT受觸發(fā)而導通，照明燈EL被點亮。待IC暫態(tài)結束后，其3腳恢復低電平，使VT截止，照明燈EL熄滅。在白天有光時，VTL2呈現導通狀態(tài)，使IC的4腳（復位端）為低電平，整個控制電路白天不工作。在晚上，VTL2因無光照射而呈現截止狀態(tài)，IC的4腳變?yōu)楦唠娖?，整個控制電路開始工作若光控區(qū)無人時，則VL發(fā)出的紅外線使VTL1導通，IC的第2腳為恒定的低電平，3腳輸出低電平，VT截止，照明燈EL不亮（因為只有IC第2腳有負脈沖輸入時，其內部的觸發(fā)器才動作，IC的3腳才輸出高電平）12/30/20232313.5.2元器件選擇IC選用NE555、μA555、SL555等時基集成電路。VL選用HG501中功率紅外發(fā)射二極管；VTL1、VTL2選用3DU系列的光敏三極管。VT選用MAC97A6小型塑封雙向晶閘管，可驅動100W以下的白熾燈泡，使用時應加散熱片；VD選用1N4004型等硅整流二極管。RP選用WS型小型精密電位器；R1～R4、R6均選用RTX-1/4W碳膜電阻器；R5選用RTX-2W碳膜電阻器。C1選用CD11型電解電容器；C2選用CT4D型獨石電容器或CL11型滌綸電容器；C3選用CBB-400V型聚丙烯電容器。12/30/20232413.5.3制作與調試定時電路中除VL、VTL1、VTL2、EL外，其余元件焊在電路板上，裝入塑料盒內，固定在走廊墻壁上。VTL2光敏三極管裝在樓梯窗外，使其感受到白天光照。VL、VTL1分別安裝在走廊兩側墻壁上，離地面約90cm。在光敏三極管VTL1前面可加裝紅色有機玻璃，以防止其它光源干擾。調節(jié)電位器RP的阻值，使其定時為20s左右。將VL對準VTL1，再分別安裝好（可通電試驗，用手遮擋住VL，再松開，觀察燈EL是否點亮，以此來檢查VL與VTL1是否對準）即可。12/30/20232513.6熱釋電紅外探頭報警器熱釋電紅外探頭報警器由新型熱釋電式紅外探頭和語音集成電路等組成，是一種體積小、無須外部接線、使用方便的便攜式報警器。每當它的前方5m范圍內有人活動時，便會立即發(fā)出“嘟嘟，請注意！”的告警聲。其最大的特點是白天和晚上都能正常工作，可廣泛用于家庭防護、誤入危險區(qū)域警示、商店營業(yè)部來客告知及外出旅行度假時安全防范等場所。12/30/20232613.6.1工作原理圖13-8熱釋電紅外探頭報警器的電路圖熱釋電式紅外探測頭,是一種被動式紅外檢測器件，它能以非接觸方式檢測出運動人體所輻射出來的紅外能，并將其轉化為正脈沖電信號輸出；同時，它還能有效地抑制人體輻射波長以外的紅外光和可見光的干擾。語音集成電路12/30/202327圖13-8熱釋電紅外探頭報警器的電路圖當有人進入監(jiān)視區(qū)域內時，IC1的OUT腳輸出與運動人體頻率基本同步的正脈沖信號。該信號直接加到IC2的觸發(fā)端TG腳，使IC2內部電路受觸發(fā)工作，由其OUT腳輸出內儲的“嘟嘟，請注意！”電信號，經三極管VT功率放大后，推動揚聲器B發(fā)出響亮的告警聲。電路中，R為IC2外界時鐘振蕩電阻器，其阻值大小影響語音聲的速度和音調。C為濾波電容器，主要用來降低電池G的交流內電阻，使B發(fā)聲更加純正響亮。12/30/20232813.6.2元器件選擇IC1選用MP01型熱釋電式紅外探測頭，它將菲涅耳透鏡、熱釋電傳感器、單片數模混合集成電路組合在一起，構成了一個堅固、小巧、易安裝的“一體化”器件。MP01采用TO5封裝，典型尺寸為

11～14.5mm。它共有三個引腳：即電源正極端VDD、信號輸出端OUT和公共地端GND。由于MP01是靠感應熱釋紅外線工作的，所以在夜間也能很容易地檢測到運動的人體。IC2選用HFC5212型“嘟嘟，請注意！”語音集成電路。VT用8050型硅NPN中功率三極管，要求電流放大系數

