傳感器應(yīng)用實(shí)例13.1

基于光電原理測量的實(shí)例13.2基于單片機(jī)的硬幣特征參數(shù)檢測系統(tǒng)傳感器應(yīng)用實(shí)例

13.1

基于光電原理測量的實(shí)例13.1.1

紅外接近覺傳感器接近覺傳感器主要感知傳感器與對象物之間的接近程度，通常用于智能機(jī)器人和智能化機(jī)器裝備。它與精確的測距系統(tǒng)是不同的，但又有相似之處。接近覺是一種粗略的距離感覺，在大多數(shù)的使用場合中，只要求給出簡單的閾值判斷，即接近還是未接近。有時(shí)為了一些特殊用途，要求接近覺傳感器能夠

提供分擋的距離感覺，必要時(shí)還要求能估算具體的接近距離。對接近覺傳感器的要求是：結(jié)構(gòu)和電路簡單，成本低，具有較好

的可靠性。接近覺傳感器在日常生活中也有許多應(yīng)用的例子，如電子衛(wèi)兵(貓、狗)、自動感應(yīng)水龍頭和電熱吹風(fēng)機(jī)(烘干機(jī))等。接近覺傳感器在機(jī)器人中主要有兩個用途，即避障和防止撞擊。

前者如移動的機(jī)器人如何繞開障礙物，后者如機(jī)械手抓取物體時(shí)實(shí)現(xiàn)柔性接觸。接近覺應(yīng)用的場合不同，感覺的距離范圍也

是不同的，遠(yuǎn)可達(dá)幾米至十幾米，近到幾個毫米甚至1毫米以下。傳

感

器

應(yīng)

用

實(shí)

例接近覺傳感器根據(jù)不同的工作原理有多種實(shí)現(xiàn)方式，最常用的有光反射式接近覺傳感器、感應(yīng)式接近覺傳感器、超

聲波接近覺傳感器等幾種。在這里僅介紹一種紅外接近覺傳

感

器

。紅外接近覺傳感器利用目標(biāo)物體對入射紅外光的反射光強(qiáng)弱來檢測目標(biāo)的接近程度。紅外反射光強(qiáng)法接近覺的測量原理如圖13-1所示。紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外光信號，

紅外光敏管接收經(jīng)目標(biāo)物反射回來的紅外調(diào)制信號，環(huán)境紅

外光干擾的消除由信號解調(diào)和專用紅外濾光片保證。紅外光

敏管接收到的紅外光強(qiáng)度與目標(biāo)物的距離、目標(biāo)物的反射情況等因素有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)物的反射特性不變或變化不大時(shí)，則

反射光強(qiáng)僅與傳感器和目標(biāo)物的距離有關(guān)。紅外發(fā)射管西安

子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出旅社

西安電子科力西安電子科技紅外光敏管西安電子科技大學(xué)出版社X圖13-1紅外光強(qiáng)法接近覺測量原理傳感器應(yīng)用實(shí)例目標(biāo)物傳感器應(yīng)用實(shí)例未做聚光處理的普通紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外光，經(jīng)目標(biāo)

物體的漫反射，反射至紅外光敏接收管，得到的紅外光光強(qiáng)

與接近距離成確定的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)由紅外光敏接收管轉(zhuǎn)換電路輸出的信號Uou代表反射

光強(qiáng)，則Uou是探頭至目標(biāo)物體之間的距離x的函數(shù)，即Uout=f(x,p)

(13-1)式中，p表示工件的反射系數(shù)。當(dāng)目標(biāo)物體為反射系數(shù)p值一致的同類目標(biāo)時(shí)，

x和Uout一一對應(yīng)。典型的響應(yīng)曲線為非線性曲線，如圖13-2所示。

可以通過預(yù)先對各種目標(biāo)物的接近覺距離與紅外接近檢測電

路的輸出電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，形成兩者之間的標(biāo)定數(shù)據(jù)。實(shí)

際使用時(shí)，可以根據(jù)測量系統(tǒng)的輸出電壓，通過插值推算出

接近距離x。傳感器應(yīng)用實(shí)例西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社2.51015西安電子西安電子圖13-2接近覺響應(yīng)曲線傳

感

器

應(yīng)

用

實(shí)

例05西安電子x/mm反射系數(shù)p與目標(biāo)物的表面顏色、粗糙度等因素有關(guān)，當(dāng)目標(biāo)物顏色較深、接近黑色或透明時(shí)，反射光很弱。若以輸

出信號達(dá)到某一閾值作為“接近”時(shí)，則對不同目標(biāo)物，“接近”的距離是不同的。紅外光強(qiáng)法接近覺對大多數(shù)目標(biāo)物是能找到“接近”感覺的，所以這一并不精確的簡單測距

系統(tǒng)用做機(jī)器人的接近覺或用于智能化機(jī)械的接近控制是能

夠勝任的。

本應(yīng)用實(shí)例是一個安裝在機(jī)器人手爪上的指

間接近覺傳感器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用φ2mm

的紅外發(fā)光管GL-2

和紅

外光敏接收管3DU21組成發(fā)射、接收對管，用φ2.5mm

的金

屬套筒封裝，制成的接近覺探頭尺寸為φ2.5×8mm,接近

距離約為8～15mm

。傳感器應(yīng)用實(shí)例為了提高紅外接近覺傳感器的抗干擾能力，接近覺傳感器采用了紅外發(fā)射光調(diào)制和接收光信號解調(diào)的方法，調(diào)制信號設(shè)定為占空比為50%、頻率為1kHz

