电赛汇总(二)：常用传感器电路模块设计
電賽匯總(二)：常用傳感器電路模塊設計
這一章節主要詳細記錄各種常用的傳感器的電子芯片型號、設計原理與思想，以便隨時查看翻閱。這部分內容出自黃根春等學者著的《全國大學生電子設計競賽教程–基于TI器件設計方法》一書中，感興趣的朋友可以購買翻閱。
文章目錄
- 電賽匯總(二)：常用傳感器電路模塊設計
- 3.1傳感器
- 3.1.1 傳感器分類
- 3.1.2 霍爾傳感器
- 3.1.3 溫度傳感器
- 3.1.4 光電傳感器
- 3.1.5 紅外傳感器
- 3.1.6 超聲傳感器
- 3.1.6.1 基本原理
- 3.1.6.2 超聲測距原理
- 3.1.6.3 誤差來源和分析
- 3.1.6.4 注意事項
- 3.1.7 金屬應變片式傳感器
- 3.1.8 接近開關
- 3.1.9 小結
- 3.2 控制系統的組成
- 3.2.1 超聲測距
- 3.2.1.1 發射部分
- 3.2.1.2接收部分
- 3.2.2 紅外傳感器的應用
- 3.2.2.1 探測黑線
- 3.2.2.2 檢測點滴速度
- 3.2.3 光敏電阻探測光源
- 3.2.4 溫度傳感器的應用
- 3.2.5 角度測量模塊
- 3.2.5.1 角度測量方案
- 3.2.5.2 角度測量電路
- 3.2.6 直流電機的控制和驅動
- 3.2.6.1 電源方案
- 3.2.6.2 電機的驅動電路
- 3.2.7 步進電機的控制和驅動
- 3.2.7.1.步進電機控制原理
- 3.2.7.2 步進電機的驅動電路
- 3.2.8 語音模塊
- 3.2.8.1 前級通道
- 3.2.8.2 后向通道
- 3.2.9 無線收發模塊
3.1傳感器
當將單片機作為測控系統時，系統總要有被測量信號的輸入通道。對被測對象狀態的拾取，一般都離不開傳感器或敏感器件，這是因為被測對象的狀態參數往往是一種非電物理量，而單片機系統只是一個能識別和處理電信號的系統，因此需要利用傳感器將非電物理量轉換成電信號才能實現測控功能。
傳感器俗稱“電五官”，是能夠感受(或響應)規定的被測量，并按照一定規律轉換成可用信號輸出的器件或裝置，其作用類似于人的感覺器官。傳感器處于測試裝置的輸入端，是系統之間實現信息交流的“接口”，通常由直接相應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件及相應的電子電路所組成。
3.1.1 傳感器分類
傳感器的種類很多，目前尚沒有統一的分類方法，一般常采用的分類方法有以下幾種。
1.按輸入量分類
如輸入量分別為溫度、壓力、速度、加速度、濕度等非電量時，則相應的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類方法給讀者提供了方便，容易根據測量對象選擇所需要的傳感器。
2.按測量原理分類
現有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學理論。如根據變電阻的原理，相應的有電位器式、應變式傳感器；根據變磁阻的原理，相應的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器；根據半導體有關理論，則相應有半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態傳感器。
3.按結構型和物性型分類
所謂結構型傳感器，主要是通過機械結構的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號，這種傳感器目前應用得最為普遍。物性型傳感器則是利用某些材料本身物理性質的變化而實現測量，它是以半導體、電介質、鐵電體等作為敏感材料的固態器件。
近年來，由于半導體技術已進入超大規模集成化階段，各種制造工藝和材料性能的研究已達到相當高的水平。從發展前景看，傳感器具有以下幾個特點：固態化、集成化和多功能化、圖像化、智能化。
3.1.2 霍爾傳感器
霍爾傳感器是利用半導體的磁電效應中的霍爾效應，將被測物理量轉換成霍爾電勢。霍爾效應是指：將一載流體置于磁場中靜止不動，若載流體中的電流方向與磁場方向不相同時，在此載流體中平行于由電流方向和磁場方向所組成的平面上將產生電勢，此電勢稱為霍爾電勢。霍爾電勢為 其中B為外磁場的磁感應強度，I為通過基片的電流，n為基片材料中的載流子濃度，e為電子電荷量，d為基片厚度。
集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝將霍爾元件與測量電路集成在一起，有線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器。集成霍爾傳感器的基本應用電路如圖3-1所示。負載可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內阻，阻值視具體情況而定。
