传感器实验指导书

1、传感器实验指导书 V2.0电子对抗实验室 目 录1、传感器的半桥性能实验2、传感器的全桥性能实验3、差动变压器的特性实验4、超声波传感器的位移特性实验5、单片机应用6、红外传感器的应用7、温湿度检测8、综合实验9、附件1实验一 电阻式传感器的半桥性能实验一、实验目的 掌握半桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元 电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,这就是电阻应变效应,其关系为:R/R=K, R为电阻丝变化值,K为应变灵敏系数, 为电阻丝长度的相对变化量L/L。通过测量电路将电阻变

2、化转换为电流或电压输出。2、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁,四个电阻应变片贴在梁的根部,可组成单臂、半桥与全桥电路,最大测量范围为±3mm。1一外壳 2-电阻应变片 3-测杆 4- 等截面悬臂梁 5-面板接线图图1.1 电阻应变式传感器图中R1、R2、R3为固定,R为电阻应变片。3、将两个受力方向不同的应变片电阻分别接入电桥的两个相邻桥臂,组成半桥形式的测量电路,转换电路的输出灵敏度提高,非线性得到改善。4、实验电路图见图1-1 ,当两个应变片的阻值和应变量相同时,半桥输出电压Uo=2EK，E为电桥转换系数。四、实验步骤1、固定好位移台架,将电阻应变

3、式传感器置于位移台架上,调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处,旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧,然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态,两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱面板上的±15V和地端,用导线接到差动放大器上;将放大器放大倍数电位器RP1旋钮(实验台为增益旋钮)逆时针旋到终端位置。3、用导线将差动放大器的正负输入端连接,再将其输出端接到数字电压表的输入端;按下面板上电压量程转换开关的20V档按键(实验台为将电压量程拨到20V档);接通电源开关,旋动放大器的调零电位器RP2旋钮,使电压表指示向零趋

4、近,然后换到2V量程,旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零;此后调零电位器RP2旋钮不再调节,根据实验适当调节增益电位器RP1。4、按图1-2接线,将两个受力方向相反的应变片接入电桥中。图1-2电阻式传感器半桥实验电路5、调节平衡电位器RP,使数字电压表指示接近零,然后旋动测微器使电压表指示为零,此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器,每次0.4mm,上下各2mm,将位移量X和对应的输出电压值Uo记入下表中。表1-1五、实验报告1、根据表1-1的实验数据,画出输入/输出特性曲线U。=f(X),并且计算灵敏度和非线性误差。2、进行半桥测量时,接入的两个应变片电阻的受力方向为什么必

5、须相反?实验二 传感器的全桥性能实验一、实验目的掌握全桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥、差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其阻值发生变化,这就是电阻应变效应,其关系为:R/R=K, R为电阻丝变化值,K为应变灵敏系数, 为电阻丝长度的相对变化量L/L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。2、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁,四个电阻应变片贴在梁的根部,可组成单臂、半桥与全桥电路,最大测量范围为±3mm。3、按图2-1接线,将四个应变片接入电

6、桥中,注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。图2-1电阻式传感器全桥实验电路四、实验步骤1、固定好位移台架,将电阻应变式传感器置于位移台架上,调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处,旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧,然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态,两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、将实验箱面板上的±15V和地端,用导线接到差动放大器上;将放大器放大倍数电位器RP1旋钮(实验台为增益旋钮)逆时针旋到终端位置。3、用导线将差动放大器的正负输入端连接,再将其输出端接到数字电压表的输入端;按下面板上电压量程转

7、换开关的20V档按键(实验台为将电压量程拨到20V档);接通电源开关,旋动放大器的调零电位器RP2旋钮,使电压表指示向零趋近,然后换到2V量程,旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零;此后调零电位器RP2旋钮不再调节,根据实验适当调节增益电位器RP1。4、按图1-2接线,将四个应变片接入电桥中,注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。5、调节平衡电位器RP,使数字电压表指示接近零,然后旋动测微器使电压表指示为零,此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器,每次0.4mm,上下各2mm,将位移量X和对应的输出电压值Uo记入下表中。 表2-1五、实验报告1、根据表2-1,画出输/输出特