的方波，由時(shí)基集成電

路NE555組成的電路產(chǎn)生方波信號。紅外發(fā)射電路的功率設(shè)計(jì)成可調(diào)的形式，便于適應(yīng)不同功率的紅外發(fā)射探頭。調(diào)節(jié)“接近”距離的方法有兩種，一是改變紅外光敏接收管電路

輸出的“接近”閾值，二是調(diào)節(jié)紅外光的發(fā)射功率。接收到的紅外光信號由轉(zhuǎn)換電路輸出對應(yīng)的電壓信號，再由調(diào)制信

號控制模擬開關(guān)CD4066實(shí)現(xiàn)接收信號的解調(diào)，濾去其它干擾信

號

。傳

感

器

應(yīng)

用

實(shí)

例傳感器應(yīng)用實(shí)例圖13-3所示為發(fā)射功率可調(diào)的紅外調(diào)制光發(fā)射電路。圖中

，NE555和R?、R?、C?、C?構(gòu)成振蕩電路，當(dāng)R?=235Ω,R?=2.7kΩ,C?=0.33μF,C?=0.047μF時(shí)，NE555的3端輸出1kHz

左右的方波信號，其中，可由R?

完成占空比的調(diào)節(jié)。輸出信號經(jīng)7406反向器后控制V?,

并作為同步解調(diào)信號1至解

調(diào)電路；另一路再經(jīng)反向控制V?,

并作為同步解調(diào)信號2至解

調(diào)電路。同步解調(diào)信號1和同步解調(diào)信號2互為反相，當(dāng)同步

解調(diào)信號1為高電平時(shí)，紅外發(fā)光管發(fā)光。所以，V?

、V?

是輪

流導(dǎo)通，使接于V?

回路的紅外發(fā)光二極管VD?

按調(diào)制信號的

頻率斷續(xù)發(fā)光。發(fā)光的電流由V

3控制，V?的控制端接可調(diào)

電阻R?,R?

、R?

、VD?構(gòu)成穩(wěn)壓電路，調(diào)節(jié)R?使運(yùn)放A?的正向

輸入端電位發(fā)生變化，進(jìn)而可使R?的電位變化，當(dāng)其電壓調(diào)

高時(shí)，R?

的電壓上升，流經(jīng)紅外發(fā)光管VD?

的發(fā)射電流增大，

從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)射功率的目的。傳感器應(yīng)用實(shí)例+5V+12VR?74063紅外調(diào)制光R?圖13-3發(fā)射功率可調(diào)的紅外調(diào)制光發(fā)射電路5C

C?R?2VD,R?V?+12VR?R?VD?同步解調(diào)信號2同步解調(diào)信號1NE555RiR?接近覺的接收電路如圖13-4所示。紅外反射光經(jīng)光敏管VD?接入由A?

組成的初級放大電路負(fù)向輸入端，當(dāng)有紅外光入

射時(shí)，反饋電阻R?上的電流改變，

A?

的輸出電壓U?

隨之改變。

由A?

組成的電路是一個反向放大器，放大倍數(shù)為-1。圖中，R??=R??=10kΩ

。U?輸出分兩路，一路至A?

反向器的輸入端，

由A?

輸出U?=-U?,另一路接雙向模擬開關(guān)CD4066B

。

該雙

向模擬開關(guān)由同步解調(diào)信號2控制，當(dāng)該信號為高電平時(shí)，CD4066B

導(dǎo)通，而此時(shí)恰好是紅外發(fā)光管不發(fā)光的半周期，所以，此處接入的是紅外發(fā)光管不發(fā)光時(shí)光敏管接收到的信號。當(dāng)同步解調(diào)信號2為低電平時(shí)，

CD4066B

截止，等同于該

線路斷開，此時(shí)恰好是紅外發(fā)光管發(fā)光的半周期。由R?4

、R?5、

R?6

、R?7

、A?組成的反向加法電路放大的是U?

、U?兩路信號的

疊加，這兩路信號分別由CD4066A

和CD4066B控制。假設(shè)調(diào)

制信號的前半周期是同步解調(diào)信號1為高電平，同步解調(diào)信號

2為低電平，此時(shí)U?輸出與R?5接

通

，U?

輸出與R?斷開。傳感器應(yīng)用實(shí)例傳感器應(yīng)用實(shí)例與之對應(yīng)，后半周期同步解調(diào)信號1為低電平，同步解調(diào)信號2為高電平，

U?輸出與R?斷開，U?

輸出與R??

接通。假定干擾

信號是一種穩(wěn)定的直流信號，這在通常情況下都是如此，比

如固定的日光或燈光照射所引發(fā)的紅外干擾。所以，U?

輸出

中既包含了接近覺的方波響應(yīng)(方波的高度對應(yīng)接近距離),也

包含了干擾紅外光所對應(yīng)的干擾電壓。從電路知，U?

是U?的

反向，所以由R?

、R?5

組成的加法輸入端在調(diào)制信號前半周期

時(shí)

，CD4066A導(dǎo)通，CD4066B截

止

，A?