應用開關型霍爾傳感器檢測轉速是測量控制系統中最常用的方法。以測小車車速為例，為了提高測量精度，在車輪上均勻地安裝了3個磁片，電路如圖3-2所示。每當磁片經過霍爾片時，傳感器輸出端輸出一個脈沖，通過計數器來計脈沖個數N，依此計算小車的行程。設車輪周長為C，則小車行程為S=NC/3，結合小車行駛時間T，可得小車的平均速率為v=S/T。
3.1.3 溫度傳感器
溫度傳感器的數量在各種傳感器中占據首位，其中將溫度轉換為電阻變化的稱為熱電阻和熱敏電阻傳感器，將溫度轉換成電勢變化的稱為熱電偶傳感器。
熱電偶傳感器是建立在熱電效應基礎上的。熱電效應是指將兩種不同材料的導體組成閉合回路時，若兩個結點的溫度不同，則可踏中將產生一定的電流(電勢)。這種電勢的大小與材料性質及結點溫度有關。
利用熱電阻和熱敏電阻的溫度系數制成的溫度傳感器均稱為熱電阻式溫度傳感器。對于大多數金屬導體的電阻，都具有隨溫度變化的特性，其特性方程滿足：
式中，R?、R?分別為熱電阻在t℃和0℃時的電阻，α為熱電阻的溫度系數(1/℃)。對于絕大多數金屬導體，α值并不是一個常數，而是隨溫度而變化，但在一定溫度范圍內可近似視為一個常數，不同的金屬導體α保持常數所對應的溫度范圍也不同。
熱電阻傳感器的測量電路最常用的是電橋電路，精度要求高的采用自動電橋，為消除由連接導線電阻隨環境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線或四線制連接方法，在此不再詳述。
電子設計中常用的是集成溫度傳感器。這種傳感器是利用PN結的伏安特性與溫度之間的關系研制成的一種固態傳感器。集成溫度傳感器又分為模擬集成溫度傳感器和數字式集成溫度傳感器。常見的模擬集成溫度傳感器(如LM35)，測量溫度的精度高，線性度好，反應速度快，同時可以直接輸出電壓或電流值，便于數字化的處理，應用較為廣泛。數字式溫度傳感器可以直接將溫度值轉化為數字信號，且轉換精度高，測量范圍廣，無須外設便可以直接與單片機通信，應用方便。
LM35是電壓輸出型溫度傳感器，輸出電壓范圍是±5V，靈敏度為10.0mV/℃，即溫度為0℃時輸出電壓為零，電壓每上升(下降)1℃輸出電壓便增加(減小)10mV。常溫下測溫精度為±0.5℃，自身發熱對測量精度影響僅在0.1℃以內。
采用+4V以上單電源供電時，測溫范圍為2～150℃；采用雙電源供電時，芯片若為金屬殼封裝,測溫范圍為-55~150℃;芯片若為TO-92 封裝,測溫范圍為-40~110℃。LM35的兩種封裝形式及引腳圖如圖3-3所示。
至于數字式溫度傳感器，此處介紹DS18B20。該芯片采取1-Wire 的總線讀取方式，且內部同時采樣，將溫度轉換為數字信號，可直接通過控制讀取，無須另加ADC采樣，溫度測量范圍為-55+125℃,可編程為9位12位A/D轉換精度,測溫分辨率可達0.0625℃,被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，而且支持多路控制和測量，便于在最小的單片機資源消耗的情況下(只需要單片機上一根I/O引腳)對多點進行溫度采集。DS18B20的封裝引腳如圖3-4所示。
3.1.4 光電傳感器
光電傳感器根據檢測模式的不同可以分為如下幾種。
①反射式光電傳感器，將發光器與光敏器件置于一體內，發光器發射的光被檢測物反射到光敏器件。
②透射式光電傳感器，將發光器與光敏器件置于相對的兩個位置，光束也是在兩個相對的物體之間，穿過發光器與光敏器件的被測物體阻斷光束，并啟動受光器。
③聚焦式光電傳感器，將發光器與光敏器件聚焦于特定距離，只有當被測物體出現在聚焦點時，光敏器件才會接收到發光器發出的光束。
3.1.5 紅外傳感器
紅外傳感器分為反射式和對射式，通常利用反射式紅外傳感器檢測黑白物體或判斷遮擋物，利用對射式紅外傳感器檢測點滴速度。常用的收發一體的紅外傳感器是ST188。ST188采用高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。檢測距離可調整范圍大，4~13mm可用，采用非接觸檢測方式。ST188的引腳圖如圖3-5所示，其極限參數見表3-1。
量提高紅外二極管的發射功率。在極限參數允許的條件下，提高流過紅外二極管的電流，便可以提
高紅外二極管的發射功率。晶體管導通時集電結和發射結之間有一定的直流電阻，為了使三極管
導通時輸出電壓盡量的小，應選擇盡量大的集電極電阻，但集電極電阻的最大值也有一定的限制，
當它達到一定值時，ST188在檢測到黑色物體或遮擋物時將無法輸出高電平。
