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1、2023/6/4,1,第13章 传感器的综合应用-小制作,2023/6/4,2,学习目的,掌握传感器的应用技术了解传感器与检测电路的调试方法,2023/6/4,3,13.1 电阻应变式力传感器制作的数显电子秤 13.2 敲击式电子门铃 13.3 超温报警电路 13.4 水位指示及水满报警器 13.5 光控延时照明灯 13.6 热释电红外探头报警器 13.7 超声波遥控照明灯 13.8 感应式防盗报警器 13.9 吸烟报警器 13.10 触摸式延时照明灯本章小结,主要内容,返回主目录,2023/6/4,4,随着科学技术的发展，传感器几乎渗透到所有的技术领域，如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保
2、护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。本章仅列举传感器在部分检测与控制中的应用，通过这些简单的制作，使读者充分掌握传感器的工作原理及其应用，加深对传感器的理解。,2023/6/4,5,13.1 电阻应变式力传感器制作的数显电子秤,该电子秤是根据应变式传感器的工作原理制作的数字式电子秤，具有准确度高，易于制作、成本低、体积小巧、实用等特点。其分辨率为1g，在2kg的量程范围内经仔细调校，测量精度可达0.5%。,2023/6/4,6,13.1.1 工作原理,图13-1 数显电子秤电路原理图,电阻应变式传感器，采用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值
3、为350,数显面板,提供1.22V基准电压，经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压,A/D转换器,放大电路,2023/6/4,7,13.1.2 元件选择,IC1选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温漂精密运放OP07；IC4选用LM385-1.2V集成块。传感器R1选用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为350。各电阻元件选用精密金属膜电阻。RP1选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。电容C1选用云母电容或瓷介电容。,2023/6/4,8,13.1.3 制作与调试,该数显电子秤外形可参考图13-2形式。其中形变刚件可用普通钢
4、锯条制作，其方法是：首先将锯条打磨平整，再将锯条加热至微红，趁热加工成“U”形，并在对应位置钻孔，以便以后安装；然后再将其加热至橙红色（700800），迅速放入冷水中淬火，以提高其硬度和强度；最后进行表面处理工艺。有条件时，可采用如图13-3所示的准S型传感器。秤钩可用清理胶粘接于钢件底部。应变片则用专用应变胶粘接于钢件变形最大的部位（内侧正中），这时其受力变化与其阻值变化刚好相反。拎环用活动链条与秤体连接，以便使用时秤体能自由下垂，同时拎环还应与秤体在同一垂线上。,图13-2,图13-3 准S型传感器,2023/6/4,9,调试,在调试时，应准备1kg及2kg标准砝码各一个，调试过程如下：零
5、位调整。首先在秤体自然下垂无负载时调整RP1，使显示器读数为零。满量程调整。当秤承担满量程重量时（如2kg），调整RP2，使显示器读数为满量程值。中间位置调整：当秤钩下悬挂1kg的标准砝码时，调整RP3，使显示器读数为1.000。重复第2、3步，直到满足要求为止。最后准确测量PR2、RP3电阻值，并用精密金属膜电阻代替。RP1引出表外，以便于测量前调零之用。,2023/6/4,10,13.2 敲击式电子门铃,该敲击式电子门铃是用压电传感器作为检测元件的。其特点是：当有客人来访时，只要用手轻轻敲击房门，室内的电子门铃就会发出清脆的“叮咚”声。工作可靠、实用性强。,2023/6/4,11,13.2
