物聯(lián)網技術與應用第三章傳感器技術3.1傳感器概述3.2常用傳感器3.3傳感器與微控制器接口目錄Contents本章學習重點03（1）傳感器的組成及常用傳感器的工作原理。（2）傳感器與微控制器的接口技術。（3）智能傳感器的應用。0201本章學習重點傳感器和無線傳感器網絡是物聯(lián)網的基石。在物聯(lián)網的感知層中，信息的獲取與數據的采集主要使用自動識別技術和傳感器技術。傳感器技術和自動識別技術完全不同，傳感器技術涉及物理學、化學、生物學、材料科學、電子學及通信與網絡技術等多種學科，是利用能感受被測量的敏感元件或轉換元件，按照一定的規(guī)律，將人類無法直接獲取或識別的信息轉換成可識別的信息數據的高新技術。3.1傳感器概述傳感器的概念3.1.1傳感器是一種獲取信息的裝置，是把特定的被測信息（包括物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置，也叫變換器、換能器或探測器等。國家標準GB/T7665－2005《傳感器通用術語》對傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。因此，傳感器是能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置。傳感器的輸出信號有多種形式，如電壓、電流頻率和脈沖等，輸出信號的形式由傳感器的原理決定。通常情況下，傳感器轉換輸出的大多是電信號。因此，傳感器也可以定義為：把外界輸入的非電量轉換為電信號的一種裝置。3.1傳感器概述傳感器的組成3.1.2傳感器敏感元件轉換元件電子線路敏感元件傳感器中直接感受被測量的部分轉換元件能將敏感元件的輸出信號轉換為適于傳輸和測量的電信號的部分電子線路用于將傳感器輸出的電參量轉換成電能量3.1傳感器概述由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，需要有轉換電路將其放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導體器件和集成技術在傳感器中的應用，傳感器的轉換電路可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件集成在一個芯片上，因此，轉換電路和輔助電源也應作為傳感器的組成部分。3.1傳感器概述敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成一定關系的其他物理量的元件，如彈性敏感元件將力轉換為位移或應變輸出；轉換元件也叫換能元件，是將敏感元件的輸出量轉換成電參量的元件，如將非電物理量（如位移、應變、光強）轉換成電量參數（如電阻、電感、電容）等，有些傳感器的敏感元件和轉換元件合二為一；轉換電路將轉換元件輸出的電參量轉換成電壓、電流或頻率等電量，常見的轉換電路有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等，它們分別與相應的傳感器相配合；輔助電源轉換元件和轉換電路提供電源；3.1傳感器概述傳感器的分類3.1.3在實際應用中，傳感器種類很多，同一被測量可以用不同的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可以測量多種被測量，所以目前傳感器的分類方法也比較多。傳感器的典型分類方法傳感器按變換原理進行分類3.1傳感器概述傳感器按被測量進行分類3.1傳感器概述傳感器的性能指標3.1.4傳感器的性能指標可以在一定程度上表征傳感器的質量，因此，評價傳感器的質量好壞，離不開其性能指標。在檢測控制系統(tǒng)和科學實驗中，需要對各種參數進行檢測和控制，而要達到比較優(yōu)良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測被測量的變化并且不失真地將其轉換為相應的電量，這種要求主要取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性靜態(tài)特性動態(tài)特性3.1傳感器概述1靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關系。線性度靈敏度遲滯重復性漂移測量范圍量程精度分辨率和閾值穩(wěn)定性3.1傳感器概述線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量Δy與引起該增量的相應輸入量增量Δx之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。顯然，靈敏度值越大，表示傳感器越靈敏。遲滯傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g，其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正、反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。重復性指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。3.1傳感器概述漂移指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現(xiàn)象。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出量的變化，主要表現(xiàn)為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20℃）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比來表示。測量范圍指傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍。量程指傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數差。3.1傳感器概述精度指測量結果的可靠程度，它是測量中各類誤差的綜合反映，測量誤差越小，傳感器的精度越高。傳感器的精度用其量程范圍內的最大基本誤差與滿量程輸出之比的百分數表示，其基本誤差是傳感器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的測量誤差，由系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩部分組成。