传感器和接口技术-中国科大ROBOGAME培训

传感器与接口forRoboGame2013陆思良精密机械与精密仪器系BA12009Email:[e-mail]:~lusliang/MeasurementControlInformationProcessing课程宗旨2本课介绍有可能在机器人上用到的传感器及其接口技术。本课倾向于采用直观的图片和实物演示方法向大家展示各种传感器。如果大家觉得可能用得上，还需要自己去查阅更详细的资料。传感器和接口的选择和选型需要结合机器人的具体功能和实现方式。MeasurementControlInformationProcessing传感器3传感器功能：将电、磁、力等非电信号转化为电信号，以便于计算机处理。目录：测距类传感器：1.激光测距传感器2.红外测距传感器3.超声波测距导航类传感器：4.颜色（巡线）传感器5.电子罗盘6.GPS7.陀螺仪计数类传感器：8.光电码盘9.霍尔传感器MeasurementControlInformationProcessing测距类传感器1.红外测距传感器（红外接近开关）特点：价格便宜；距离预先可调；有两种形式，一种为反射型（发射和接收都在一个管子上），一种为对射型（一个发射一个接收）；频响100Hz左右。使用简单，三根线：一根电源线，一根地线，一根信号线（只能输出开关量，即高或者低电平）。选购时注意：尽可能选用5V的（为和单片机匹配）。4MeasurementControlInformationProcessing测距类传感器2.激光测距传感器原理：通过发射和接收激光，计算时间差，乘以光速等于距离。特点：价格昂贵；距离连续可测（也有只输出开关量）；精度高（右图的为0.22mm）；频响1kHz左右。输出方式，工业上多采用4-20mA电流输出，一般在采集端接电阻转换为电压信号进行采集。5MeasurementControlInformationProcessing测距类传感器3.超声波传感器原理：通过发射和接收超声波（20kHz），计算时间差，乘以声速（~340m/s）等于距离。特点：价格便宜；距离连续可测；测量范围宽；精度较高（cm级别）；频响较高。购买建议：经费允许的话也可以购买输出数字信号的（如TTL接口）。6MeasurementControlInformationProcessing导航类传感器4.颜色（巡线）传感器原理：一个发光管一个接收管；物体不同颜色表面对相同关照的反射不一样，通过反射的强度转化为电压的大小。特点：价格便宜；反应迅速；一般配备可调电阻调整阈值。使用方法：可采用比较器（LM393）将模拟量转化为开关量供单片机识别；一般采用多个传感器组成阵列，提高识别精度（编码方法介绍）。7MeasurementControlInformationProcessing导航类传感器5.电子罗盘（指南针）原理：顾名思义，用于检测和地磁场的偏角）。特点：一般有两种，平面罗盘和三轴罗盘；平面罗盘精度较差，对使用环境要求高；三轴罗盘能够对倾角进行补偿，精度高，价格也相对昂贵。注意：需要远离铁磁性物质。选购建议：经费允许情况下可选用数字信号输出的模块。8MeasurementControlInformationProcessing导航类传感器6.GPS接收机原理：通过接收4个以上卫星信号计算接收机的经纬度及其他信息。特点：功能强大；价格便宜；100块钱的接收模块精度大概5米；室内可能信号不好；全球卫星免费用（国产北斗）。使用建议：绝大部分的手机都有GPS功能，可考虑写程序调用其GPS信号。9MeasurementControlInformationProcessing导航类传感器7.陀螺仪（角加速度传感器）原理：惯性导航器件特点：不需要依赖其它环境（如电子罗盘需要地磁场），可靠性高，稳定性好；价格不等，可根据需求选择。使用：一般用的是角度信息，需要将角加速度两次积分；但存在时漂问题，因此一般配合其它传感器使用，如重力传感器等；如需使用，参考：传感器信息融合，卡尔曼滤波等方法。10MeasurementControlInformationProcessing计数类传感器8.光电码盘（光栅）原理：码盘圆周上开若干小孔，码盘上下方各有一个光电发射管和一个光电接收管，旋转时产生脉冲信号，通过脉冲信号计数。特点：一般用于电机测速。使用注意：辨向原理（双路90°电气相角，加法/减法器74LS191）。PID演示11MeasurementControlInformationProcessing计数类传感器9.霍尔器件原理：霍尔器件上方有磁铁时，输出电平会翻转。特点：一般用于无刷电机（转子是永磁铁）测速。注：做机器人常用电机的选型和区别可参考我之前的培训：~lusliang/robogame2012.html12MeasurementControlInformationProcessing传感器接口接口非常重要！选传感器和买传感器十分简单，但从传感器读取数据可能会花费非常多的时间。接口用于两个器件之间数据传输，绝大部分的传输方法都可视为高低电平变化，不同的协议只是规定了变化的方式而已。常见接口/协议/总线：1.RS232/RS485/TTL（串口）2.SPI3.IIC4.USB13MeasurementControlInformationProcessingRS232/RS485/TTL标准RS232接口为9针，绝大部分情况只用到3针（Tx发送，Rx接收，GND地）。逻辑电平1：-3~-15V，逻辑电平0:3-15V。RS232一般在电脑上。RS485可认为是差分传输的RS232，可长距离输送信号。TTL（可认为是RS232的单片机版）：逻辑电平1:3.3V或者5V，逻辑电平0:0V。RS232和TTL通信，需要电平转换芯片，Max232（5V），Max3232（3.3V）14MeasurementControlInformationProcessingRS232/RS485/TTL注：1.图中的电容用无极性的电容就行，用0.1UF也行，用10UF好像也行，具体看datasheet。2.单片机的发送口（Tx）接电脑的接收口（Rx），接反会发热。15MeasurementControlInformationProcessingSPI和IICSPI和IIC（I2C）是两种在嵌入式系统中十分常见的接口，它们有各自的协议。硬件（原生）SPI（IIC）和模拟SPI（IIC）。如右图STM32单片机中就有原生SPI和IIC，使用时较为简单，直接往对应寄存器里写数据，单片机就能够自动解码发送出去。16MeasurementControlInformationProcessingSPI和IIC如果单片机没有SPI（IIC），也可以用模拟的方法来实现，即用普通的I/O口对照协议来编程（要注意时钟信号）。17MeasurementControlInformationProcessingUSB可能用到的还是电脑和单片机的通信，STM32有原生USB口，但最常用的方法还是使用串口来通信。现在的笔记本一般都没有串口，因此介绍几种笔记本其它接口转串口的方法。1.ExpressCard-RS232(TTL)特点：性能最稳定，价格略高。18MeasurementControlInformationProcessingUSB2.USB-RS232(TTL)三种芯片：PL2303，CH340，FT232，价格（稳定性）由低到高。19注意：USB接口尽量采用方头的，比较牢靠MeasurementControlInformationProcessingThanks!20