3.1.6 超聲傳感器
超聲傳感器可以用來測量距離，探測障礙物，區分被測物體的大小。
超聲波檢測裝置包含一個發射器和一個接收器，發射器向外發射一個固定頻率的聲波信號，當遇到障礙物時，聲波返回被接收器接收。
3.1.6.1 基本原理
超聲傳感器是利用壓電效應原理制作的，將電能和聲能轉換。超聲傳感器分為發射器和接收器分體的，也有發射器和接收器同體的。圖3-6為UCM-T?40K 型超聲傳感器的內部結構圖。
此超聲傳感器采用雙晶陣子，把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起。金屬板的中心有圓錐形振子，發送超聲波時圓錐形振子具有較強的方向性，可以高效地發送超聲波。超聲探頭的構成晶片的材料可以有許多種，該型號的晶片采用陶瓷材料。超聲傳感器的主要指標為：
①工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到晶片兩端的信號頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出能量最大，靈敏度也最高。該型號的工作頻率為(40±1)kHz(UCM-T40K1·發射用)、(38±1)kHz(UCM-R40K1·接收用),因此在選擇時盡量選擇比較匹配的一對。
②工作溫度：溫度對超聲器件工作及超聲波的傳播速度都會有影響。
③靈敏度：靈敏度主要取決于晶片本身，機電耦合系數大則靈敏度高。該器件的靈敏度大于-70dB/V。
3.1.6.2 超聲測距原理
超聲測距是根據超聲波遇到物體反射，然后根據收到回波的時間t來計算距離d=vt/2(粗略公式)，其中v是聲音在空氣中的速度(常溫下為340m/s)。為使測量精度進一步提高，需要考慮測量設備的幾何模型，如圖3-7所示。
聲波的傳播方式應該是近似一個等腰三角形，考慮到發射器和接收器之間的距離h。則
其中s=vt/2。
由于超聲發射器工作的同時會對接收器有很大的影響，所以超聲發射器要采取間歇的工作方式，即發射出一串脈沖后，停止發送脈沖，等待接收器接收到回波后或者等待超時，沒有物體、沒有回波后再發下一串脈沖，進行下一次測量。其波形原理圖如圖3-8所示。
圖3-8中顯示，接收器會收到一串虛假回波，也就是發射器產生的干擾，這個干擾與發射波之間有一段延時，這是由于系統內信號的傳輸，以及發射器與接收器之間的距離等因素造成的。則在從脈沖發射時刻到收到虛假回波之間的時間內不能正常測量物體，在這段時間內就要關閉接收器。通過以上分析可知，測距儀會有一段盲區，盲區的大小是測距儀的一個性能指標。要想減小盲區，需要從以下幾個方面去考慮：減小發射器與接收器之間的干擾；在不影響測量物體的情況下縮短發射的脈沖長度；合理設置開啟接收器的時間等。
測距儀的另一個性能指標就是測量距離，也就是說，接收電路能夠識別出接收到的回波信號。測量距離在很大程度上取決于接收電路的比較器比較門限，門限設得太高會影響測量距離，但也不能設置為0，因為需要濾除后級處理和前級的干擾，以及超聲波在傳播過程中受到影響而造成收到回波信號中一定會有的噪聲；門限設得過低會引起儀器的誤判。
3.1.6.3 誤差來源和分析
①根據超聲測距原理，超聲測距的幾何模型不一定是完美的等腰三角形，所以在測量方法上會引入一定的誤差。
②超聲波遇到物體反射，距離近的物體反射的回波幅值較強，距離較遠的物體反射的回波幅值較弱，不同物體反射的超聲波能夠達到判決門限的起始脈沖不同，也會引入誤差。
③對測量精度影響較大的一個因素是溫度。
聲波在在氣體中傳播的速度為
其中，μ、r、R為常數，μ為氣體摩爾質量，r為氣體的比熱，R為氣體常數，T為熱力學溫度。
因此聲速與溫度的平方根成正比，溫度越高則聲速越大。0℃時聲波的速度為331.45m/s，所以聲波的修正速度為
因此，要提高測量精度，需要進行溫度補償，根據測量時的溫度，來對聲波速度進行定標。
3.1.6.4 注意事項
經過實驗測試，超聲傳感器在使用過程中有一些注意事項。
①兩接線腳焊接時間不宜過長，以免器件內的焊點溶化并脫焊及造成底座與接線腳之間松動。
②超聲傳感器不宜與腐蝕性物質接觸。
③使用超聲傳感器時，一定要考慮到器件的個體間差異。雖然常用超聲傳感器的諧振頻率為40kHz，但不同的傳感器還是有所區別的。因此，使用前應對器件的工作頻率進行測試，盡量使傳感器工作在其諧振頻率上，這樣收到的回波的信號質量會得到提升。如果沒有工作在諧振頻率上，接收電路可能要放大上千倍才能得到需要的信號，但工作在諧振頻率上，則僅僅放大幾十倍就可以達到同樣的效果，甚至更好。
3.1.7 金屬應變片式傳感器
金屬應變片可以將試件上的應變變化轉換成電阻變化。測量臂在載重時會發生形變，引起應變片金屬絲的軸向應變。應變片的應變和電阻相對變化呈比例關系，通過全橋電路使輸出電壓和電阻的相對變化呈線性關系，可以實現載重和輸出電壓的線性關系。
