传感器与接口 for RoboGame2013

传感器与接口for RoboGame2013

陆思良精密机械与精密仪器系

BA12009

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Measurement Control Information

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课程宗旨

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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。


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传感器

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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. GPS 7.陀螺仪计数类传感器：8.光电码盘 9.霍尔传感器


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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）。

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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。

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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）。

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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）。

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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。

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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。

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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。

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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

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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：

http://202.38.64.10/~lusliang/robogame2012.html

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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.USB

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RS232/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）

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RS232/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。

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SPI 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。

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SPI 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）。

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USB 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. Express Card->RS232(TTL)

特点：性能最稳定，价格略高。

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USB 2. USB->RS232(TTL) 三种芯片：

PL2303 ， CH340 ， FT232 ，价格（稳定性）由低到高。

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注意： USB接口尽量采用方头的，比较牢靠


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