輸入端只有U?信號，

即輸出信號Uou

是接近覺響應(yīng)信號和干擾信號的疊加；同樣，

后半周期A?輸入端只有U?信號，即輸出信號Uout是反向的干擾

信號。所以，干擾信號在前后半周期相互抵消，接近覺信號

則完全被保留了下來，該信號經(jīng)低通濾波后，可以得到與接

近距離對應(yīng)的電壓響應(yīng)信號Uout。圖13-4紅外光接收與信號解調(diào)電路傳感器應(yīng)用實(shí)例傳感器應(yīng)用實(shí)例圖13-5是信號調(diào)制、解調(diào)過程的波形圖。圖(a)是發(fā)射電路輸出的調(diào)制信號(同步解調(diào)信號1),前半周期是高電平，對應(yīng)紅

外發(fā)光管的發(fā)射，后半周期是低電平，此時(shí)紅外發(fā)光管不發(fā)光。

圖(b)是接近覺探頭離目標(biāo)物的距離變化曲線。圖(c)是接近覺響

應(yīng)信號Us,

只有在紅外發(fā)光管發(fā)光時(shí)才有輸出響應(yīng)，其頻率與

調(diào)制信號頻率相同，幅值與接近距離的變化曲線一致，圖中的

虛線是接近距離變化的曲線。圖(d)是接近覺信號與干擾信號的

疊加。通常，在紅外接近覺傳感器中，最常見的干擾源是日光

和燈光，日光或照明光線中的紅外光是穩(wěn)定的，不會隨著調(diào)制

信號的頻率而改變，所以可以假定干擾為一個恒定輸出，亦即

該干擾信號將接近覺響應(yīng)信號同步抬高了一個電平值Uc。傳感器應(yīng)用實(shí)例圖(e)是解調(diào)后的輸出，如前所述，由于A?

放大器的反向作用和調(diào)制信號對CD4066

模擬開關(guān)的控制，

A?

輸出信號Uout在

前

半周期是接近覺響應(yīng)信號與干擾信號的疊加，在后半周期中

只有(反向的)干擾信號，經(jīng)A?

放大后，干擾信號為幅值相同、

方向相反的兩個信號，其平均值為零。圖(f)是解調(diào)后的接近

覺信號經(jīng)低通濾波后的輸出，相當(dāng)于對信號取平均值，該平

均值再現(xiàn)了接近距離的變化，由于信號的調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于接

近距離的變化頻率，所以濾波后的高頻干擾并不明顯。傳感器應(yīng)月

電壓U1(a)

調(diào)制信號(b)

接近距離x(c)

接近覺響應(yīng)U?(d)

接近覺信號U?疊加干擾信號U。(e)

于擾信號的抵消(f)

濾波后的信號Uou圖13-5接近覺信號調(diào)制解調(diào)過程的波形圖后續(xù)的低通濾波電路使輸出變?yōu)閁out=Us+Uc-U=Us

(13-2)從而得到與接近距離變化一致的輸出曲線。接近覺傳感器在實(shí)際使用前，針對特定的目標(biāo)對象物體，

需要進(jìn)行接近覺的標(biāo)定，在實(shí)驗(yàn)測得接近距離與輸出電壓之間

對應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，繪成表格或曲線，確定接近閾值點(diǎn)。實(shí)際

使用時(shí)，通過接近覺的輸出電壓與閾值點(diǎn)的比較，輸出接近覺

信息，或查表得到對應(yīng)的接近距離。傳感器應(yīng)用實(shí)例設(shè)接近覺響應(yīng)信號為Us,干擾信號為Uc,解調(diào)后的信號為前半周期：后半周期：U?=Us+UcU?=-Uc傳感器應(yīng)用實(shí)例13.1.2熱釋電紅外傳感器1.熱釋電紅外傳感器的基礎(chǔ)知識自然界的任何物體，只要其溫度高于絕對零度(-273℃),

就總要不斷地向外發(fā)出紅外輻射。物體向外輻射的能量與物

體的溫度有關(guān)。在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的能量W

為W=εσ·T?

(13-3)式中：σ為波耳茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K);T為物體的熱力學(xué)溫度，單位為K;ε

為輻射比例，

一般物體的ε=0～1,

ε=1的物體是黑體。傳感器應(yīng)用實(shí)例由式(13-3)可知，紅外輻射的能量與物體的溫度成高次方關(guān)系，對溫度極為敏感。假定物體紅外輻射的峰值波長為

λm,溫度為

T,由

維

恩

位移定律知λmT=2897.8

μm·K±0.4

μm·K

(13-4)兩者的乘積是恒定的，所以物體的溫度越高，它所輻射

的紅外光峰值波長就越小，由式(13-3)可知其紅外輻射的能量

也越大。某些被稱為“鐵電體”的電介質(zhì)材料，如鈦酸鉛、硫酸

三甘鈦、鉭酸鋰等，極化后有殘余極化現(xiàn)象，當(dāng)物體受到紅

外輻射時(shí)，其溫度升高，極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，相當(dāng)于釋放了一部分電荷，這種現(xiàn)象稱為紅外輻射的熱釋電效應(yīng)。傳感器應(yīng)用實(shí)例溫度高于絕對零度的物體，所發(fā)出的紅外輻射光，照射到鐵電體敏感材料上，引起敏感材料溫度的變化。熱釋電輸出信號的大小取決于鐵電體材料溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射光的強(qiáng)弱。當(dāng)恒定的紅外輻射照在由鐵電體