＞100。R選用RTX-1/8W碳膜電阻器。C選用CD11-10V型電解電容器。B用YD58-1型小口徑8

、0.25W動圈式揚聲器。SIC用1x1小型撥動開關。G用三節(jié)5號干電池串聯（須配塑料電池架）而成，電壓4.5V。12/30/20232913.6.3制作與調試IC2芯片可通過5根7mm長銅絲直接插焊在電路板對應數標孔內。焊接時注意：電烙鐵外殼一定要良好接地，以免交流感應電壓擊穿IC1、IC2內部COMS集成電路。焊接好的電路全部裝入合適的塑料小盒內。盒面板開孔伸出IC1探測鏡頭，并為B開出放音孔。盒側面開孔固定SA。制作成的熱釋電紅外探頭報警器，一般無須任何調試便可投入使用。如果IC2語音聲的音調或速率不理想，可通過更改IC2外接振蕩電阻R阻值（620k

～1.2M

)來加以調整。R阻值大，語音聲速慢且低沉；反之，則語音聲速快且尖高。實際使用時，熱釋電紅外探頭報警器可放在任何需要對人體進行監(jiān)視的地方（或固定在墻上），將IC1探測鏡頭正對著來人方向即可。該報警器的有效監(jiān)視范圍是一個半徑5m、圓心角達100°的扇形區(qū)域。由于本裝置實測靜態(tài)總電流小于0.2mA，故用電十分節(jié)省。每換一次新干電池，一般可連續(xù)使用數個月時間。12/30/20233013.7超聲波遙控照明燈超聲波遙控照明燈，采用專用超聲波發(fā)射集成電路，工作可靠，性能穩(wěn)定。12/30/20233113.7.1工作原理圖13-9超聲波遙控照明燈電路圖超聲波發(fā)射專用集成電路，它的外圍電路極為簡單，當按下按鍵SB時，超聲波發(fā)射換能器B1即向外發(fā)射頻率為40kHz的超聲波超聲波接收換能器前置放大器聲控專用集成電路電子開關12/30/202332如果再按一下發(fā)射器SB，接收控制器收到信號后，IC2的第12腳就會翻轉回低電平，VT2截止，電燈EL熄滅。R3、R4組成分壓器，且R4的阻值略大于R3，因而使IC2的輸入端第1腳靜態(tài)直流電平略高于1/2VDD，可使聲控集成電路IC2處于最高接收靈敏度狀態(tài)。低電平截止不動作不亮動合觸點K1打開按一下發(fā)射器的按鍵接收到的超聲波信號并將其轉變?yōu)橄鄳碾娦盘柷爸梅糯髢炔坑|發(fā)翻轉高電平導通吸合通電發(fā)光12/30/20233313.7.2元器件選擇IC1選用NYKD40T超聲遙控發(fā)射專用集成電路，它采用金屬殼封裝，該集成塊工作電壓為9V,工作電流約為25mA，有效發(fā)射距離為10m；IC2采用BH-SK-I型聲控集成電路，它采用黑膏軟封裝。B1為壓電陶瓷型超聲波發(fā)射換能器，型號為UCM-T40；B2為與B1相配套的超聲波接收換能器，型號為UCM-R40。發(fā)射器為了力求體積小巧，電源G應采用6F22型9V層疊式電池；接收控制器則采用交流電降壓整流供電，T選用220V/2V、8W優(yōu)質成品電源變壓器；K為JZC-22F、DC12V小型中功率電磁繼電器，其觸點容量可達5A。VT1選用9014或3DG8型硅NPN小功率三極管，要求電流放大系數

≥200；VT2選用9013、3DG12、3DK4、3DX21型硅NPN中功率三極管，要求電流放大系數

≥100；VD1、VD2均選用1N4001型硅整流二極管；VS選用6V、0.5W硅穩(wěn)壓二極管，如2CW21C、1N5233型等。C1、C2選用CT1型瓷介電容器；C3、C4選用CD11-16V型電解電容器。所有電阻均選用RTX-1/8W碳膜電阻器。12/30/20233413.7.3制作與調試將焊接好的電路板裝入體積合適的絕緣小盒內，注意在盒面板為B2開出接收孔。按圖13-9b選擇元器件參數，一般不需要調試，即能可靠穩(wěn)定工作，有效工作半徑為10m左右。12/30/20233513.8感應式防盜報警器該防盜報警器采用多普勒傳感器，具有靈敏度高、監(jiān)視范圍廣等特點，適用于倉庫或庭院作夜間防盜之用.12/30/20233613.8.1工作原理圖13-10感應式防盜報警器電路多普勒傳感器,通過外接環(huán)形天線W向周圍空間發(fā)射微波信號低頻放大器聲響報警電路電子開關、延時電路天線12/30/202337即使侵入者遠離監(jiān)視區(qū)域，報警器也會持續(xù)報警一段時間（約25s）。無人進入防盜監(jiān)視區(qū)內時有人進入IC1的監(jiān)視區(qū)域內活動時輸出恒定的直流電壓報警電路不動作接受到被人體反射回來的微波信號輸出脈動電壓導通低電平高電平飽和導通報警電路動作，反復發(fā)出響亮的“有賊，抓賊呀”的報警聲12/30/20233813.8.2元器件選擇IC1選用RD627多普勒傳感器模塊；IC2選用NE555時基集成電路。VT2選用3DK4開關三極管；VT1和VT3選用8050型NPN中功率三極管，要求電流放大系數