工程技術中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數值分擋表示，代表傳感器測量的最大允許誤差。分辨率和閾值傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。當分辨力以滿量程輸出的百分數表示時則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力。理想的情況是不論什么時候，傳感器的特性參數都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數傳感器的特性會發(fā)生改變。這是因為敏感元件或構成傳感器的部件，其特性會隨時間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經過一規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，稱為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差來表示。3.1傳感器概述2動態(tài)特性動態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為隨時間變化的信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關系。傳感器主要動態(tài)特性的性能指標有時域單位階躍響應性能指標和頻域頻率特性性能指標。傳感器的輸入信號是隨時間變化的動態(tài)信號，這時就要求傳感器能時刻精確地跟蹤輸入信號，按照輸入信號的變化規(guī)律輸出信號。當傳感器輸入信號的變化緩慢時，是容易跟蹤的，但隨著輸入信號的變化加快，傳感器的隨動跟蹤性能會逐漸下降。輸入信號變化時，引起輸出信號也隨時間變化，這個過程稱為響應。動態(tài)特性就是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應特性。3.1傳感器概述傳感器的動態(tài)特性與其輸入信號的變化形式密切相關，在研究傳感器動態(tài)特性時，通常是根據不同輸入信號的變化規(guī)律來考察傳感器響應的。階躍輸入信號傳感器的響應稱為階躍響應或瞬態(tài)響應，是指傳感器在瞬變的非周期信號作用下的響應特性。如傳感器能復現(xiàn)這種信號，那么就能很容易地復現(xiàn)其他種類的輸入信號，其動態(tài)性能指標也必定會令人滿意。正弦輸入信號傳感器的響應稱為頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應，是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號作用下的響應特性。穩(wěn)態(tài)響應的重要性在于，工程上所遇到的各種非電信號的變化曲線都可以展開成傅里葉級數或進行傅里葉變換，即可以用一系列正弦曲線的疊加來表示原曲線。當知道傳感器對正弦信號的響應特性后，就可以判斷它對各種復雜變化曲線的響應了。3.1傳感器概述建立動態(tài)數學模型的方法微分方程傳遞函數頻率響應函數差分方程狀態(tài)方程脈沖響應函數等建立微分方程是對傳感器動態(tài)特性進行數學描述的基本方法。在忽略了一些影響不大的非線性和隨機變化的復雜因素后，可將傳感器作為線性定常系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數學模型可用線性常系數微分方程來表示。能用一、二階線性微分方程來描述的傳感器分別稱為一、二階傳感器。雖然傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以簡化為一階或二階環(huán)節(jié)的傳感器（高階可以分解成若干低階環(huán)節(jié)），因此一階和二階傳感器是最基本的。3.2常用傳感器溫度傳感器及熱敏元件3.2.1溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器利用熱敏元件的參數隨溫度變化而變化的特性來達到測量溫度的目的。用來度量物體溫度數值的標尺叫做溫標。它規(guī)定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前，國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。3.2常用傳感器溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按照敏感元件與被測介質接觸與否溫度傳感器接觸式非接觸式按照傳感器材料及電子元件特性溫度傳感器熱電阻熱電偶3.2常用傳感器1熱電阻熱電阻是利用導電物體的電阻率隨本身溫度而變化的溫度電阻效應而制成的傳感器，它是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。熱電阻是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的，其主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。熱電阻應具有如下特性：電阻溫度系數大，電阻率大，熱容量??；在整個測溫范圍內應具有穩(wěn)定的物理和化學性質；電阻與溫度的關系最好近似于線性關系或為平滑的曲線；容易加工，復制性好，價格便宜。3.2常用傳感器知識庫由物理學知識可知，導體（或半導體）的電阻值是隨著溫度的變化而變化的，通常用電阻溫度系數

來描述電阻值隨著溫度變化而變化這一特性。它的定義是：在某一溫度間隔內，溫度變化1℃時電阻的相對變化量，單位為1/℃。金屬導體的電阻一般隨溫度升高而增大，

為正值，稱為正的電阻溫度系數。用于測溫的半導體材料的