制作的熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器是沒有信號輸出的，只有當(dāng)鐵電體溫度處于變化中時(shí)，才有信號輸出，所以必須對紅

外輻射進(jìn)行調(diào)制，使其呈脈沖式入射或交變?nèi)肷洌粩嗟匾?/p>

起傳感器中鐵電體溫度的變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸

出交變的信號。傳感器應(yīng)用實(shí)例2.熱釋電紅外測溫儀紅外測溫儀通過探測目標(biāo)物的紅外輻射并測定其輻射強(qiáng)

度，來確定目標(biāo)物的溫度。圖13-6是目前常用的紅外測溫儀的組成框圖。它由光學(xué)

系統(tǒng)、光信號調(diào)制器、前置放大電路、信號處理電路、指示

器等組成。它的光學(xué)系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，物鏡

為鍺透鏡。安裝時(shí)應(yīng)保證其熱釋電材料的光敏面落在透鏡焦

點(diǎn)上。為了測試指定位置目標(biāo)物的溫度，常用可見光光斑來

指示光學(xué)系統(tǒng)集光的區(qū)域。光信號調(diào)制器是一個旋轉(zhuǎn)的調(diào)制

盤，由微型步進(jìn)電機(jī)帶動調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)。目標(biāo)物輻射的紅外光

通過光學(xué)系統(tǒng)到調(diào)制盤后，調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)使入射的穩(wěn)定紅外

光轉(zhuǎn)化為到光敏面上的強(qiáng)弱變化的調(diào)制光，熱釋電傳感器將

交變的紅外光變換為交流信號輸出，交流信號的幅值與入射

紅外光的強(qiáng)度成正比。光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制盤解調(diào)電路加法器比輻射率調(diào)節(jié)線性化電路西安電子科技大學(xué)出版社

西安電子圖13-6紅外測溫儀組成框圖傳感器應(yīng)用實(shí)例西安電子信號處理電路前置放大A/D轉(zhuǎn)換步進(jìn)電機(jī)目

標(biāo)

物傳感器應(yīng)用實(shí)例前置放大器有兩個作用：一是進(jìn)行阻抗變換；二是將微弱的熱釋電信號放大。解調(diào)電路包括選頻放大和同步檢波。選頻放大的目的是

只放大調(diào)制盤調(diào)制的頻率信號，這樣可抑制其它頻率的噪聲。

同步檢波電路相對復(fù)雜，由倒相器、全波同步檢波器、采樣

保持電路、濾波器電路等組成。其作用是將交流輸入信號轉(zhuǎn)

換成峰值的直流輸出信號。加法器的作用是將環(huán)境溫度(變化)信號與測量信號相加，

達(dá)到對環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，因?yàn)榻?jīng)過調(diào)制的交變輻射是目

標(biāo)與調(diào)制盤環(huán)境溫度的差值。傳感器應(yīng)用實(shí)例比輻射率(ε)調(diào)節(jié)電路實(shí)質(zhì)上是一個放大電路，測溫儀出廠前都是用黑體(ε=1)標(biāo)定的，當(dāng)被測目標(biāo)不是黑體(ε<1)時(shí)，

測量信號相對減小了。該電路的作用是把測量信號相對減少

的部分又恢復(fù)起來。由熱釋電紅外測溫的原理知，物體的紅外輻射與溫度是四次方關(guān)系。為了得到輸入輸出的線性關(guān)系，這里的線性化電路為一開方電路，通過對數(shù)變換、乘法、取反對數(shù)達(dá)到開方的目的，其中乘法系數(shù)就是開方的方次。信號經(jīng)線性化后

的測量信號與溫度呈線性關(guān)系。線性輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送指示器顯示出測量的溫度值。傳感器應(yīng)用實(shí)例3.熱釋電人體探測傳感器目前廣泛應(yīng)用的自動開關(guān)門傳感電路就是應(yīng)用熱釋電人

體探測傳感器的原理制作的。用高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在其兩面鍍上金屬電極，然后加電進(jìn)行極化，這

樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，

因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的?！銏D13-7是二個雙探測元的熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目

的在于消除因環(huán)境溫度和自身變化引起的干擾。它利用兩個極

性相反、大小相等的干擾信號可在內(nèi)部相互抵消的原理，使傳

感器起到補(bǔ)償作用。對于輻射至傳感器的紅外輻射光，熱釋電

傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩

個探測元上，因此傳感器會輸出探測信號電壓。用來制造熱釋

電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范

圍為2～20

μm,覆蓋了人體輻射的紅外波長。由維恩位移定律

知，人體體溫恒定，所以輻射的紅外光峰值波長也基本確定，這為區(qū)分人和其它的移動物體創(chuàng)造了條件。為了對某一波長范

圍的紅外輻射有較高的敏感度，在傳感器的窗口上加裝干涉濾

光片。這種濾光片除了允許某波長范圍的紅外輻射通過外，還

能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。傳感器應(yīng)用實(shí)例雙探測元西安電子科技大學(xué)出版社紅外輻射西安電子科技大

濾

光

片圖13-

7雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖場效應(yīng)管出版社傳感器應(yīng)用實(shí)例西安電子傳感器應(yīng)用實(shí)例菲涅爾透鏡是人體熱釋電紅外傳感器不可缺少的組成部分，其作用一是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外敏感