采用4片相同的金屬應變片組成的等臂全橋電路，其中R?、R?貼在梁臂的上表面，為測重敏感元件；R?、R?貼在梁臂側面上，作為溫度補償元件。橋路輸出電壓為
稱重傳感器要求放大器有較高的輸入阻抗，這樣的放大器可由圖3-9所示電路實現。該電路采用差動輸入方式，較好地抑制了共模信號。其輸出一端接地，方便與后續電路接口。放大倍數A 的計算公式為
3.1.8 接近開關
接近開關是工業用的集成金屬探測元件，圖3-10所示的電感式接近開關屬于一種有開關量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成。當金屬物體接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流，這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。當檢測到金屬時，輸出端輸出低電平。
接近開關外部引出了藍、黑、棕3種顏色的線，其外部電路如圖3-10所示。當檢測到金屬時，輸出端輸出低電平，可通過不斷查詢該輸出端的狀態實現對金屬的探測和計數。
3.1.9 小結
傳感器的性能主要包括靈敏度、精度、動態特性、可靠性、溫度指標、量程指標等。決定傳感器性能的技術指標很多，要求一個傳感器具有全面良好的性能指標，不僅給設計、制造造成困難，而且在實用上也沒有必要。故應根據實際的需要與可能，在確保主要指標實現的基礎上，放寬對次要指標的要求，以求獲得高的性能價格比。
傳感器的轉換存在的非線性和誤差是不可避免的，往往需要采取硬件補償，或找出誤差的方向和數值，采用修正的方法(包括修正曲線或公式)加以補償和校正。
3.2 控制系統的組成
控制系統由許多功能模塊組成，本章具體介紹控制系統中的常用功能模塊。
3.2.1 超聲測距
3.2.1.1 發射部分
最常用的超聲傳感器的諧振頻率為40kHz。超聲傳感器的發射電路應包括超聲波發生器、40kHz的音頻產生器、驅動(激勵)電路，根據需要還可以有編碼調制等電路。
1.40kHz脈沖產生方案
40kHz的信號產生電路可以有多種方式實現，可根據用戶的設計方案和器件限制來選擇。
①采用555定時器產生。利用555多諧振蕩器產生40kHz方波簡單可行，但由于電路中的電阻和電容值誤差較大，會使輸出頻率誤差較大。
②由單片機產生。此方案系統規模小，硬件電路簡單，但需要的定時器數目多，且產生的方數信號有很大誤差。
③用DDS直接數字頻率合成技術產生。此方案的輸出波形穩定，精度高，并且可以根據實際電路的選頻特性輸出頻率可精確調節的波形，測量范圍大。但電路過于復雜。
④由CPLD/FPGA產生。此方案通過對CPLD/FPGA進行編程,構造分頻器電路對4MH?有源晶振頻率進行分頻，輸出的40kHz方波波形穩定，且易于控制。
這里需要說明一點，產生的信號并不一定是40kHz，在使用之前最好對超聲傳感器進行測試，因為器件之間存在個體差異，應當根據測得的諧振頻率來設計脈沖發生電路，這樣才會使得超聲傳感器的發射功率和效率最高，效果最好。
2.發射部分電路
超聲傳感器所需的驅動電流不大，只要十幾毫安，但是激勵電壓要求在4V以上，這樣可以增加發射功率。
使用發射器和接收器型號分別為UCM-T40K1、UCM-R40K1的壓電超聲波換能器，在發送端，從FPGA直接輸出脈沖信號，電流十分有限，因此所能提供的功率也無法滿足超聲傳感器發送端所需的要求。為了提高超聲波發送的功率，將FPGA輸出的40kHz脈沖信號經反相器74LS04隔離后再經過電壓比較器LM311提高發射電壓后送入發射頭兩端。電路圖如圖3-11所示。
3.2.1.2接收部分
1.測量方案
①幅值檢測法。在發射功率一定的情況下，回射波幅值隨測量距離的增大而衰減，而回射波幅值的大小將直接影響測量的精度。因此該方案只適合粗略測量，精度達不到題目中的要求。
②度越時間檢測法。度越時間即超聲波從發射器發出到接收器接收的時間，度越時間與超聲波在氣體中的傳播速度相乘即得聲波傳播的距離。此法不用考慮反射信號的大小，只檢測反射信號的有無，
2.接收部分電路
反射回來的聲波經聲電轉換器后得到的電信號幅值在mV量級，且含有幅值相近的噪聲干擾，因而不宜直接進行電壓比較，需經過放大與濾波后才能得到幅值較大的40kHz的正弦波，再經過電壓比較后得到可以觸發單片機中斷的電信號。放大部分采用兩級反向放大串接，第一級放大倍
數固定，第二級可調。濾波電路為二階壓控電壓源帶通濾波器，中心頻率為40kHz，帶寬為10kHz，可以濾除50Hz工頻以及其他一些加性干擾。如圖3-12和圖3-13所示。
3.2.2 紅外傳感器的應用
3.2.2.1 探測黑線