為負值，即具有負的電阻溫度系數。3.2常用傳感器目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，除鉑和銅之外，還有鎳、鐵、錳等。鉑熱電阻具有耐高溫，性能穩(wěn)定，抗氧化能力強，電阻率高，且材料易于提純等優(yōu)點，在國際實用溫標中以鉑電阻作為標準。銅熱電阻價格低廉，互換性好，固有電阻小，但高于100℃時易被氧化，所以在溫度范圍為-50℃～100℃時，可用銅做熱電阻傳感器。鎳熱電阻的溫度系數大，靈敏度比鉑和銅的高，常用來測量-60℃～180℃范圍的溫度。由于鎳熱電阻的制造工藝較復雜，很難獲得電阻溫度系數相同的鎳絲，因此它的測量準確度低于鉑熱電阻。我國目前規(guī)定的標準化熱電阻的分度號有Ni100，Ni300和Ni500。3.2常用傳感器1）熱電阻的基本參數標稱電阻熱電阻在0℃時的電阻值。分度表以表格形式來表示熱電阻的電阻－溫度表。分度號分度表的代號，一般用熱電阻金屬材料的化學符號和0℃時的電阻值表示。熱電阻的溫度特性熱電阻的阻值與溫度之間的關系。熱響應時間當溫度發(fā)生階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的某個規(guī)定百分比所需要的時間。3.2常用傳感器2）熱電阻傳感器的結構熱電阻傳感器電阻體絕緣子保護套管接線盒鉑電阻體是用很細的鉑絲繞在云母、石英或陶瓷支架上做成的，形狀有平板形、圓柱形及螺旋形等。常用的WZB型鉑電阻體是由直徑為0.03～0.07mm的鉑絲繞在云母片制成的平板形支架上。銅電阻體是一個銅絲繞組（包括錳銅補償部分），它是由直徑為0.1mm的高強度漆包銅線用雙線無感繞法繞在圓柱形塑料支架上而成。為了防止銅絲松散，加強機械固緊及提高其導熱性能，整個元件經過酚醛樹脂（或環(huán)氧樹脂）的浸漬處理，而后還必須進行烘干（同時也起老化作用），烘干溫度為120℃，保持24小時，然后冷卻至常溫，再把銅絲繞組的出線端子與鍍銀銅絲制成的引出線焊牢，并穿以絕緣套管，或直接用絕緣導線與其焊接。3.2常用傳感器2）熱電阻傳感器的結構鎧裝熱電阻是將陶瓷骨架或玻璃骨架的感溫元件裝入細不銹鋼管內，其周圍用氧化鎂牢固填充，保證它的3根引線與保護管之間，以及引線相互之間良好絕緣。薄膜鉑熱電阻是利用真空鍍膜法將純鉑直接蒸鍍在絕緣的基板上而制成。它的測溫范圍是-50℃～600℃。厚膜鉑熱電阻是用高純鉑粉與玻璃粉混合，加有機載體調成糊狀漿料，用絲網印刷在剛玉基片上，再燒結安裝引線，調整電阻值，最后涂玻璃釉作為電絕緣保護層。它與線繞鉑熱電阻的應用范圍基本相同，在表面溫度測量及在機械振動環(huán)境下應用，明顯優(yōu)于線繞鉑熱電阻。3.2常用傳感器3）熱敏電阻熱敏電阻是一種新型的測溫元件，其原理是：當熱敏材料周圍有熱輻射時，它吸收輻射熱，產生溫升，從而引起材料電阻的變化。熱敏電阻的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越大正溫度系數熱敏電阻（PTC）負溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越小負溫度系數熱敏電阻（NTC）熱敏電阻同屬于半導體器件3.2常用傳感器制造熱敏電阻的材料很多，通常采用重金屬錳、鈦、銅、鎳等氧化物，按一定比例混合后壓制成型，然后在高溫下焙燒而成。用半導體材料制成的熱敏電阻，與用金屬制成的熱電阻相比有如下特點：電阻溫度系數大，靈敏度高，比金屬電阻大10～100倍；結構簡單，體積??；電阻率高，熱慣性小，適合動態(tài)測量；阻值與溫度變化呈非線性關系；穩(wěn)定性和互換性相對較差。3.2常用傳感器（1）電阻－溫度特性電阻和溫度之間的關系是熱敏電阻的最基本特性。當溫度不超過規(guī)定值時，保持著本身特性，超過時特性被破壞。在工作溫度范圍，應在微小工作電流條件下，使之不存在自身加熱現(xiàn)象。（2）伏安特性伏安特性表征熱敏電阻在恒溫介質下流過的電流與其上電壓之間的關系，研究伏安特性有助于正確選擇熱敏電阻的工作狀態(tài)。（3）電流－時間特性電流－時間特性是指熱敏電阻在施加電壓的過程中，電流隨時間變化的特性。開始加電瞬間的電流稱為起始電流，達到熱平衡時的電流稱為殘余電流。3.2常用傳感器2熱電偶熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器，其主要特點是寬溫度范圍和適應各種大氣環(huán)境，而且結實、價低，無需供電。兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的。其中，直接用做測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）。冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。3.2常用傳感器熱電偶傳感器的靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，因此用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。同時，也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件具有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。在選用溫度傳感器時，應該注意：（1）被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。（2）測溫范圍的大小和精度要求。（3）測溫元件大小是否適當。（4）在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。（5）被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。（6）價格如何，使用是否方便。3.2常用傳感器光電傳感器及光敏元件3.2.2光電傳感器是一種將光信號轉換成電信號的設備。光電傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應。光電傳感器具有結構簡單、響應速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點，可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等參數。由于光電測量方法靈活多樣，發(fā)展速度快，應用范圍廣，因此光電傳感器具有很大的應用潛力。3.2常用傳感器1光電傳感器的分類根據工作原理的不同光電傳感器光電效應傳感器紅外熱釋電探測器固體圖像傳感器光纖傳感器1）光電效應傳感器光電效應傳感器是應用光敏材料的光電效應制成的光敏器件。光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導率發(fā)生變化，或產生光生電動勢等，這些因光照引起物體電學特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應。2）紅外熱釋電探測器紅外熱釋電探測器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學性質發(fā)生變化或產生熱電動勢原理制成的一類器件。3.2常用傳感器3）固體圖像傳感器固體圖像傳感器從結構上分為兩大類：用CCD（電荷耦合器件）的光電轉換和電荷轉移功能制成的CCD圖像傳感器；用光敏二極管與CMOS（互補金屬氧化物半導體）晶體管構成的將光信號變成電荷或電流信號的CMOS圖像傳感器。