8、性曲线Uo=f(X),并且计算灵敏度和非线性误差。2、全桥测量时,四个应变片电阻是否必须全部一样?实验三 差动变压器的特性实验一、实验目的1、了解差动变压器的基本结构。2、掌握差动变压器及整流电路的工作原理。3、掌握差动变压器的调试方法。二、实验所用单元电感式传感器、电感式传感器转换电路板、差动放大器板、苴流稳压电源、数字电压表、位移台架。三、实验原理及电路1、差动变压器由一个初级线圈和两个次级线圈及一个铁芯组成,当铁芯移动时,由于初级线圈和次级线圈之问的互感发生变化使次级线圈的感应电势产生变化,一个次级线圈的感应电势增加,另一个则减少,将两个次级线圈反向串接,就可以引出差值输出,其输出电势反

9、映出铁芯的位移量。2、差动变压器实验电路图如图2-1所示。图2-1差动变压器实验电路图传感器的两个次级线圈(N2、NO电压分别经URl、URz2组桥式整流电路变换为直流电压,然后相减,经过差动放大器放大后,由电压表显示出来。Rl、R2为两桥臂电阻,RP1为调零电位器,R3、R4、Cl组成滤波电路,R5为负载电阻,采用这种差动整流电路可以减少零点残佘电压。四、实验步骤1、固定好位移台架,将电感式传感器置于位移台架上。调节测微器使其指示12mm左右,将测微器装入台架上部的开口处,再将测微器的测杆与电感式传感器的可动铁芯旋紧。然后调节两个滚花螺母,使铁芯离开底面10mm,注意要使铁芯能在传感器中轻松

10、滑动,再将两个滚花螺母旋紧。2、差动放大器调零(参见实验一)。3、按图2-1将信号源的两输出端A、B接到传感器的初级线圈N1上,传感器次级线圈N2、N3分别接到转换电路板的C、D与H、I上,并将F与L用导线连接,将差动放大器与数字电压表连接好。这样构成差动变压器实验电路。4、接通电源,调节信号源输出幅度电位器RP2到较大位置,平衡电位器RP1处于中间位置,调节测微器使输出电压接近零,然后上移或下移测微器1mm,调节差动放大器增益使输出电压的值为300mV左右,再回调测微器使输出电压为OmV。此为系统零位,分别上旋和下旋测微器,每次0.5mm,上下各2.5mm,将位移量X和对应的输出电压uo记入

11、下表。 表2-1五、实验报告1、根据表2-1 ,画出输入/输出特性曲线,并且计算灵敏度和非线性误差。2、分析为什么采用差动整流电路可以减少零点残余电压?实验四 超声波传感器的位移特性实验一、实验目的1、了解超声波在介质中的传播特性。2、了解超声波传感器测量距离的原理与结构。3、掌握超声波传感器及其转换电路的工作原理。二、实验所用单元超声波发射探头、超声波接收传感器、超声波传感器转换电路板、反射挡板、振动台、直流稳压电源、数字电压表三、实验原理及电路超声波传感器由发射探头与接收传感器及相应的测量电路组成。超声波是在听觉阈值以外的声波,其频率范围在2OKHz至60KHz之问,超声波在介质中可以产生

12、三种形式的振荡波:横波、纵波和表面波。本实验以空气为介质,用纵波测量距离。发射探头发出40KHz的超声波,在空气中传播速度为344m/s,当超声波在空气中碰到不同介面时会产生一个反射波和折射波,其中反射由接收传感器输入测量电路,测量电路可以计算机超声波从发射到接收之问的时问差,从而得到传感器与反射面的距离。本实验原理图如图3-1所示。图4.1超声波传感器实验原理图四、实验步骤1、按照图4.1连线。2、在距离超声波传感器2030cm(020cm左右为超声波测量盲区)处放置反射挡板,接通电源,调节发射探头与接收传感器间的距离(约1015cm)与角度,使得在改变挡板位置时输出电压能够变化。3、平行移