＞100。R1～R5選用RTX-1/4W碳膜電阻器。C1～C4、C6和C7均選用CD11-16V的電解電容器；C5選用滌綸電容器。HA選用專用內置語音集成電路和揚聲器的高響度聲響報警器。天線W可選用黑白電視機特高頻(UHF)用室內環(huán)形天線（天線與IC1的1腳、2腳之間用阻抗為7

饋線連接）。電源選用12V直流穩(wěn)壓源。12/30/20233913.8.3制作與調試按電路圖焊接好后，即可通電調試。調整電阻器R4和電容器C4的數值，可決定報警時間的長短。12/30/20234013.9吸煙報警器該報警器安裝在不宜吸煙的場合，當有人吸煙而煙霧繚繞時，會發(fā)出響亮刺耳的語言“不要吸煙”，以提醒吸煙者自覺停止吸煙12/30/20234113.9.1工作原理圖13-11吸煙報警器電路氣敏傳感器穩(wěn)壓在4.2V，為語音集成電路IC2和VT供電語音集成電路升壓功放報警器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12/30/202342表面吸附了煙霧或可燃性氣體時B、L極間阻值減小電位下降電位下降，下跌到1/3VDD時，IC1的2腳受觸發(fā)輸出高電平輸出語音信號發(fā)出響亮的報警語音雖然單穩(wěn)態(tài)電路延時時間按圖設定為10s,但只要室內的煙霧或可燃性氣體不被驅散，IC1

的2腳的電位總不大于1/3VDD，它將一直輸出高電平持續(xù)報警，只有煙霧消除后，MQK-2的B、L極間阻值復原至30k

以上，且2腳的電位大于1/3VDD后，IC1才翻轉輸出低電平，從而停止報警。12/30/20234313.9.2元器件選擇氣敏傳感器選用MQK-2型氣敏元件；IC1選用NE555或LM555等時基集成電路；IC2選用LH-169A型語音集成電路；IC3選用升壓功放模塊TWH68。VT用9015或3CG21型硅PNP小功率三極管，要求

＞100。VD用普通硅二極管1N4148。RP1、RP2用WH7-A型立式微調電位器。R1～R7選用RTX-1/8W碳膜電阻器。C1、C2、C4用CD11-10V的電解電容器，C3選用CC1型瓷介電容器。B用8

、0.25W小口徑電動式揚聲器。12/30/20234413.9.3制作與調試電源可用6V/0.5A的直流穩(wěn)壓電源供電。整個電路全部組裝在體積合適的絕緣小盒（如塑料香皂盒）內。盒面板開孔固定氣敏元件，并為揚聲器B開出釋音孔。調試時先將限流電位器RP1旋至阻值最大處，然后通電，這樣可防止大電流沖擊損壞MQK-2的加熱絲，微調RP1使氣敏元件加熱的燈絲電壓為5V,這時流過加熱極電流為130mA左右。注意，必須在MQK-2燈絲預熱10min，氣敏元件的電阻處于正常工作狀態(tài)后，再調節(jié)RP2使C點的電位略大于2V即可。12/30/20234513.10觸摸式延時照明燈觸摸式延時照明燈，采用二線制接法，不必更改原有布線，是一款簡單、實用的照明燈控制電路，非常適用于樓道、走廊、衛(wèi)生間等場所。12/30/20234613.10.1工作原理圖13-12觸摸式延時照明燈電路圖燈光控制器的主電路

雙D觸發(fā)器數字集成電路,單穩(wěn)態(tài)電路,穩(wěn)態(tài)輸出時輸出端Q即1腳輸出低電平

指示開關位置的，便于在夜間尋找開關觸摸電極片

充電時間，電路的延時時間

12/30/202347Q腳輸出低電平無