4）光纖傳感器光纖傳感器利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經光纖傳輸到被檢測對象，被檢測信號調制后，光沿著光導纖維反射或送到光接收器，經接收解調后變成電信號。它由光路和電路兩大部分組成，光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調制，電路部分完成從光信號到電信號的轉換。3.2常用傳感器2光電器件1）光電管光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結構是將球形玻璃殼抽成真空，在內半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。若球內充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的靈敏度。用做光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替。光電器件（即光敏元件）有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。光譜特性光譜特性是指由于不同材料的光電陰極對不同波長的入射光有不同的靈敏度，因此光電管對光譜也有選擇性；伏安特性伏安特性是指當入射光的頻譜及光通量一定時，光電流與陽極電壓之間的關系。3.2常用傳感器2）光電倍增管光電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉換器件。管內除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。使用時，相鄰兩倍增電極間均加有電壓用來加速電子。光電陰極受光照后釋放出光電子，在電場作用下射向第一倍增電極，引起電子的二次發(fā)射，激發(fā)出更多的電子，然后在電場作用下飛向下一個倍增電極，又激發(fā)出更多的電子。如此電子數不斷倍增，陽極最后收集到的電子可增加104～108倍，這使光電倍增管的靈敏度比普通光電管要高得多，可用來檢測微弱光信號。光電倍增管高靈敏度和低噪聲的特點使它在光測量方面獲得廣泛應用。3.2常用傳感器3）光敏電阻光敏電阻是用具有內光電效應的光導材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻的優(yōu)點為靈敏度高，體積小、重量輕，光譜效應范圍寬，機械強度高、耐沖擊和振動，壽命長，被廣泛應用在自動化技術中作為開關式光電信號傳感元件。但是，使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產生熱的問題。光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極和半導體之間呈歐姆接觸，使用時在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓。3.2常用傳感器在無光照射，光敏電阻呈高阻，回路中僅有微弱的暗電流通過；在有光照時，光敏材料吸收光能，使電阻率變小，光敏電阻呈低阻態(tài)，從而在回路中有較強的亮電流通過。光照越強，阻值越小，亮電流越大。如果將亮電流取出，經放大后即可作為其他電路的控制電流。當光照停止時，光敏電阻又逐漸恢復原值呈高阻態(tài)，電路又只有微弱的暗電流通過。3.2常用傳感器4）光敏二極管光敏二極管的工作原理基于內光電效應，其結構與一般二極管相似，都有一個PN結。光敏二極管與普通二極管相比，雖然都屬于單向導電的非線性半導體器件，但在結構上為了提高轉換效率，增大受光面積，PN結面積比一般二極管大。光敏二極管的PN結裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射，使用時要反向接入電路中，即正極接電源負極，負極接電源正極，因此光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)。無光照時，光敏二極管與普通二極管一樣，反向電阻很大，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，稱暗電流。當有光照射時，PN結受到光子的轟擊，激發(fā)形成光生電子－空穴對，因此在反向電壓作用下，反向電流大大增加，形成光電流。光照越強，光電流越大，即反向偏置的PN結受光照控制。光電流方向與反向電流一致。3.2常用傳感器5）光敏三極管光敏三極管與普通三極管結構相似，不同的是，光敏三極管是將基極－集電極結作為光敏二極管，集電結做受光結，另外發(fā)射極的尺寸做得很大，以擴大光照面積。大多數光敏三極管的基極無引線，集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。硅光敏三極管一般都是NPN結構，當入射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產生電子－空穴對時，便形成光生電壓。由此產生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了β倍的信號電流。因此，光敏三極管是一種相當于將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通三極管，它比光敏二極管有更高的靈敏度。3.2常用傳感器3光纖傳感器光纖傳感器是把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。其基本原理為：光受到被測量的調制，已調光經光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后經信號處理系統(tǒng)得到被測量。極高的靈敏度和精度安全性好抗電磁干擾高絕緣強度耐腐蝕集傳感與傳輸于一體能與數字通信系統(tǒng)兼容3.2常用傳感器1）光纖傳感器的組成光纖傳感器光源光纖耦合器光纖光探測器（1）光源一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應合適，以便減少光在光纖中傳輸的損失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。另外，還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長等。光纖傳感器使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為相干光和非相干光。