13、动反射挡板,每次增加5cm,读取输出电压,记入下表中。表 4.1五、实验报告1、根据表4.1的实验数据画出超声波传感器的特性曲线,并计算机其灵敏度。2、本实验中的超声波传感器的特性是否是线性的?为什么?其线性度受到什么因素的影响?实验五 单片机应用一、 实验目的1. 熟悉实验用单片机开发板；2. 掌握单片机在传感器模块中的应用。二、 实验设备1. PC机；2. 单片机开发板。三、实验内容1. 安装开发板驱动；2. 单片机I/O口使用；3. 开发板外设使用；4. 基于C语言实现。四、实验要求 按照实验内容和实验步骤完成实验内容，课后完成实验报告。五、 实验原理本实验采用XT100学习板。1、 X

14、T100学习板简介可以使用XT100进行51和AVR 单片机的学习和具体工程开发。XT100 学习板主芯片采用40脚直插51单片机，可以使用宏晶（STC 系列）、AT M E L（AT系列）和 SST 系列相应单片机进行下载和仿真。该学习板汇集了各种常用资源，是低价格学习板，有效降低学习者经济负担，而能够学习到很多资源。 XT100 学习板板上资源包括比较常用的功能如：LED 、数码管、蜂鸣器、独立按键、RS-232串行总线等，还有诸多高级资源如：温度传感器、EEPROM、液晶显示接口、点阵、硬件时钟等（如图1所示）。 XT100 学习板是ISP 下载型学习板，支持 ISP 下载和仿真。只使用

15、一条USB 延长线，即可完成供电和下载，台式机用户和笔记本用户均可以使用，比以前的任何产品都方便。主MCU支持51/AVR单片机，其中51单片机是AT、STC、SST系列三合一，AVR支持ATMEGA8515，紧操作一个跳线即可完成51学习板和AVR学习板的切换。本板多种下载方式，包括并口、串口和USB下载。学习板支持仿真，只要配一片SST芯片即可完成单步、断点调试，并观察寄存器状态。图1 XT100 学习板示意图2、发光二极管LED部分电路原理图：图2 发光二极管电路图8 个LED 阴极接单片机I/O 口P0，阳极通过限流电阻和一个跳线接到VCC（5V），跳线 J3 默认连接。当图中点是高电

16、平时，由于LED两端都是5V，没有电流产生，LED 不亮；当是低电平时，LED 会导通发光。 3、数码管部分电路原理图： 图3 数码管电路图P00-07 分别接8 位数码管的8 个复用数据口，P10-P17 分别接8 位数码管的8 个控制口，分别控制 8 个数字的显示与否。P00-07 需要发送显示字符的字型码，共阳数码管字型码的设置如下： 图4 共阳数码管字形设置如图4，相应段为0 表示该段亮，为1 表示该段不亮。像土中的“5 ”二进制表示最低位为 A ，最高位为H ，这样顺着写下来为“10010010”，十六进制为“0x92”。其他字型也是如此得到的。8 位数码管数字是动态扫描显示的，控制

17、位为0 表示该位显示，为1 表示该为不显示，动态显示时始终保持1 位显示而其他位均不显示。比如显示1234ABCD ，首先是P10 保持低电平，P1口其他位都保持高电平，然后把1 的字型码发到数据口P0，延时10ms；在把P11 保持低电平，P1口其他位都保持高电平，然后把2 的字型码发到数据口P0，延时10ms如此把“1234ABCD ”都发一遍，即实现了动态刷新。虽然每次只有一位显示数字，但是由于人眼的迟滞性，看到的即是静态的“1234ABCD ”。4、蜂鸣器部分电路原理图：图5 蜂鸣器电路根据PNP 三极管的特性，当其基极为接近低电平时，三极管导通。2、学习板驱动程序的安装双击“PL23