應用反射式紅外傳感器ST188探測黑線。當紅外二極管檢測到黑線時，光敏三極管截止，流過三極管的電流很小，所以三極管輸出接近高電平；當紅外二極管檢測到障礙物時，光敏三極管導通，由于三極管的集射極間的直流電阻遠小于集電極與電源間的電阻，輸出電壓接近0V。晶體管后要加一級信號處理電路，這是為了提高信號的穩定性，并將高低電壓轉換為標準的TTL電平，以便于控制器(單片機或FPGA等)作出相應的處理。常使用的比較器是LM311，其門限電壓可以通過電位器連續調節，可增強系統的自適應性。一般的單限比較器，如果輸入信號在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就產生相應的抖動，在電路中引入正反饋可解決這個問題。通常，在控制系統中不止用一個紅外傳感器，當使用多個紅外傳感器時，為使硬件電路更加簡潔，常使用LM339，該芯片內集成了4個電壓比較器。紅外探測黑線模塊電路如圖3-14所示。
應用紅外傳感器測距原理與探測黑線類似，當紅外二極管沒有檢測到障礙物時，光敏三極管截止，流過三極管的電流很小，輸出為高電平；當紅外二極管檢測到障礙物時，光敏三極管導通，輸出為低電平。晶體管后級仍然接一比較器電路，門限電壓可調節。只是這種方法只能定性地測距，難以做到定量。
3.2.2.2 檢測點滴速度
檢測點滴速度采用的是紅外發射接收對管，對射式光電傳感器(以下簡稱為傳感器)分為投入器和受光器兩部分，兩者光軸重合在同一直線上。工作時，投光器發出調制光，被受光器接收，變為電信號。當被測體進入檢測區時，光被遮擋，受光器無光可受，傳感器輸出狀態改變。然而，傳感器工作一段時間后，調整好的光軸會發生變化，用黑色膠布將點滴管固定好，以減少外界干擾，盡量減小誤差。
當液滴滴下時，由于水對紅外光的散射作用，受光器接收不到紅外光，受光管截止，輸出低電平；無液滴滴下時，受光管導通，輸出高電平。輸出電平經過放大、LM311 比較、74HC04 整形后輸出標準的矩形波信號，供FPGA讀取，電路如圖3-15所示。LM311正向輸入端接有一反饋電阻構成滯回比較器，防止邊沿抖動。
3.2.3 光敏電阻探測光源
光敏電阻常用于智能小車探測光源。光敏電阻的阻值一般在20200kΩ之間變動，有光時電阻低，輸出電壓小，無光時電阻高，輸出電壓大。將光敏電阻與一個阻值為210kΩ的電阻串聯分壓，分壓電壓輸入比較器，調節比較器的比較電平即可大致判斷光的強弱。電路圖如圖3-16所示。
為了更準確地探測光源，在小車的車頭安裝3個光敏電阻分壓電路，車身兩側各裝一個光敏電阻分壓電路。控制器使用MSP430F449，分壓電路的輸出連到單片機的P6.0~P6.2口，由內置A/D轉換器采樣，然后比較各個電壓的大小，從而準確判斷光源的位置。相比于普通單片機的設計，MSP430單片機的內部ADC采樣模塊簡化了整個系統的硬件電路。
需要注意的是，應給光敏電阻套上黑色皮套，防止光線的干擾，增強其方向性。
3.2.4 溫度傳感器的應用
模擬集成溫度傳感器LM35的應用電路如圖3-17所示。直接從LM35出來的信號比較微弱，需要接一級放大，將信號調理到適合A/D轉換器測量的范圍，否則會對ADC的采樣精度造成較大影響。考慮放大的精度和對共模干擾信號抑制的需要，選用精密高共模抑制比的運算放大器OPA277并接成同向放大電路。此處可選用12位高精度串口A/D轉換芯片ADS7886，串口ADC 可節省資源。且由于溫度變化率慢，可以選用采樣率較低的ADC，推薦用MAX197。如果只測量在一定正溫度范圍內的溫度，可以選用3.3V基準電壓、高分辨率的采樣芯片，如LTC1865等。
數字式溫度傳感器DS18B20的應用電路如圖3-18所示。
3.2.5 角度測量模塊
3.2.5.1 角度測量方案
方案一:采用成型的傾角傳感器UCB-1(Universal Conditional Broad)。它能測量±20°的傾角,25℃測量精度小于0.126°。但該傳感器成本較高，且其溫度特性不夠理想。
方案二:采用成型的角度傳感器AME-B002。測量范圍為0°360°,分辨率達到0.0879°,輸出電壓為0.5+4.5V。通過在其測量軸上固定一重錘，當斜面傾斜時，重錘帶動測量軸旋轉傾斜的角度值，對應相應的模擬電壓輸出。雖然重錘容易起振擺動導致輸出電壓波動，但通過對采樣值進行平均值處理仍能夠獲得準確的角度信息。
3.2.5.2 角度測量電路
選擇方案二作角度測量，電路如圖3-19所示。
角度傳感器在電動車蹺蹺板中有實際的應用，系統模型如圖3-20所示。