非相干光源有白熾光、發(fā)光二極管；相干光源包括各種激光器，如氦氖激光器、半導體激光二極管等。3.2常用傳感器（2）光纖耦合器光纖耦合器又稱分歧器、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領域。在電信網路、有線電視網路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網路中都會應用到。光纖耦合器可分標準耦合器、直連式耦合器、星狀/樹狀耦合器及波長多工器，制作方式有燒結、微光學式、光波導式三種，而以燒結式方法生產占多數，約有90%。知識庫燒結方式的制作法是將兩條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達光耦合作用，而其中最重要的生產設備是光纖熔接機，也是其中的重要步驟。雖然重要步驟部分可由機器代工，但燒結之后，仍須人工做檢測封裝，采用人工檢測封裝須保品質的一致性。3.2常用傳感器（3）光纖光導纖維簡稱光纖，采用石英玻璃絲制成。光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內反射。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖直徑較小，通常為2～12mm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，一般相位調制型和偏振調制型的光纖傳感器采用單模光纖，具有信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高的優(yōu)點，缺點是纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不止一種，光強度調制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖，其優(yōu)點是纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易，缺點是性能較差。為了滿足特殊要求，出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。（4）光探測器光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉換成電信號，以便做進一步的處理。它和光源的作用相反，常用的光探測器有光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。3.2常用傳感器2）光纖傳感器的分類（1）功能型（傳感型）傳感器又稱全光纖傳感器，它利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件；光在光纖內受被測量調制，多采用多模光纖。典型應用有光纖陀螺、光纖水聽器等，具有結構緊湊、靈敏度高的優(yōu)點，缺點是須用特殊光纖，成本高。（2）非功能型（傳光型）傳感器它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其他敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器，優(yōu)點是具有無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低，缺點是靈敏度較低。3.2常用傳感器氣敏傳感器及氣敏元件3.2.3氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其濃度等有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息。氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制。氣敏元件是以化學物質的成分為檢測參數的化學敏感元件。3.2常用傳感器氣敏傳感器是暴露在各種成分的氣體中使用的，由于檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。因此，對氣敏元件有下列要求：能夠檢測爆炸氣體、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號；對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感；性能長期穩(wěn)定性好；響應迅速，重復性好；維護方便，價格便宜。3.2常用傳感器干式氣敏傳感器接觸燃燒式半導體式固體電解質式紅外線吸收式導熱率變化式常見的是半導體氣敏傳感器。對于半導體氣敏傳感器，按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是其內部，可以分為表面控制型和體控制型兩種；按照半導體變化的物理性質，分為電阻型和非電阻型兩種。濕式氣敏傳感器極譜式原電池式3.2常用傳感器氣敏元件種類3.2常用傳感器力敏傳感器及力敏元件3.2.4力是基本物理量之一，因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。力的測量需要通過力敏傳感器間接完成。力敏傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件，是用來檢測氣體、固體、液體等物質間相互作用力的傳感器。3.2常用傳感器1力敏傳感器的分類力敏傳感器的種類很多，有直接將力變換為電量的，如壓電式、壓阻式等；有經彈性敏感元件轉換后再轉換成電量的，如電阻式、電容式和電感式等。力敏傳感器主要用于測力和稱重兩個方面。電阻式傳感器將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化，再經相應的測量電路而最后顯示被測量值的變化。電容式傳感器利用電容器的原理，將非電量轉化為電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉化的器件。電感式傳感器利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力等。壓電式傳感器一種有源的雙向機電傳感器，其工作原理是基于壓電材料的壓電效應。3.2常用傳感器2彈性敏感元件彈性敏感元件（力敏元件）是一個非常重要的傳感器部件，它把力或壓力轉換成應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉換成電信號。