元上，二是產(chǎn)生交替變化的紅外輻射光，以適應(yīng)熱釋電敏感

元的敏感要求。菲涅爾透鏡一般用塑料制造，先將塑料加工

成薄鏡片，然后對鏡片進(jìn)行棱狀或梳狀處理，使鏡片成為高

靈敏區(qū)和盲區(qū)交替出現(xiàn)的透鏡。在使用時(shí)，將熱釋電傳感器

安裝于透鏡的焦點(diǎn)區(qū)，這樣當(dāng)有人在鏡前移動時(shí)，其輻射的

紅外線就會通過透鏡形成高靈敏區(qū)和盲區(qū)交替出現(xiàn)的紅外輻

射，并傳到傳感器的敏感元上，使敏感元產(chǎn)生交變的電脈沖

信號，并通過阻抗變換器的變換完成輸出。圖13-8是一種菲涅爾透鏡的外形和監(jiān)視范圍。西安電子科技大學(xué)出版社39.9西安電子

科技大學(xué)

光38.08°口

32.32°安電子科(b)

(c)圖13-8菲涅爾透鏡外形及監(jiān)視范圍(a)外

形

；(b)

垂

直

監(jiān)

視

范

圍

；(c)

水

平

監(jiān)

視

范

圍傳

感

器

大學(xué)出版社菲涅爾透鏡呂

呂

號

號

號38.08°39.9°呂

0° 32.32°(a)傳感器應(yīng)用實(shí)例側(cè)視圖和俯視圖反映了透鏡的監(jiān)視范圍，當(dāng)有人在這一范圍移動時(shí)，菲涅爾透鏡就會將透鏡形成的強(qiáng)弱不斷變化的

紅外輻射光作用于傳感器。由于人的移動速度不可能相同，

因此形成具有一定頻率的紅外輻射交變電脈沖，頻率一般在

0.1～10

Hz范圍內(nèi)。熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱，通常僅有1mV

左右，而且信號電壓呈脈沖形式。要使它能夠驅(qū)動

負(fù)載，必須采用一個增益足夠高的放大器將其放大。

一般要

求放大器的增益為60～70

dB,放大器的帶寬為0.3～7Hz。放大器的帶寬對它的可靠性和靈敏度有很大影響。帶寬窄，則噪聲低，誤動作率低；帶寬寬，則噪聲大，誤動率高，但

對人體移動速度的變化響應(yīng)好。所以，放大器的實(shí)際帶寬并

非按照人體移動產(chǎn)生的信號頻率0.1～10Hz確定，而是在兩

頭都做適當(dāng)縮減，主要是為了降低誤判率。傳感器應(yīng)用實(shí)例可以用由常規(guī)分立器件組成的放大電路對熱釋電信號進(jìn)

行放大，但因?yàn)樾盘栁⑷?，且傳感器的輸出阻抗很高，分離

器件組成的電路較難取得理想的輸出，所以熱釋電傳感器一

般采用通用或?qū)Ｓ玫募煞糯箅娐?。這里介紹兩種控制電路

SS0001和HT7600。SS0001是一種通用型傳感器控制電路，它不僅能和熱釋

電紅外傳感器的輸出良好地匹配，而且也能和其它多種傳感

器進(jìn)行匹配。它的內(nèi)部是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、與門

電路、狀態(tài)控制器、定時(shí)控制器、鎖定時(shí)間控制器和禁止電

路等組成的，如圖13-9所示。傳感器應(yīng)用實(shí)例IN?+—IN?-0—OUT?o—圖13-9

SSO001通用型傳感器控制電路(a)

電路圖；(b)

引腳圖F?&A?UH=0.7UDDUM=0.5UDDUL=0.3UDoU?=0.2UDoU

IN?-0—OUT?o—UeoUROUT?IN?一IN?+OUT?Uoohu.AU.R.C.RCUssRST延時(shí)

定時(shí)器鎖

存

定時(shí)器A?As狀態(tài)控制器內(nèi)置電源RST

o—SS0001&UH該電路各引腳的具體功能如下：(1)腳A

為觸發(fā)方式控制端，當(dāng)A=1

時(shí)，電路可重復(fù)觸

發(fā)；當(dāng)A=0時(shí)，電路不可重復(fù)觸發(fā)。(2)腳U。為控制信號輸出端，當(dāng)有傳感信號輸入時(shí)，U?輸出高電平。(3)腳R、和腳Cx為輸出定時(shí)控制器T的外接元件端，定

時(shí)時(shí)間為T=50×103R、Cx(4)腳R和腳C為鎖定時(shí)間控制器T;的外接元件端，鎖定

時(shí)間T=24RC;(5)腳RST

為參考電壓及復(fù)位端，使用時(shí)一般接UDD。傳感器應(yīng)用實(shí)例(6)腳Uc為觸發(fā)禁止端。當(dāng)Uc<UR

時(shí)，禁止觸發(fā)；當(dāng)Uc>UR

時(shí)，允許觸發(fā)。其中UR由內(nèi)部電源提供，

UR=0.2UDD。(7)腳g為偏置電流設(shè)置端，由外接電阻RB

接Uss端

，RB一

般取1MQ

。(8)OUT?和IN?-分別為第二級運(yùn)放的輸出端和反相輸入端

。IN?+和IN?-

分別為第一運(yùn)放的同相和反相輸入端。

OUT?為第一級運(yùn)放的輸出端。UDD

、Uss分別為電源的正、負(fù)端。傳感器應(yīng)用實(shí)例傳感器應(yīng)用實(shí)例圖13-10是一個典型的應(yīng)用電路。在SS0001的內(nèi)電路中，運(yùn)放A?是一個獨(dú)立的放大器，由它放大后輸出的信號電壓通

過外接耦合元件輸入A?,

進(jìn)行第二級放大。運(yùn)放A?與A?