設小車在達到理論平衡點C后又前進了x距離，由于摩擦力的影響，系統正好平衡。以整個系統為研究對象進行受力分析，如圖3-20所示。G?、G?分別為蹺蹺板左邊板和右邊板所受的重力，G?為小車所受的重力，L?、L?、L?分別為G?、G?、G?到平衡點C的力臂，φ為平衡時板的傾角，h為板兩端的高度差，M為中心軸動摩擦力的轉矩，動摩擦系數為μm，板長為L，轉軸和底座接觸點到木板質心的距離為R。
平衡方程為： G?L?-G?L?-G?L?+M=0
由以上方程配合角度傳感器的使用，可以控制小車到達蹺蹺板的平衡點。需要注意的是，在使用角度傳感器時，角度傳感器上的重錘發生擺動，使輸出的電壓波形為一阻尼衰減的正弦波，如圖3-21所示。由于一個周期電壓衰減很小，所以取一個周期的平均值就為該狀態下的傾角值。用示波器測量其周期為372ms，其最大誤差為±1ms。利用MAX197對一個周期的波形進行采樣，經過計算和實測，一個周期內能進行1150次采樣。對采得數據取平均值即為傾角值。單次測量時間約為372ms，由于平衡點調速時，車運行速度較慢，單次測量時間能夠滿足反饋速度的要求。
3.2.6 直流電機的控制和驅動
3.2.6.1 電源方案
直流電機輸出功率大、帶負載能力強，常用于智能小車系統中小車的驅動。智能小車跟其他系統不同，它是一個運動體，不能像其他設備一樣引出導線接到電源上工作，必須自身帶電池工作。
由于直流電機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅動電流波動較大，會造成電壓不穩、有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統掉電。另外，考慮到電機耗電量比較大，因此采用雙電源供電，對電機驅動電路與單片機以及其周邊電路分別獨立供電，這樣可以消除電動機驅動造成的干擾，提高系統穩定性。
3.2.6.2 電機的驅動電路
電機的驅動電路有幾種方法：調壓方法，通過電阻網絡或數字電位器調整電機的分壓，從而達到調速目的，但是這種方法只能實現有限級調速，而且由于電機的內阻一般較小，因此分壓后電機的效率不高；采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過控制開關的切換速度實現對小車的速度進行調整。此方案電路簡單，但繼電器的機械特性易損壞、壽命短、可靠性不高。
目前比較廣泛應用的一種方法是采用由達林頓管組成的H型PWM電路，通過單片機控制功率放大管的通斷來控制電機。達林頓管交替工作在飽和與截止的模式下，因此效率非常高。H型PWM電路可以簡單地實現轉速和方向的控制，電子開關的速度很快，穩定性也極強。
H型功率放大電路如圖3-22所示，通過控制VT?和VT?的通斷來控制電機的正反轉。此處作一點說明，考慮到便攜性，智能小車系統中控制器通常選用MSP430F449。單片機輸出頻率可調的PWM信號,當“1”端和“反”端同時加PWM信號時,VT?、VT?導通,VT?、VT?截止,B為正極電機正轉:當“2”端和“正”端同時加PWM信號時,VT?、VT?導通,VT?、VT?截止,A為正極電機反轉。通過調節PWM信號的占空比，可精確控制電機的轉速。
由于繼電器耦合方式的主要缺點是成本較高、耗電，另外當繼電器在關閉和導通時，繼電器將產生較強的電磁輻射，形成噪聲源，對小信號有較大的影響。因此PWM脈沖信號與直流電機采用光耦實現耦合。
光耦器件比較便宜，而且耦合時沒有電磁輻射，能很好地將小信號電路單元與電機電路單元隔離。另外，光耦方式比較省電(這個因素在電池供電系統中比較重要)。但是使用光耦器件時，一定要注意選擇同一型號同一系列的產品，因為光耦器件的線性度較差，應盡量選擇線性度相同的器件。
2.集成的電機驅動芯片
另外一種方式就是采用集成的電機驅動芯片，這里主要用到的驅動芯片是SGS-THOMSON 公司的雙橋驅動芯片L298N。其直流驅動電流最大為4A，且輸出為TTL邏輯電平。其應用電路圖如圖3-23所示。
1.298N 直接集成了兩對電機驅動電路，其中10、12腳作為控制輸入，13、14腳作為對應的控制輸出來控制一個直流電機；5、7腳作為另一對控制輸入，2、3 腳作為其對應的輸出來控制另一個直流電機。在此以10、12期這一對控制輸入為例，如圖3-23 所示，當10腳輸入正脈沖、12接低電平時，電機在轉，其轉速由正脈沖的占空比來決定；反之，當10腳接低電平，12 腳接正脈沖時，電機左轉。
3.2.7 步進電機的控制和驅動
步進電機具有較強的快速啟停能力，可通過對其轉動步數的控制實現對位移的精確控制。懸掛墊控制系統控制物體的運動、點滴檢測系統中調整吊瓶的高度都要用到步進電機。
3.2.7.1.步進電機控制原理
步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機(簡稱VR)、永磁式步進電機(簡稱PM)和混合式步進電機(簡稱HB)，其中混合式步進電機應用最廣泛。