6、.1 工作原理,图13-4 敲击式电子门铃电路,压电陶瓷片BC固定在房门内侧上，当有人敲击门时，BC受到机械振动后，其两端产生感应电压（压电效应），该电压经VT1放大后，作为触发电平加至IC1和IC2的CP端，使单稳态触发器翻转，IC1的输出端输出低电平脉冲给IC2的R端，IC2开始对敲击脉冲进行计数。延时约1s后，IC1的输出端恢复为高电平，IC2停止计数。当1s内敲击脉冲超过3次时，IC2的输出端会产生高电平脉冲，触发音乐集成电路IC3工作，IC3的O/P端输出音乐电平信号，该信号经VT2和VT3放大后，推动扬声器BL发出“叮咚”声。,拾音放大器,单稳态触发器,脉冲计数器,音乐发生器,音频
7、放大器,压电陶瓷片,2023/6/4,12,13.2.2 元器件选择,R1R7均选用RTX-1/8W碳膜电阻器。CIC3均选用涤纶电容器或独石电容器；C4C6均选用CD11-16V的电解电容器。VT1用9014或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数150；VT2选用9013或3DG12、3DK4型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数100；VT3选用9012型硅PNP中功率三极管，要求电流放大系数50。IC1选用CD4013双D触发器数字集成电路；IC2选用CD4017十进制计数分频器数字集成电路；IC3选用KD2538音乐集成电路。BL选用0.25W、8微型电动式扬声器。BC用
8、27mm的压电陶瓷片，如FT-27等型号。G用两节5号干电池串连而成，电压3V。,2023/6/4,13,13.2.3 制作与调试,IC3芯片通过4根7mm长的元器件剪脚线插焊在电路板上；除压电陶瓷片BC外，焊接好的电路板连同扬声器BL、电池G（带塑料架）一起装入绝缘材料小盒内。盒面板为BL开出拾音孔；盒侧面通过适当长度的双芯屏蔽线引出到压电陶瓷BC。实际安装时，将压电陶瓷片BC通过502胶粘贴在大门背面正对个人常敲门的位置（一般离地面1.4m左右），门铃盒则固定在室内墙壁上。,2023/6/4,14,13.3 超温报警电路,本超温报警电路是采用LM45C贴片式温度传感器设计的，报警温度可任意
9、设定，超过设定温度时会发出声、光报警信号。,2023/6/4,15,13.3.1 工作原理,当探头LM45C所在环境超过设定温度时，CA3140比较器的6脚输出高电平，三极管VT导通，VL发光，HA发声以示超温报警。比较器有一定的滞后，这是为了防止测量温度在阈值温度上下波动时，产生不稳定的报警声。,图13-5 超温报警电路,贴片式温度传感器,基准电压源,运算放大器组成的比较器,设定报警温度（每10mV相当于1）,2023/6/4,16,13.3.2 元器件选择,IC1选用美国国家半导体公司生产的LM45C贴片式温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，灵敏度为10mV/，不需要调整。IC2选用运
10、算放大器CA3140。VS采用2.5V硅稳压二极管，如LM4431；VL采用3mm高亮度发光二极管。VT采用9013或3DK4型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数100。R1R7选用RTX-1/8W碳膜电阻器。RP采用WSZ-1型自锁式有机实心电位器。C1C4均采用CT1瓷介电容器；C5选用CD11-10V的电解电容器。HA采用语音报警专用电喇叭。电源选用直流5V稳压电源。13.3.3 制作与调试由于本电路较简单，按电路图焊接安装好后，一般不需要调试即可使用。,2023/6/4,17,13.4 水位指示及水满报警器,该水位指示报警器可用于太阳能热水器的水位指示与控制。太阳能热水器一般都设在