彈性敏感元件應具有良好的彈性、足夠的精度、應保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。1）剛度剛度是彈性敏感元件在外力作用下變形大小的量度，一般用k表示。2）靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產生變形的大小，在彈性力學中稱為彈性元件的柔度。它是剛度的倒數，用K表示。3.2常用傳感器3）彈性滯后實際的彈性敏感元件在加載/卸載的正反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，它會給測量帶來誤差。4）彈性后效當載荷從某一數值變化到另一數值時，彈性敏感元件變形不是立即完成相應的變形，而是經一定的時間間隔逐漸完成變形的，這種現(xiàn)象稱為彈性后效。5）固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0，它將影響傳感器的動態(tài)特性。傳感器的工作頻率應避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率，往往希望

f0較高。3.2常用傳感器磁敏傳感器及磁敏元件3.2.5磁敏傳感器是通過磁電作用將被測量（如振動、位移、轉速等）轉換成電信號的一種傳感器。磁敏傳感器種類不同，其原理也不完全相同，因此各有各的特點和應用范圍。磁敏傳感器就是感知磁性物體的存在或者磁性強度（在有效范圍內）。磁性材料永磁體順磁材料（鐵、鈷、鎳及它們的合金）感知通電（直、交）線包或導線周圍的磁場3.2常用傳感器在磁敏傳感器中，霍爾元件及霍爾傳感器的生產量是最大的。主要用于無刷直流電機（霍爾電機）中，這種電機用于磁帶錄音機、錄像機、XY記錄儀、打印機、電唱機及儀器中的通風風扇等。還用于測轉速、流量、流速及利用它制成高斯計、電流計、功率計等儀器。3.2常用傳感器1磁敏元件在傳統(tǒng)的磁檢測中，首先被采用的敏感元件是電感線圈，其特點是無須在線圈中通電，一般僅對運動中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路，如探雷器、金屬異物探測器、測磁通的磁通計等。知識庫磁敏元件是作為檢測磁場而設計和制造的。在磁場檢測中，由于磁場的面積、體積、縫隙大小等都是有限面積（或大小），因此希望磁敏元件的面積與被測磁場的面積相比也應該是越小越準確。在磁場成像的技術中，元件體積越小，在相同的面積內采集的像素就越多，分辨率、清晰度越高。在表面磁場測量與多級磁體的檢測中，以及在磁柵尺中，必然有如此要求。3.2常用傳感器2霍爾傳感器霍爾傳感器是依據霍爾效應制成的器件?；魻栃侵竿姷妮d體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向。銻化銦（InSb）硅襯底砷化鎵霍爾器件由于其工作機理的原因都制成全橋路器件，其內阻都在150～500W之間。對線性傳感器工作電流為2～10mA，一般采用恒流供電法。銻化銦與硅襯底霍爾器件的典型工作電流為10mA，砷化鎵的典型工作電流為2mA，作為低弱磁場測量，自然是傳感器自身所需的工作電流越低越好?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾阂活悶殚_關型器件，另一類為線性霍爾器件。從結構形式及用量、產量上看，前者大于后者。3.2常用傳感器3磁阻傳感器磁阻傳感器采用的半導體材料與霍爾傳感器大體相同。但對磁場的作用機理不同，傳感器內載流子運動方向與被檢磁場在一平面內。在磁阻器件應用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾。在器件制備方面，磁阻器件由于與霍爾傳感器不同，因此早期的產品為單只磁敏電阻。由于溫度漂移大，現(xiàn)在多制成單臂（兩只磁敏電阻串聯(lián)），主要是為補償溫度漂移。目前也有全橋產品，但用法與霍爾器件略有差異。磁阻傳感器由于工作機理不同于霍爾傳感器，因而供電也不同，而是采用恒壓源供電。由于后續(xù)電路不同，對供電電源的穩(wěn)定性及內部噪聲要求也有所不同。3.2常用傳感器超聲波傳感器3.2.6超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此，超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。3.2常用傳感器1超聲波傳感器的種類超聲波傳感器習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。直探頭（縱波）斜探頭（橫波）斜探頭（橫波）蘭姆波探頭（蘭姆波）聚焦探頭沖水探頭水浸探頭高溫探頭空氣傳導探頭及其他專用探頭等3.2常用傳感器（1）接觸式直探頭縱波垂直入射到被檢介質，外殼用金屬制作，保護膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。（2）接觸式斜探頭為了使超聲波能傾斜入射到被測介質中，可使壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30°，45°等）的有機玻璃斜楔塊上，超聲波產生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產生多次反射，而傳播到較遠處去。（3）接觸法雙晶直探頭將兩個單晶探頭組合裝配在同一殼體內，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收的控制電路簡單。3.2常用傳感器（4）水浸探頭可用自來水作為耦合劑，選擇聲透鏡形狀，可決定聚焦形式為點聚焦或線聚焦。（5）聚焦探頭由于超聲波的波長很短（毫米數量級），所以它也類似光波，可以被聚焦成十分細的聲束，其直徑可小到1mm左右，可以分辨試件中細小的缺陷，這種探頭稱為聚焦探頭。聚焦探頭采用曲面晶片來發(fā)出聚焦的超聲波，可以采用兩種不同聲速的塑料來制作聲透鏡，也可以利用類似光學反射鏡的原理制作聲凹面鏡來聚焦超聲波。3.2常用傳感器2超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的主要材料有壓電晶體（電致伸縮）和鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。其中，電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭；利用正壓電效應將超聲振動波轉換成電信號，可用為接收探頭。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23～25kHz及40～45kHz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。