組成

雙限窗孔比較器，窗孔比較器的基準(zhǔn)電壓由內(nèi)部設(shè)定；上限

基準(zhǔn)電壓UH設(shè)定為0.7UDD,下限基準(zhǔn)電壓U

設(shè)定為0.3UDD

。當(dāng)使用5V電源時(shí)，

UH-UL=5×0.7-5×0.3=2V,因此該比較器可以有效地抑制±1

V的干擾電壓。

A?

也是一個比較器，

主要用來組成光控電路和開機(jī)延時(shí)電路等，它的基準(zhǔn)電壓UR

由內(nèi)部設(shè)定為0.2UDD,

加在A?的反相輸入端。當(dāng)A?的輸入端

電壓Uc高于UR時(shí)，A?輸出高電平，與門F?

被打開，使與門F?輸出的檢測脈沖送入狀態(tài)控制器。通過狀態(tài)控制器將定時(shí)

控制器觸發(fā)，定時(shí)開始，定時(shí)時(shí)間T、=50×103R、Cx。傳感器應(yīng)用實(shí)例定時(shí)控制器實(shí)際上是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可選擇兩種工作方式。第一種工作方式為可重復(fù)觸發(fā)方式，需將A端置于高電

平，這時(shí)，當(dāng)定時(shí)控制器開始工作后又有新的觸發(fā)信號輸入

時(shí)，該定時(shí)器便重新開始計(jì)算定時(shí)時(shí)間，并繼續(xù)延時(shí)一個定

時(shí)時(shí)間T

。

如果不斷有新的觸發(fā)信號輸入，定時(shí)器便一次次

地進(jìn)行延時(shí)，直到最后一個T為止。在定時(shí)延續(xù)的時(shí)間內(nèi)，SSO001的輸出端U?腳一直輸出控制信號(高電平)?？芍貜?fù)觸

發(fā)工作方式特別適合于照明控制、電風(fēng)扇的控制等連續(xù)工作

的控制。當(dāng)

A端為低電平時(shí)，電路為不可重復(fù)觸發(fā)的工

作方式。在這種工作方式下，在T的定時(shí)時(shí)間內(nèi)，若有新的觸發(fā)信號輸入，定時(shí)器則不作響應(yīng)，

一直到該定時(shí)時(shí)間結(jié)束。

這種工作方式適用于報(bào)警或一次性工作的場合。傳

感

安

電

宇

.圖13-10

SS0001通用型熱釋電傳感器典型應(yīng)用電路傳感器應(yīng)用實(shí)例SS0001

還有一個鎖定控制器，當(dāng)定時(shí)控制器定時(shí)時(shí)間結(jié)束時(shí)，其輸出的下降沿將鎖定觸發(fā)器觸發(fā)，使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，

其暫穩(wěn)時(shí)間T=24CR;

。

在T時(shí)間內(nèi)SSO001對任何信號都不作

響應(yīng)。鎖定控制器的作用是消除在切換負(fù)載過程中產(chǎn)生的各

種干擾，提高電路的工作可靠性。傳感器應(yīng)用實(shí)例HT7600

系列熱釋電紅外控制集成電路是一種專用的熱釋電紅外控制電路，該系列產(chǎn)品有HT7603

、HT7605

、HT7606

、

HT7610

、HT7620

、HT7630

等。該系列電路的特點(diǎn)是功耗較

低，性能較高，具有自動光控功能，白天自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

另外，還具有開機(jī)延時(shí)功能(開機(jī)后自動延時(shí)3～5s,便于操

作人員退出控制區(qū))、觸發(fā)延時(shí)功能(確認(rèn)0.5s

后報(bào)警，以減少

誤報(bào))、增益調(diào)節(jié)功能、電源快速恢復(fù)功能、測試復(fù)位功能等。

它不僅功能豐富，而且外接元件也較少，僅十余只(不包括電

源),因此組裝方便，故障率低。在驅(qū)動、輸出方面，能分別

驅(qū)動繼電器、雙向可控硅和發(fā)光二極管等，可以根據(jù)不同的

需要進(jìn)行選型。輸出接口既可單獨(dú)使用，又可同時(shí)工作，互

不干擾，這大大方便了使用者。不論是繼電器還是雙向可控

硅輸出，都可根據(jù)需要選擇驅(qū)動時(shí)間。專用電路的接法非常簡單，圖13-11是HT7603A熱釋電紅外集成電路控制繼電器輸出的連接方法。傳感器應(yīng)用實(shí)例+12V2kLEDK1

kΩ10kΩ空□控制振蕩大

控制振蕩入系統(tǒng)振蕩出系統(tǒng)振蕩入光控LED繼電器控制Uss圖13-11HT7603A

熱釋電紅外集成電路控制繼電器輸出的連接方法LPF入LPFm2

輸

入1輸入正1

輸

入偏置參

考復(fù)位測試端Uce1

MΩ1.5MQ4148

1kΩ+12V

平

VD5V100kΩHT7603A調(diào)