11、房屋的高处，热水器的水位在使用时不易观察，给使用者带来不便。使用该水位报警器后，可实现水箱中缺水或加水过多时自动发出声光报警。,2023/6/4,18,13.4.1 工作原理,当水箱无水时，由于180k电阻的作用，使4个开关的控制端部为低电平，开关断开，发光二极管VL1VL4不亮。随着水位的增加，加之水的导电性，使得IC的13脚为高电平，S1接通，VL1点亮。当水位逐渐增加时，VL2、VL3依次发光指示水位。水满时，VL4发光，显示水满。同时VT导通，B发出报警声，提示水已满。不需要报警时，断开开关SA即可。,图13-6 水位指示与水满报警电路,四双向模拟开关集成电路CD4066和相关元器件组
12、成。每个电路内部有4个独立的能控制数字或模拟信号传送的开关,2023/6/4,19,13.4.2 元器件选择,IC选用四双向模拟开关集成电路CD4066。VT用9013或8050、3DG12、3DX201型硅NPN中功率三极管，要求150。VL1VL4用F5mm高亮度红色发光二极管。R用RTX-1/8W碳膜电阻器。B用YD57-2型8圈式扬声器。电源可用4节1.5V电池或6V直流稳压电源。,2023/6/4,20,13.4.3 制作与调试,制作时可制作一个简易面板。并根据实际情况及个人爱好选择合适的报警器B。调试时将五个探知电极安置水盆的不同水位高度，接通水位报警电路，给水盆中慢慢加水，在各种
13、不同水位对电路报警效果进行调整。,2023/6/4,21,13.5 光控延时照明灯,光控延时照明灯，采用红外发光二极管及光敏三极管作为双重光控元件，用于走廊楼道照明.,2023/6/4,22,13.5.1 工作原理,图13-7 光控延时照明灯电路原理图,时基集成电路IC与电位器RP、电容器C1构成单稳态触发器,光控电路,红外光控电路,2023/6/4,23,当有人进入光控区后，遮挡光照使VTL1截止，IC的2脚变为高电平，人走出光控区后，IC的2脚加入负脉冲，使其内部的触发器翻转，IC的3脚输出高电平，使VT受触发而导通，照明灯EL被点亮。待IC暂态结束后，其3脚恢复低电平，使VT截止，照明灯
14、EL熄灭。,在白天有光时，VTL2呈现导通状态，使IC的4脚（复位端）为低电平，整个控制电路白天不工作。在晚上，VTL2因无光照射而呈现截止状态，IC的4脚变为高电平，整个控制电路开始工作,若光控区无人时，则VL发出的红外线使VTL1导通，IC的第2脚为恒定的低电平，3脚输出低电平，VT截止，照明灯EL不亮（因为只有IC第2脚有负脉冲输入时，其内部的触发器才动作，IC的3脚才输出高电平）,2023/6/4,24,13.5.2 元器件选择,IC选用NE555、A555、SL555等时基集成电路。VL选用HG501中功率红外发射二极管；VTL1、VTL2选用3DU系列的光敏三极管。VT选用MAC9
15、7A6小型塑封双向晶闸管，可驱动100W以下的白炽灯泡，使用时应加散热片；VD选用1N4004型等硅整流二极管。RP选用WS型小型精密电位器；R1R4、R6均选用RTX-1/4W碳膜电阻器；R5选用RTX-2W碳膜电阻器。C1选用CD11型电解电容器；C2选用CT4D型独石电容器或CL11型涤纶电容器；C3选用CBB-400V型聚丙烯电容器。,2023/6/4,25,13.5.3 制作与调试,定时电路中除VL、VTL1、VTL2、EL外，其余元件焊在电路板上，装入塑料盒内，固定在走廊墙壁上。VTL2光敏三极管装在楼梯窗外，使其感受到白天光照。VL、VTL1分别安装在走廊两侧墙壁上，离地面约90
16、cm。在光敏三极管VTL1前面可加装红色有机玻璃，以防止其它光源干扰。调节电位器RP的阻值，使其定时为20s左右。将VL对准VTL1，再分别安装好（可通电试验，用手遮挡住VL，再松开，观察灯EL是否点亮，以此来检查VL 与VTL1是否对准）即可。,2023/6/4,26,13.6 热释电红外探头报警器,热释电红外探头报警器由新型热释电式红外探头和语音集成电路等组成，是一种体积小、无须外部接线、使用方便的便携式报警器。每当它的前方5m范围内有人活动时，便会立即发出“嘟嘟，请注意！”的告警声。其最大的特点是白天和晚上都能正常工作，可广泛用于家庭防护、误入危险区域警示、商店营业部来客告知及外出旅行度