3.2常用傳感器超聲波傳感器利用聲波介質對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波傳感器對透明或有色物體、金屬或非金屬物體、固體、液體、粉狀物質均能檢測，其檢測性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質中。在工業(yè)中，經常使用一種稱為耦合劑的液體物質，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機油、甘油、水玻璃、膠水、化學漿糊等。3.2常用傳感器3超聲波傳感器的主要性能指標工作頻率壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度壓電材料的居里點一般比較高，診斷用超聲波探頭使用功率較小，工作溫度較低，可長時間地工作而不失效。醫(yī)療用超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。3.2常用傳感器4超聲波傳感器的應用醫(yī)學：診斷疾病，它已經成為臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。工業(yè)：對金屬的無損探傷和超聲波測厚。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。超聲波傳感器可用于探測液位、探測透明物體和材料、控制張力及測量距離，主要是包裝、制瓶、物料搬運、塑料加工、汽車行業(yè)等。超聲波傳感器還可用于流程監(jiān)控，以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無及其他方面。3.3傳感器與微控制器接口標準接口總線是計算機和各種測量儀器之間進行信息交換而設立的連接設備，用以解決各種產品接口不統(tǒng)一的問題。為此，設計一種適合自動測試系統(tǒng)的通用接口標準，其最終目標是：世界各國都按同一標準來設計程控儀器的接口電路，可將任何廠家生產的任何型號的儀器用一條無源標準總線電纜連接起來，并通過一個與計算機相適應的接口與計算機相連接，組成一個符合用戶要求的自動測試系統(tǒng)。RS-232的修改次數標識號推薦標準3.3傳感器與微控制器接口

RS-232C標準串行接口3.3.1RS-232C（又稱EIA-RS-232C）是串行異步通信中應用最廣的串行總線標準，1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定。RS–232CRS-232C的前身是RS-232A和RS-232B，這前兩種接口標準現(xiàn)在已很少使用。RS-232C主要用于使用模擬信道傳輸數字信號的場合，推出這種標準的最初目的是為了在數據終端設備（DTE）與數據通信設備（DCE）之間建立接口標準。RS-232C標準接口使用標準的±12V電壓脈沖來實現(xiàn)信息傳輸。3.3傳感器與微控制器接口1RS-232C接口的性能1）機械特性RS-232C采用25腳D型連接器（含插頭/插座）作為DTE與DCE之間通信電纜的連接口，通常插頭在DCE端，插座在DTE端。但在實際進行異步通信時，在計算機與終端通信中一般只使用3～9條引線。因此也可以采用9腳D型連接器。一些設備與PC連接的RS-232C接口，只需3條接口線，即“發(fā)送數據”“接收數據”和“信號地”。傳輸線采用屏蔽雙絞線。2）電氣特性在RS-232C中，任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系，即邏輯“1”用負電平表示，有效電平范圍是-3～-15V；邏輯“0”用正電平表示，有效電平范圍是+3～+15V。其中，-3～+3V為過渡區(qū)，邏輯狀態(tài)不定，為無效電平。3.3傳感器與微控制器接口2RS-232C接口的引腳定義RS-232C串口的常用引腳定義3.3傳感器與微控制器接口2RS-232C接口的引腳定義設備之間的串行通信接線方法，取決于設備接口的定義。直通線即相同信號（RxD對RxD，TxD對TxD）相連，用于DTE（數據終端設備）與DCE（數據通信設備）相連，如計算機與Modem（或DTU）相連。交叉線即不同信號（RxD對TxD，TxD對RxD）相連，用于DTE與DTE相連，如計算機與計算機、計算機與采集器之間相連。同種設備相連采用交叉線連接，不同種設備相連采用直通線連接。在少數情況下，會出現(xiàn)兩臺具有DCE接口的設備需要串行通信的情況，此時也用交叉方式連接。當一臺設備本身是DTE，但它的串行接口按DCE接口定義時，應按DCE接線。3.3傳感器與微控制器接口一些DTE設備上的串行接口按DCE接口定義而采用DB9或DB25母接口的原因，主要是因為DTE接口一般都采用公頭，當人用手接觸時易接觸到引腳；采用母頭時因不易碰到引腳，可避免人體靜電對設備的影響。RS-232C接口若為公頭，則該接口按DTE接口定義；若為母頭，則該接口按DCE接口定義。3.3傳感器與微控制器接口對于某些設備上的非標準RS-232C接口，需要根據設備的說明書確定引腳的定義。如果已知TxD，RxD和GND三個引腳，但不清楚哪一個引腳是TxD，哪一個引腳是RxD，可以通過用萬用表測量它們與GND之間的電壓來判別，如果有一個電壓為-10V左右，則萬用表紅表筆所接的是DTE的TxD或DCE的RxD。3.3傳感器與微控制器接口

USB總線技術3.3.2USB（UniversalSerialBus）即通用串行總線，是為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種免費的標準化連接器，它支持各種PC與外設之間的連接，還可實現(xiàn)數字多媒體集成。連接簡單USB為所有的USB外設提供了單一的、易于操作的連接類型。結構簡單USB排除了如鼠標、調制解調器、鍵盤和打印機等設備不同接口的需求，采用四線電纜，減少了硬件設計的復雜性。整個的USB系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。支持熱插拔可以在不關電腦的情況下安全地插上和斷開USB設備。即插即用當插入USB設備的時候，計算機系統(tǒng)檢測該外設并且通過自動加載相關的驅動程序來對該設備進行配置，并使其正常工作。3.3傳感器與微控制器接口使用靈活USB設備可以通過USB電纜供電，也可以通過電池或者其他的電力設備來供電，并且支持節(jié)約能源的掛機和喚醒模式。