壓G

500kΩ100pF0.2μF:SD傳感器S2kΩ傳感=220k20.47μF4.7μF47μF傳感器應(yīng)用實(shí)例13.2

基于單片機(jī)的硬幣特征參數(shù)檢測系統(tǒng)基于單片機(jī)的硬幣特征參數(shù)檢測系統(tǒng)是一個綜合了傳感器、電子線路、單片機(jī)等方面知識的典型應(yīng)用實(shí)例。13.2.1投幣機(jī)的工作原理硬幣自動檢測系統(tǒng)已經(jīng)在許多場合得到應(yīng)用，例如，投幣

電話、自動售貨機(jī)、無人售票機(jī)、無人值守的游戲機(jī)，等等。

這種系統(tǒng)一般要求快速準(zhǔn)確地測出硬幣幣值，能正確區(qū)分真?zhèn)?/p>

硬幣，并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定完成相應(yīng)的工作任務(wù)。下面介紹一種

由電感傳感器檢測硬幣特征參數(shù)，用單片機(jī)做控制單元進(jìn)行硬

幣檢測、數(shù)據(jù)顯示和輸出控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)曾被應(yīng)用于一套

基于投幣機(jī)的場景自動控制系統(tǒng)，當(dāng)所投硬幣滿足一定幣值(累加值)時(shí)，完成場景自動控制系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)，任務(wù)完成后，

系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。該系統(tǒng)的組成框圖如圖13-12所示。西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社2.5-西安電開

技

大學(xué)出1015西安電子西安電子西安電子圖13-12投幣檢測和單片機(jī)控制電路系統(tǒng)組成框圖傳感器應(yīng)用實(shí)例0

5x/mm傳感器應(yīng)用實(shí)例投幣機(jī)是硬幣投入和收集的裝置，同時(shí)完成對所投硬幣的自動檢測，包括硬幣真?zhèn)蔚呐袆e和硬幣幣值大小的判斷。圖13-13是投幣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。它有一個入幣口和兩個出幣口，

入幣口通道中設(shè)置了一路對射的光電開關(guān)，以檢測是否有硬幣

投入，在硬幣行進(jìn)的過程中，對射的光路被切斷，可以判斷是

否有硬幣投入。兩個出幣口分別為真幣和假幣出口，真幣被收

集，假幣(或不能識別的硬幣)出口設(shè)置在外側(cè)，做退幣處理。

入口到兩個出口的

“Y”形分叉處偏下的地方，設(shè)置兩個電磁

擋鐵，在不通電時(shí)，帶彈簧自回復(fù)電磁鐵的頂端分別抵住兩個

出口通道，當(dāng)硬幣到達(dá)

“Y”

形分叉處時(shí)，硬幣被定位?！癥”

形分叉處的兩側(cè)擋板上布置了兩個串接的線圈，用于檢測電感的變化。當(dāng)有硬幣在分叉處停留時(shí)，硬幣的材質(zhì)、大

小、厚度等因素將影響線圈的輸出電感。本裝置適用的被測

硬幣是壹圓和伍角，它們對應(yīng)的電感基本恒定。如果是假幣，

電感的離散度會比較大，所以，壹圓、伍角和假幣能容易地

被識別出來。如果是真幣，對應(yīng)真幣的出幣口電磁鐵通電，真幣通道開啟，硬幣導(dǎo)入真幣出口；反之則導(dǎo)入假幣出口。傳感器應(yīng)用實(shí)例投幣口光電開關(guān)對管硬幣電磁鐵真幣出口檢測線圈假幣出口圖13-13

投幣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖傳感器應(yīng)用實(shí)例傳感器應(yīng)用實(shí)例圖13-13中，光電開關(guān)的作用是當(dāng)硬幣投入投幣口后，滑入通道導(dǎo)致光線遮擋，輸出低電平，在單片機(jī)中斷口觸發(fā)中斷，

通知單片機(jī)對投入的硬幣進(jìn)行特征檢測。光電開關(guān)的檢測電路

如圖13-14所示。發(fā)光二極管的發(fā)光電流I=15～20mA,無

硬幣投入時(shí)，光線直接照射光敏管，光敏管兩端電壓為低電平，

反向器40106輸出高電平，硬幣投入導(dǎo)致光線遮擋，40106輸出

一個低電平脈沖，引發(fā)中斷。傳感器應(yīng)用實(shí)

西安電子科技大學(xué)出版杰10kΩ

40106投幣中斷I至單片機(jī)發(fā)光管

光敏管科技大學(xué)出版衣光敏管圖13-14光電開關(guān)檢測電路發(fā)光管西安電子硬幣250Ω傳感器應(yīng)用實(shí)例檢測線圈檢測硬幣特性參數(shù)的原理如圖13-15示，兩個線圈同向繞線50～100匝，串接在一起，分別置于投幣機(jī)擋板的兩側(cè)。待檢測的硬幣進(jìn)入