17、假时安全防范等场所。,2023/6/4,27,13.6.1 工作原理,图13-8 热释电红外探头 报警器的电路图,热释电式红外探测头,是一种被动式红外检测器件，它能以非接触方式检测出运动人体所辐射出来的红外能，并将其转化为正脉冲电信号输出；同时，它还能有效地抑制人体辐射波长以外的红外光和可见光的干扰。,语音集成电路,2023/6/4,28,图13-8 热释电红外探头 报警器的电路图,当有人进入监视区域内时，IC1的OUT脚输出与运动人体频率基本同步的正脉冲信号。该信号直接加到IC2的触发端TG脚，使IC2内部电路受触发工作，由其OUT脚输出内储的“嘟嘟，请注意！”电信号，经三极管VT功率放大后
18、，推动扬声器B发出响亮的告警声。电路中，R为IC2外界时钟振荡电阻器，其阻值大小影响语音声的速度和音调。C为滤波电容器，主要用来降低电池G的交流内电阻，使B发声更加纯正响亮。,2023/6/4,29,13.6.2 元器件选择,IC1选用MP01型热释电式红外探测头，它将菲涅耳透镜、热释电传感器、单片数模混合集成电路组合在一起，构成了一个坚固、小巧、易安装的“一体化”器件。MP01采用TO5封装，典型尺寸为1114.5mm。它共有三个引脚：即电源正极端VDD、信号输出端OUT和公共地端GND。由于MP01是靠感应热释红外线工作的，所以在夜间也能很容易地检测到运动的人体。IC2选用HFC5212型
19、“嘟嘟，请注意！”语音集成电路。VT用8050型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数100。R选用RTX-1/8W碳膜电阻器。C选用CD11-10V型电解电容器。B用YD58-1型小口径8、0.25W动圈式扬声器。SIC用1x1小型拨动开关。G用三节5号干电池串联（须配塑料电池架）而成，电压4.5V。,2023/6/4,30,13.6.3 制作与调试,IC2芯片可通过5根7mm长铜丝直接插焊在电路板对应数标孔内。焊接时注意：电烙铁外壳一定要良好接地，以免交流感应电压击穿IC1、IC2内部COMS集成电路。焊接好的电路全部装入合适的塑料小盒内。盒面板开孔伸出IC1探测镜头，并为B开出放音孔。盒
20、侧面开孔固定SA。制作成的热释电红外探头报警器，一般无须任何调试便可投入使用。如果IC2语音声的音调或速率不理想，可通过更改IC2外接振荡电阻R阻值（620k1.2M)来加以调整。R阻值大，语音声速慢且低沉；反之，则语音声速快且尖高。实际使用时，热释电红外探头报警器可放在任何需要对人体进行监视的地方（或固定在墙上），将IC1探测镜头正对着来人方向即可。该报警器的有效监视范围是一个半径5m、圆心角达100的扇形区域。由于本装置实测静态总电流小于0.2mA，故用电十分节省。每换一次新干电池，一般可连续使用数个月时间。,2023/6/4,31,13.7 超声波遥控照明灯,超声波遥控照明灯，采用专用超
21、声波发射集成电路，工作可靠，性能稳定。,2023/6/4,32,13.7.1 工作原理,图13-9 超声波遥控照明灯电路图,超声波发射专用集成电路，它的外围电路极为简单，当按下按键SB时，超声波发射换能器B1即向外发射频率为40kHz的超声波,超声波接收换能器,前置放大器,声控专用集成电路,电子开关,2023/6/4,33,如果再按一下发射器SB，接收控制器收到信号后，IC2的第12脚就会翻转回低电平，VT2截止，电灯EL熄灭。,R3、R4组成分压器，且R4的阻值略大于R3，因而使IC2的输入端第1脚静态直流电平略高于1/2VDD，可使声控集成电路IC2处于最高接收灵敏度状态。,低电平,截止,