18、03 驱动”可执行安装程序进行安装，安装成功后，由于XT100 学习板已经集成了USB 下载功能，那么把学习板通过USB 口连接到电脑上时，系统会提示找到新设备。验证安装正确的方法，则是打开操作系统桌面，右键点“我的电脑”，选“属性”，选项卡中选“硬件”，选“设备管理器”。在“端口（COM和LPT ）”分支下发现“Prolific USB-to-Serial Comm Port(COMx)”设备，其中x 可能是任何一个数字，请务必记下 x 号，非常有用！该 x 号可能由于电脑、操作系统、USB 接口不同而有差别。尽量在学习板每次连接电脑时，都到设备管理器中确认x 的值。六、 实验步骤：（一）编

19、写单片机C语言程序并生成hex文件首先，安装KEIL开发环境；第二步，打开keil 软件；第三步，在“project ”菜单里选择“new project. ”，并选择一个目录保存；第四步，如图4.2，在出现的窗口中选择相应公司的产品，我们选“STC”的“STC89C52RC ”，点“确定”，再点“是”,将在左端出现工程窗口；第五步，在“file ”菜单里选择“new.”新建一个文件，并按保存按钮保存为“xx.c”；第六步，在空白的文件内输入C语言代码并保存；第七步，在工程窗口的“target1 ”上点鼠标右键，选择“options for target"target 1"

20、”；第八步，在选项卡“output ”中钩上“create hex file ”，点“确定”； 第十步，在 keil 环境中点按钮编译程序，会在工程目录下生成test.hex 文件，程序编写工作完成。（二）编程实现LED灯控制和数码管数字显示（三）应用串口功能和串口助手因实现的功能要与串口结合起来，所以在编写了基本的程序同时还要对串口进行初始化，加入串口的打印程序。使用STC下载软件将编译好的程序下载到单片机上面运行，运行成功的界面如下图所示。图6：模块工作时的界面八、实验思考1. 如何将单片机应用于传感器模块的开发中？九、实验报告要求及格式实验报告应在整理与计算实验数据记录的基础上写出。不同

21、的实验类型，要求的实验报告的内容也不同。但每份实验报告都应有如下的报头：信息编码与加密实验报告姓名 班级 实验组别 同组者 实验日期 指导教师 实验名称实验报告的主要内容应包括：实验目的；实验内容；经过整理的数据及计算结果(列成表格)；结论与讨论注意：实验报告要求字迹清楚，数据明了，内容齐全。实验六 红外传感器一、 实验目的1. 熟悉传感器原理；2. 掌握传感器的应用。二、 实验设备1. PC机；2. 单片机开发板；3 传感器模块。三、实验内容1. 传感器模块与单片机开发板的连接；2. 编程实现传感器模块状态的读取，并通过蜂鸣器报警和串口显示信息。四、实验要求 按照实验内容和实验步骤完成实验内

22、容，课后完成实验报告。五、 实验原理（一）红外传感器简单介绍1、 主要芯片：LM393、红外反射感应探头2、 工作电压：直流3-5伏3、 特点：           1、具有信号输出指示；           2、带安装孔，方便固定安装；          &

23、#160;3、输出有效信号为低电平，指示灯亮；                           4、灵敏度可调，对应调节感应距离；           5、单路信号输出，可以直接接单片机IO口；  

24、0;        6、电路板输出开关量ttl电平。实物图如下图： 图 1 实物图（二）使用说明 1、模块可以用来智能小车寻迹 避障，物料检测，色相检测2、模块在无遮挡或者遮挡距离达大于设定阈值时DO口输出高电平，当模块受遮挡距离小于设定阈值时，模块D0输出低电平； 3、小板数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测模块是否被触发；4、小板数字量输出DO可以直接驱动本店继电器模块，由此可以组成一个光电开关；六、 实验步骤（一）单片机和传感器的连接单片机P5的1脚（VCC）P4