“Y”形分叉處時(shí)，將被定位于兩個線圈的中間，因?yàn)橛矌磐ǖ辣辉O(shè)計(jì)成恰好讓硬幣通過的

厚度和寬度，使硬幣在線圈之間的位置相對固定，所以同一

幣值硬幣對應(yīng)的特征參數(shù)

電感也相對固定。:西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社電子科大學(xué)出版社L

電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社線

圈硬

幣圖13-15線圈檢測硬幣特征參數(shù)示意圖傳

感

器

應(yīng)

用傳感器應(yīng)用實(shí)例13.2.2硬幣特征檢測傳感電路圖13-16是硬幣特征參數(shù)檢測傳感器轉(zhuǎn)換電路。其初級電路實(shí)際上是一個電容反饋式LC

振蕩電路。V?構(gòu)成基本的

放大電路，

L、C?與放大電路構(gòu)成LC

振動器，即C?

兩端的電

壓由反饋電容C?形成正反饋，導(dǎo)致自激振蕩，上電后就產(chǎn)生

振蕩信號，振蕩信號的頻率為(13-5)西安電子圖13-16硬幣特征參數(shù)檢測傳感器轉(zhuǎn)換電路2kQ90181kΩ

÷3300μF10kΩ1kΩ401061kΩ9018V?90185.1kΩ10kΩ0.15μF:40106特征脈沖T

至單片機(jī)傳感器應(yīng)用實(shí)例90180.15μF2kΩC?3300

μFC.0.15μF+5V1kΩ傳感器應(yīng)用實(shí)例V?

產(chǎn)生的振蕩信號由V?

完成阻抗變換。

V?

、V?完成振蕩信號的放大，最后由40106反向器完成整形，產(chǎn)生方脈沖信

號輸出，脈沖信號的頻率為振蕩信號的頻率。由于L就是檢

測硬幣特征的電感值，因此硬幣的特征參數(shù)通過脈沖信號的

頻率反映出來。在這里，傳感器轉(zhuǎn)換電路的輸出信號是頻率，

可以直接接入單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器端口，省卻了A/D

轉(zhuǎn)換電

路，電路更加簡單。為了使傳感器輸出的方脈沖能夠被單片

機(jī)計(jì)數(shù)器捕捉，對輸出脈沖的頻率和寬度有一定的要求，頻

率不能太高，脈沖寬度也不宜過窄，具體可根據(jù)所采用的單

片機(jī)的性能指標(biāo)及時(shí)鐘頻率等因素確定。傳感器應(yīng)用實(shí)例40106反向器完成正弦信號到方波信號的整形輸出，其波形整形的過程如圖13-17所示。圖中，

U;為振蕩器輸出，是一

個正弦波，

U?是整形后的方波輸出。Ur+

和U--分別是具有回

環(huán)特性反向器的高電平觸發(fā)信號和低電平觸發(fā)信號。1圖13-17

正弦波的整形過程傳感器應(yīng)用實(shí)例傳感器應(yīng)用實(shí)例單片機(jī)控制電路相對簡單，該系統(tǒng)主要完成以下幾方面的功能：(1)連接來自傳感器的接口，包括以方脈沖表示的硬幣

特征值(頻率)和投幣中斷

信號；(2)與字符型液晶顯示器接口；(3)控制真假幣出口的輸出信號和驅(qū)動電路；(4)控制外接電器的輸出信號和繼電器驅(qū)動電路；(5)控制單片機(jī)工作所必需的其它外圍電路。傳感器應(yīng)用實(shí)例13.2.3基于單片機(jī)的投幣機(jī)檢測與控制投幣機(jī)以單片機(jī)為控制器的基本電路如圖13-18所示，該

系統(tǒng)以ATMEL自

帶Flash

程序存儲器的89C51為核心。來自傳

感器的信息為投幣中斷I和特征脈沖T(表示硬幣特征的頻率信

號),連接線各一根，分別接入中斷INT1和計(jì)數(shù)器T1

。單片機(jī)

的三個端口分配如下：PO口用做液晶顯示器的數(shù)據(jù)輸入輸出接

口

；P1口分為三部分，其中P10

、P11作為電磁鐵控制端口，P12、P13、P14分別作為液晶顯示器的控制信號線E、R/W、RS端口；P15

、P16

、P17

為鍵值讀入線，完成對系統(tǒng)一些特

征值的設(shè)置；

P2口單純作為對外部電器控制的信號輸出端口，

可以控制多達(dá)8個中間繼電器。圖13-18

投幣機(jī)以單片機(jī)為控制器的基本電路89CS1P00PO1P02

P03

P94

PO5P07DOOR1DOOR2

ER/WRSKEY1

KEY2KEY3U3×10ko[INT1EA/VPXiP20P21P22

P23

P24P25

P26P27授幣中斷特征脈沖TUceP10P11P12P13P14P15P16

P17DODID2D3D4

D5

D6D7KOKIK2

K3K4

K5

K6

K7RXDTXDRESET傳感器應(yīng)用實(shí)例控制真假幣出口的電磁鐵是特別制作的，其工作電壓為12V,功率為20W,

確保動作的可靠性。為了防止電磁鐵工

作對單片機(jī)的干擾，用光偶對控制信號進(jìn)行隔離，圖13-18

中，畫出了其中一路電磁鐵的驅(qū)動控制電路。12V電源與單

片機(jī)、液晶顯示器的工作電源Ucc