22、不动作,不亮,动合触点K1打开,按一下发射器的按键,接收到的超声波信号并将其转变为相应的电信号,前置放大,内部触发翻转,高电平,导通,吸合,通电发光,2023/6/4,34,13.7.2 元器件选择,IC1选用NYKD40T超声遥控发射专用集成电路，它采用金属壳封装，该集成块工作电压为9V,工作电流约为25mA，有效发射距离为10m；IC2采用BH-SK-I型声控集成电路，它采用黑膏软封装。B1为压电陶瓷型超声波发射换能器，型号为UCM-T40；B2为与B1相配套的超声波接收换能器，型号为UCM-R40。发射器为了力求体积小巧，电源G应采用6F22型9V层叠式电池；接收控制器则采用交流电降压整
23、流供电，T选用220V/2V、8W优质成品电源变压器；K为JZC-22F、DC12V小型中功率电磁继电器，其触点容量可达5A。VT1选用9014或3DG8型硅NPN小功率三极管，要求电流放大系数200；VT2选用9013、3DG12、3DK4、3DX21型硅NPN中功率三极管，要求电流放大系数100；VD1、VD2均选用1N4001型硅整流二极管；VS选用6V、0.5W硅稳压二极管，如2CW21C、1N5233型等。C1、C2选用CT1型瓷介电容器；C3、C4选用CD11-16V型电解电容器。所有电阻均选用RTX-1/8W碳膜电阻器。,2023/6/4,35,13.7.3 制作与调试,将焊接好
24、的电路板装入体积合适的绝缘小盒内，注意在盒面板为B2开出接收孔。按图13-9b选择元器件参数，一般不需要调试，即能可靠稳定工作，有效工作半径为10m左右。,2023/6/4,36,13.8 感应式防盗报警器,该防盗报警器采用多普勒传感器，具有灵敏度高、监视范围广等特点，适用于仓库或庭院作夜间防盗之用.,2023/6/4,37,13.8.1 工作原理,图13-10 感应式防盗报警器电路,多普勒传感器,通过外接环形天线W向周围空间发射微波信号,低频放大器,声响报警电路,电子开关、延时电路,天线,2023/6/4,38,即使侵入者远离监视区域，报警器也会持续报警一段时间（约25s）。,无人进入防盗监
25、视区内时,有人进入IC1的监视区域内活动时,输出恒定的直流电压,报警电路不动作,接受到被人体反射回来的微波信号,输出脉动电压,导通,低电平,高电平,饱和导通,报警电路动作，反复发出响亮的“有贼，抓贼呀”的报警声,2023/6/4,39,13.8.2 元器件选择,IC1选用RD627多普勒传感器模块；IC2选用NE555时基集成电路。VT2选用3DK4开关三极管；VT1和VT3选用8050型NPN中功率三极管，要求电流放大系数100。R1R5选用RTX-1/4W碳膜电阻器。C1C4、C6和C7均选用CD11-16V的电解电容器；C5选用涤纶电容器。HA选用专用内置语音集成电路和扬声器的高响度声响
26、报警器。天线W可选用黑白电视机特高频(UHF)用室内环形天线（天线与IC1的1脚、2脚之间用阻抗为7馈线连接）。电源选用12V直流稳压源。,2023/6/4,40,13.8.3 制作与调试,按电路图焊接好后，即可通电调试。调整电阻器R4和电容器C4的数值，可决定报警时间的长短。,2023/6/4,41,13.9 吸烟报警器,该报警器安装在不宜吸烟的场合，当有人吸烟而烟雾缭绕时，会发出响亮刺耳的语言“不要吸烟”，以提醒吸烟者自觉停止吸烟,2023/6/4,42,13.9.1 工作原理,图13-11 吸烟报警器电路,气敏传感器,稳压在4.2V，为语音集成电路IC2和VT供电,语音集成电路,升压功放
27、报警器,单稳态触发器,2023/6/4,43,表面吸附了烟雾或可燃性气体时,B、L极间阻值减小,电位下降,电位下降，下跌到1/3VDD时，IC1的2脚受触发,输出高电平,输出语音信号,发出响亮的报警语音,虽然单稳态电路延时时间按图设定为10s,但只要室内的烟雾或可燃性气体不被驱散，IC1 的2脚的电位总不大于1/3VDD，它将一直输出高电平持续报警，只有烟雾消除后，MQK-2的B、L极间阻值复原至30k以上，且2脚的电位大于1/3VDD后，IC1才翻转输出低电平，从而停止报警。,2023/6/4,44,13.9.2 元器件选择,气敏传感器选用MQK-2型气敏元件；IC1选用NE555或LM55