25、的20脚（GND）P5的3脚（P01） 传感器 VCCGNDOUT 单片机开发板P4、P5插座连线如下图。 图2 插座连线（二）控制程序的编写:打开我的电脑，在硬盘下建立一个新的文件夹，命名为“红外”，然后打开keil，新建一个工程，保存在自己所建立的文件夹下，然后建立一个新的文件，同样保存在文件夹里，记住文件的属性是.c文件。编程实现传感器状态信息的读取，如在传感器前方设置障碍物，就通过蜂鸣器报警，并通过串口发送报警信息“前方有障碍物”。（三）程序的测试：程序编写完成以后就对程序进行编译和HEX文件生成。通过判断P01口的信号进行不同的动作，当接收到0 的时候单片机就会给P34口低电平，这时

26、蜂鸣器就会接收到P34口上的低电平，从而发出报警声音。同时单片就就会通过串口发送报警信息“前方有障碍物”。如下图所示图3 串口助手信息显示八、实验思考1. 如何将红外传感器模块应用于实际开发中？九、实验报告要求及格式实验报告应在整理与计算实验数据记录的基础上写出。不同的实验类型，要求的实验报告的内容也不同。但每份实验报告都应有如下的报头：信息编码与加密实验报告姓名 班级 实验组别 同组者 实验日期 指导教师 实验名称实验报告的主要内容应包括：实验目的；实验内容；经过整理的数据及计算结果(列成表格)；结论与讨论注意：实验报告要求字迹清楚，数据明了，内容齐全。实验七 温湿度检测一、 实验目的1.

27、熟悉传感器原理；2. 掌握传感器的应用。二、 实验设备1. PC机；2. 单片机开发板；3 传感器模块。三、实验内容1. 传感器模块与单片机开发板的连接；2. 编程实现传感器模块状态的读取，并通过蜂鸣器报警和串口显示信息。四、实验要求 按照实验内容和实验步骤完成实验内容，课后完成实验报告。五、 实验原理（一）DHT11传感器简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、

28、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 3 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。 图1 实物图 （1）接口说明 ：建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。图2 单片机与传感器接口（2）数据帧的描述：DATA 用于微处理器与 DHT

29、11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。（3）电气特性：VDD=5V，T = 25，除非特殊标注表1 DHT11的电气特性参数条件Mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均

30、0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得低于1秒钟。（4）时序描述：用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。通讯过程如下图所示：图3通讯过程图总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开

31、始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图4通讯初始化要求图 总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空

32、闲状态。数字0信号表示方法如下图5所示：图5数字0信号电平变化图数字1信号表示方法如下图6所示图6数字1数据线电平变化图六、 实验步骤（一）单片机和传感器的连接单片机P5的1脚（VCC）P4的20脚（GND）P35 传感器 VCCGNDOUT（二）控制程序的编写:打开我的电脑，在硬盘下建立一个新的文件夹，命名为“温湿度”，然后打开keil，新建一个工程，保存在自己所建立的文件夹下，然后建立一个新的文件，同样保存在文件夹里，记住文件的属性是.c文件。编程实现使用时将P0口作为与数码管显示模块的位控制端，P1口作为段控制端，以控制数码管的显示。P3.5作为与传感器DHT11通信的数据口，P3.4接

33、蜂鸣器控制端，以控制报警模块工作。（三）程序的测试：将开发板与电脑连上，设置好对应的接口，完成供电及下载。下载完毕，连接好各引脚连线，并开始供电后、稍带几秒等数码管能正常显示当前温湿度了之后。观察当前温湿度的变化。并且针对与自己设定的限值相比较。若当前温度没有超标，即没有超过限值。可以用手捂住DHT11传感器，令其温度的显示超标。测试能否达到报警，经过测试，完全可行。因而简单的实现了对温度的控制。湿度控制原理跟温度一样。八、实验思考1. 如何将温湿度传感器模块应用于开发中？九、实验报告要求及格式实验报告应在整理与计算实验数据记录的基础上写出。不同的实验类型，要求的实验报告的内容也不同。但每份实验报告都应有如下的报头：信息编码与加密实验报告