步進電機區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。
步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。
1.控制換相順序
通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進電機的六拍工作方式，其各相通電順序為→A→AB→B→BC→C→CA，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。
2.控制步進電機的轉向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉；如果按反序通電換相，則電機就反轉。
3.控制步進電機的速度
如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間的超短，步進電機就轉得越快，調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。
步進電機需要電流脈沖來驅動，而驅動步進電機對信號的電流要求比較高，直接從單片機、CPLD或者EPGA等芯片出來的信號是不能驅動步進電機的。如果電流值達不到要求，步進電機就不能正常運轉甚至不能正常啟動。因此，為保證控制的精度，需盡量采用高性能的驅動電路，以保證步進電機良好的運轉性能。
3.2.7.2 步進電機的驅動電路
1.達林頓管搭建的步進電機驅動電路
圖3-24給出的是電機采用四相八拍工作方式時的典型驅動電路。在驅動電路中，選用TIP41C達林頓三極管，功率電阻R.參數為8Ω、2W，在集電極與電源之間接入一個保護二極管(型號IN4002)，防止在功率管VT從工作狀態變為截止狀態時，由于感性電機繞組電流的連續性而會在三極管C極上產生一個較強的反向電動勢(電流)而損害三極管；E和C極間二極管(型號IN4002)的加入是為了增大三極管的反向耐壓值，起到泄流保護作用。
其工作原理是：當在A、B、C、D電平輸入端輸入高電平時，光敏二極管發光，從而光耦三極管工作。因三極管的C極、E極的電流大致滿足相等的關系，故C極與E極相當于導通，從而形成電源到地的回路，導致達林頓三極管無法工作，因而使得電機的該相不能工作。反之，當A、B、C、D 電平輸入為低時，光耦三極管不工作，而此時達林頓三極管工作，最終驅動步進電機轉動。
2. L298N構成的步進電機驅動電路
L298N可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓。通過L298N構成步進電機的驅動電路，如圖3-25所示。
通過單片機對L298N的IN1~IN4口和ENA、ENB 口發送方波脈沖信號。
3.集成驅動塊
集成驅動塊驅動能力強、工作穩定，其內部加入了光耦隔離器將控制電路與驅動電路完全隔離，防止了電動機在啟動和制動時對控制電路造成影響。
集成驅動塊的選擇因所選用的步進電機而異。通常用到的步進電機大都是三相或四相的，此處以三相電機為例進行說明。三相步進電機的定子上有6個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖3-26所示，6個齒構成3對磁極(A-A、B-B、C-C)。這里使用常州微特電機總廠的45BC340F 三相步進電機,可以使用UP-3BF04型號的集成驅動塊。
該驅動器使用簡單，只需要兩根信號線便實現三相步進電機的精確控制。一根信號線通過輸出邏輯電平控制電機的轉動方向，另一根信號線通過輸出頻率可變的方波信號來控制電機的轉動速度，如圖3-27所示。必須注意的是，對步進電機的驅動信號存在一個必須避開的頻率——共振頻率f?。
UP-3BF04 驅動器的特點是：①PWM恒流驅動，三相六拍勵磁方式，電源損耗極低且具有極高的開關效率；②自動半流鎖定功能，驅動電流可達4A；③所有控制信號與功率驅動部分光電隔離；④散熱外殼與驅動器內部完全絕緣。其引腳說明如下：
(1)電機驅動部分
A：電機繞組A 相接紅線端；
B：電機繞組B相接綠線端；
C：電機繞組C相接黃線端。
(2)控制部分
CP：步進脈沖輸入端，上升沿有效；
U/D：方向控制器，U/D=1時電機正轉，U/D=0或懸空時電機反轉；
FREE：脫機端，高電平有效，即FREE=1時，電機處于釋放狀態；
SGND：所有控制信號地線，此端須與驅動電源地線(GND)隔離；
VDC:電機驅動電源,直流1840V,不要求穩壓,可承受-20%+15%的電壓波動;
GND：驅動電源地線，此端須與信號地線(SGND)隔離。
3.2.8 語音模塊
3.2.8.1 前級通道
1.語音輸入級