28、5等时基集成电路；IC2选用LH-169A型语音集成电路；IC3选用升压功放模块TWH68。VT用9015或3CG21型硅PNP小功率三极管，要求100。VD用普通硅二极管1N4148。RP1、RP2用WH7-A型立式微调电位器。R1R7选用RTX-1/8W碳膜电阻器。C1、C2、C4用CD11-10V的电解电容器，C3选用CC1型瓷介电容器。B用8、0.25W小口径电动式扬声器。,2023/6/4,45,13.9.3 制作与调试,电源可用6V/0.5A的直流稳压电源供电。整个电路全部组装在体积合适的绝缘小盒（如塑料香皂盒）内。盒面板开孔固定气敏元件，并为扬声器B开出释音孔。调试时先将限流电位
29、器RP1旋至阻值最大处，然后通电，这样可防止大电流冲击损坏MQK-2的加热丝，微调RP1使气敏元件加热的灯丝电压为5V,这时流过加热极电流为130mA左右。注意，必须在MQK-2灯丝预热10min，气敏元件的电阻处于正常工作状态后，再调节RP2使C点的电位略大于2V即可。,2023/6/4,46,13.10 触摸式延时照明灯,触摸式延时照明灯，采用二线制接法，不必更改原有布线，是一款简单、实用的照明灯控制电路，非常适用于楼道、走廊、卫生间等场所。,2023/6/4,47,13.10.1 工作原理,图13-12触摸式延时照明灯电路图,灯光控制器的主电路,双D触发器数字集成电路,单稳态电路,稳态输
30、出时输出端Q即1脚输出低电平,指示开关位置的，便于在夜间寻找开关,触摸电极片,充电时间，电路的延时时间,2023/6/4,48,Q脚输出低电平,无人触摸时,关断,点亮,Q脚输出高电平,触发,不亮,有人触摸时,人体感应的杂波信号经电阻R1加至集成块的CP端,另一路经电阻器R3向电容器C1充电，使集成块的复位端R即4脚的电平不断上升，当升至阈值电平时电路复位，单稳电路翻回到稳定状态，1脚恢复到原来的低电平，VT因失去触发信号，当交流电过零时即关断，灯EL熄灭,2023/6/4,49,13.10.2 元器件选择,IC选用CD4013型双D触发器数字集成电路，本电路只用其中一只完好的D触发器。VT可选
31、用普通小型塑料单向晶闸管，如MCR100-8、2N6565、BT169型等；VD1VD4选用1N4004或1N4007型等硅整流二极管；VS选用12V、0.5W型稳压二极管，如2CW60-12、1N5242、UZ-12B型等；VL选用5mm圆形红色发光二极管。R5最好选用RJ-1/4W型金属膜电阻器，其余电阻均选用RTX-1/8W碳膜电阻器。C1、C2采用CD11-25V的电解电容器；C3选用CT1瓷介电容器。触摸片M可用镀铬或镀锡铁皮剪制，然后用502胶粘贴在开关面板上。,2023/6/4,50,13.10.3 制作与调试,本控制器在接入照明线路时，控制器与电源相位（即相线与零线位置）必须按
32、图所示位置连接，若接反了，电路则不能正常触摸工作。其接线是遵循相线进开关这一规范的，而且它对外也仅有两根引出端子，所以接线方便。电路的延时时间取决于R3与C1的充电时间常数，更改其数值可以获得所需的延迟时间。,2023/6/4,51,本章小结,随着科学技术的发展，传感器几乎渗透到所有的技术领域，如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。本章列举了电阻应变式力传感器在数显电子秤、压电式传感器制作的敲击式电子门铃、温度传感器制作的超温报警器、导电水位传感器制作的水满报警器、光电传感器制作的光控延时照明灯、红外传感器制作的热释电红外探头报警器、超声波在遥控照明灯、感应式防盗报警器、气敏传感器制作的吸烟报警器、触摸式延时照明灯等传感器在部分检测与控制中的应用，通过这些简单的制作，使读者充分掌握传感器的工作原理及其应用，加深对传感器的理解。,2023/6/4,52,Take a Brake,休 息 一 下,返回主目录,