速度快USB1.1提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率，USB2.0提供高達480Mbps的數據傳輸率，來適應各種不同類型的外設。容錯性強針對不能處理突然發(fā)生的非連續(xù)傳送的設備，如音頻和視頻設備，USB可以保證其固定帶寬。性價比高為了適應各種不同類型外圍設備的要求，USB提供了多種不同的數據傳送類型，使得多個外圍設備可以跟主機通信。目前USB接口有三種：USB1.1和USB2.0，以及近年來出現(xiàn)的USB3.0。USB3.0和USB2.0可以向下兼容USB1.1。3.3傳感器與微控制器接口1USB的硬件結構USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，兩根為下游設備提供電源，對于高速且需要高帶寬的外設，USB以全速12Mbps的傳輸速率傳輸數據；對于低速外設，USB則以1.5Mbps的傳輸速率來傳輸數據。USB總線會根據外設情況在兩種傳輸模式中自動地動態(tài)轉換。USB是基于令牌的總線，類似于令牌環(huán)網絡或FDDI基于令牌的總線。USB主控制器廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地址是否與自身相符，然后通過接收或發(fā)送數據給主機來響應。USB通過支持懸掛/恢復操作來管理USB總線電源。3.3傳感器與微控制器接口主機（Host）集線器（Hub）功能設備級聯(lián)星型拓撲主機也稱為根、根結或根Hub，它做在主板上或作為適配卡安裝在計算機上。主機包含有主控制器和根集線器（RootHub），控制著USB總線上的數據和控制信息的流動，每個USB系統(tǒng)只能有一個根集線器，它連接在主控制器上。集線器是USB結構中的特定成分，它提供端口，將設備連接到USB總線上，同時檢測連接在總線上的設備，并為這些設備提供電源管理，負責總線的故障檢測和恢復。3.3傳感器與微控制器接口集線器可為總線提供能源，亦可為自身提供能源（從外部得到電源）。自身提供能源的設備可插入為總線提供能源的集線器中，但為總線提供能源的設備不能插入自身提供能源的集線器或支持超過4個的下游端口中。USB總線拓撲結構3.3傳感器與微控制器接口2傳輸數據模式對于不同的外設，USB2.0可根據速度要求在電纜上采取3種模式傳輸數據。（1）高速模式傳輸速率為25～480Mbps，主要適用于大容量移動硬盤、光驅和視頻傳輸等具有高速特征的外設。（2）全速模式傳輸速率為500Kbps～10Mbps，主要適用于電話、寬帶設備、音頻設備等中速外部設備。（3）低速模式傳輸速率為10～100Kbps，主要用于人機接口設備，例如鼠標、鍵盤、游戲桿等對傳輸速度要求不高的外部設備。3.3傳感器與微控制器接口

SPI接口3.3.3SPI（SerialPeripheralInterface）即串行外設接口，它可以使MCU（即微控制單元或單片機）與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。提示SPI接口是摩托羅拉公司首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的，主要應用在EEPROM、閃存、實時時鐘、A/D轉換器，還有數字信號處理器和解碼器之間。SPI包括多個寄存器，如控制寄存器SPCR、狀態(tài)寄存器SPSR、數據寄存器SPDR等；外圍設備包括閃存、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。3.3傳感器與微控制器接口1SPI接口結構SPI總線系統(tǒng)可以直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數據傳輸過程由主機初始化。串行時鐘線，用來同步數據傳輸，由主機輸出。主機輸出從機輸入數據線。主機輸入從機輸出數據線。片選線，低電平有效，由主機輸出。3.3傳感器與微控制器接口在SPI總線上，某一時刻可以出現(xiàn)多個從機，但只能存在一個主機，主機通過片選線來確定要通信的從機。這就要求從機的MISO口具有三態(tài)特性，使得該口線在器件未被選通時表現(xiàn)為高阻抗。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸，在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數據傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達到幾Mbps。當SPI工作時，在移位寄存器中的數據逐位從輸出引腳（MOSI）輸出（高位在前），同時從輸入引腳（MISO）接收的數據逐位移到移位寄存器（高位在前）。發(fā)送一個字節(jié)后，從另一個外圍器件接收的字節(jié)數據進入移位寄存器。因此，完成一個字節(jié)數據傳輸的實質是兩個器件寄存器內容的交換。主SPI的時鐘信號（SCK）使傳輸同步。3.3傳感器與微控制器接口2SPI接口特點SPI一共有11位有用信號，每位信號差分成兩個信號用來提高傳輸抗干擾性，在物理連接上用標準25芯D型插頭座（DB25）傳輸，因此連線多且復雜，傳輸距離短，容易出現(xiàn)故障。同時，它也具有需要占用主機較多的口線（每個從機都需要一根片選線）、只支持單個主機等缺點。同時發(fā)出和接收串行數據可以當做主機或從機工作支持全雙工操作提供頻率可編程時鐘發(fā)送結束中斷標志寫沖突保護總線競爭保護數據傳輸速率較高3.3傳感器與微控制器接口

I2C接口3.3.41I2C接口概述I2C（Inter-IntegratedCircuit，集成電路總線）接口是飛利浦公司推出的一種串行總線方式，用于IC器件之間的通信，它通過SDA（串行數據線）和SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并通過軟件尋址識別每個器件，而不需要片選線。簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。支持多主控，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。3.3傳感器與微控制器接口每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其他器件間的數據傳送可以是由主機發(fā)送數據到其他器件，這時主機為發(fā)送器，總線上接收數據的器件則為接收器。在多主機系統(tǒng)中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線來傳送數據，