話筒選用比較普及的駐極體話筒，具有體積小、結構簡單、性價比高的特點。其內部主要部件是一個場效應管，它能夠把普通人聲轉換成5~10mV的電壓信號。
前級通道用來將話筒輸出的微弱語音信號放大到A/D轉換器的輸入范圍內，并盡可能地減少輸入噪聲。電壓放大有如下兩種方案。
(1)同相放大
為了實現信號輸入級與放大級之間的阻抗匹配，在話筒和放大器之間加一級射極跟隨器，起隔離和緩沖的作用。實際電路接法如圖3-29所示。然后根據具體放大倍數設計幾級同相放大器，增益電阻盡量選用電位器，以便調節，前級增益小，作微調，后級增益大，作粗調。同相放大器具有很高的輸入阻抗，形式簡單，采用多級級聯的方式，可以獲得十分高的電壓增益。
(2)差分放大
考慮單端話筒輸入放大會有較大的背景噪聲，因此采用兩只話筒分別接入差分放大器的正、負端，差分放大電路具有十分高的共模抑制比，對語音信號的共模噪聲具有很高的抑制作用。此外，該電路還可以有效地抑制零點漂移和溫漂。
差分放大電路如圖3-30所示。第一級采用雙話筒差分輸入，有效地抑制環境噪聲。其差模電壓增益 為82倍。電容C?，C?，C?，C?為隔直電容，消除直流分量對系統的影響。
值得說明的是，儀表放大器(比如AD620、INA118等)與傳統的差分放大器相比，能進一步減少系統外部竄入的音頻電信號干擾，因此系統設計中可以優先選用儀表放大器。
2.濾波器設計
人聲頻率范圍在300~3400Hz，為盡量減少外界噪聲干擾，防止混頻失真，提高信噪比，必須設計一帶通濾波器，使系統經存儲然后回放的聲音盡量清晰且不失真。濾波要求通頻帶內平坦而過渡帶陡峭。一般情況下，巴特沃斯濾波器通頻帶較為平坦，而采用多階濾波可使得過渡帶更陡峭。所以此處采用4階巴特沃斯低通和4階巴特沃斯高通級聯。低通濾波器的截止頻率為3.4kHz，便
于濾除帶外的高次諧波，以減少因8kHz采樣率而引起的混疊失真。高通濾波器的截止頻率為
300Hz，濾除帶外的低頻信號，以減少帶外工頻等分量的干擾，大大減少噪聲的影響。因為前面有
專門設計的放大電路，所以濾波器的增益為1。由4階巴特沃斯函數極點可以算出其歸一化濾波
器的各元件參數。電路圖如圖3-31所示。
3.2.8.2 后向通道
1.功率放大器
若要實現外放功能，則將信號經功率放大后由揚聲器輸出。功率放大采用通用型的音頻功率
放大器LM386來完成，電路圖如圖3-32所示。其中，C?，C?的作用是電源濾波。因為整個語音模塊的多個集成運放公用一個直流電源，通過電源內阻的耦合有時會產生低頻振蕩。采用電源去調的方法可以有效抑制低頻振蕩。C?對高頻信號形成低阻抗通路，起到高頻濾波作用；C?用作低頻濾波，其最高放大倍數為25。
不過，目前TI公司生產的D類音頻功率放大器TPA2000d2(其引腳圖見圖3-33)或TPA2000d4頗受青睞，常用于音響中的功率放大。以TPA2000d4為例，下面簡單介紹該芯片的用法。
該芯片采用+5V供電，能夠驅動阻抗低至4Ω的揚聲器。由于該芯片采用TI公司的第二代調制技術，其效率和信噪比均得到顯著提高，這使得該芯片可直接與揚聲器連接，而不需要在功放的輸出端外接LC濾波器。放大器的增益可由GAIN1/GAIN2 兩個引腳分別設定為6,12,18,23.5dB。該芯片還集成了耳機放大器，MODE引腳用來選擇放大器類型，其典型應用電路圖如圖3-34所示。
2.平滑濾波
為濾除DAC輸出信號中的高頻分量，可以獨立設計一個多階低通濾波器，也可直接使用圖3-31所示的音頻帶通濾波器。
由于實際采樣脈沖有一定的持續時間(平頂采樣)，抽樣得到的信號的頻譜是由理想的采樣信
3.2.9 無線收發模塊
無線收發模塊的具體應用見本書的第4章。在控制系統中，考慮到系統的規模及控制的靈活性，一般使用集成收發模塊。集成收發模塊不僅控制靈活，且傳送過程中誤碼率低，抗干擾能力強，適合相對運動的物體間不間斷的通信。
此處介紹集成收發模塊RF24L01。該芯片3.3V供電，功耗小，最高工作速率為2Mbps，內置2.4GHz天線，并采用高效的GFSK調制，抗干擾能力強。這款芯片制成了PCB，內置了專門的穩壓電路，使其在各類電源供電的情況下，都有很好的通信效果。該模塊可以通過軟件設置地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，可直接接各種單片機使用，軟件編程十分方便。模塊原理圖如圖3-36所示。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的电赛汇总(二)：常用传感器电路模块设计的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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