《智能传感器技术及应用》实验指导书

《智能传感器技术及应用》实验指导书万振武编写武汉理工大学华夏学院2014年7月实验一 扩散反射式光电开关应用实验一、实验目的1.熟悉软件开发环境，熟练运用下载软件下载程序，熟练运用串口调试软件进行串口调试。

2.了解本实验中扩散反射式光电开关的结构；3.会应用串口调试软件测试光电开关。

4.掌握舵机的控制方法5.搭建光电循线机器人并编程实现机器人走直线。

二、实验原理1. 光电开关的检测原理图1-1 光电开关原理图光电开关原理如图1-1所示。

当图中光电探头前面为浅色物体时，发光二极管发出的光被反射回探头，光电三极管导通，信号端S 输出低电平；当光电探头前面为深色物体时，发光二极管发出的光被吸收，没有光线反射回探头，光电三极管截止，信号端S 输出高电平。

2.舵机的控制原理舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于角度需要不断变化并可以保持的控制系统。

其工作原理是：控制信号进入信号调制芯片，这时会获得直流偏置电压。

舵机内部本身有一个基准电路，产生脉宽为1.5ms ，周期为20ms 的基准信号，直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

该电压差的正负输出到电机驱动芯片，决定电机的正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，一直到电压差为0，电机停止转动。

如图所示高电平持续1.5ms ，低电平持续20ms ，然后不断重复的控制脉冲序列。

如果将该脉冲序列发给经过零点标定后的伺服电机，伺服电机不会旋转如图1-2所示。

如果此时电机旋转，表明电机需要进行零点标定。

从图1-3、图1-4可知，控制电机运转速度是高电平持续的时间，当高电平持续的时间为1.3ms时，电机按图中顺时针方向旋转；当高电平持续的时间为1.7ms 时，电机按图中逆时针方向旋转。

图1-2 1.5ms控制脉冲系列电机转速为零的控制信号时序图图1-3 1.3 ms的控制脉冲系列使电机全速顺时针旋转的时序图图1-4 1.7 ms的控制脉冲系列使电机全速逆时针旋转的时序图三、实验设备1.实验开发板、不锈钢车体2.万用表、工具箱3.光电开关三个四、实验内容1.利用串口调试软件测试光电开关利用串口调试助手，在上位机上观测光电传感器在不同色度的物体表面反馈回来的电平。

#include<uart.h>#include<testqti.h>int main(void){uart_init();While(1){printf("qti=%d",p2_3_state());printf("qti=%d",p2_2_state());printf("qti=%d\n",p2_1_state());delay_nms(500);}}2.实现机器人线跟踪根据光电传感器信号组合形式编写应用程序，实现机器人线跟踪。

表1-1 使用三个光电传感器的策略表五、任务拓展1.设计一个线跟踪机器人可以沿着一根黑线来回往复行走。

2.设计一个线跟踪机器人可以沿着一根黑线来回往复行走，而不用掉头。

实验二压电式超声波传感器应用实验一、实验目的1.进一步熟悉软件开发环境，熟练运用下载软件下载程序，熟练运用串口调试软件进行串口调试。

2.了解本实验中压电式超声波传感器的结构；3.编写超声波测距程序并用串口调试软件观测。

4.搭建超声波机器人并编程实现机器人智能漫游。

二、实验原理1.压电式超声波传感器工作原理超声波是指振动频率大于20KHz以上,频率甚高，超出了人耳听觉上限（20KHz）而听不见的一种声波。

超声波发生器实际上是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。

其内部由两个压电晶片和一个锥形振子构成，当它的两极外加电压脉冲信号，压电元件就变形引起空气振动，当脉冲信号频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动锥形振子振动，便产生超声波。

而超声波接收器是利用正向压电效应制成，如果压电晶片两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，将机械能转换为电能，就产生和超声波频率相同的高频电压。

这种电压非常小，通过放大后送后级电路处理。

2.超声波传感器的测距原理超声波测距原理是，超声波传感器发出声波，在空气中传播，遇到障碍物后发生反射，传回超声波传感器，通过这个时间差计算出障碍物离本体的距离。

触发信号模块内部发出信号输出回响信号图图2-1 超声波传感器工作时序图以上时序表明只需提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz的周期电平并检测回波。

一旦探头检测到回波信号则输出回响信号。

回响信号的脉宽会与所测的距离成正比。

由此可以通过从发射信号到收到回响信号的时间差计算得到距离。

计算公式：距离=高电平持续时间*声速（340m/s）/2。

三、实验设备1.实验开发板、不锈钢车体2.万用表、工具箱3.超声波传感器一个。

四、实验内容1.利用串口调试软件检测超声波测距数据。

超声波测距子程序的作用是实现测距功能。

在触发脉冲作用下，超声波发射器发射超声波，通过TRIG端口检测确认超声波是否发送完毕，然后单片机定时计时器开始计数，超声波接收器收到反射波后立即停止计数，从而测出发射超声波和接收回波的时间差T，然后求出距离L。

如果机体前方没有物体，为避免死循环，通过判断定时计数器是否溢出来解决。

流程图如图2-2所示：图2-2 超声波测距流程图2.实现机器人智能避障编写程序，利用超声波传感器探测物体距离，并根据距离长短做出不同的运动略。

表2-1五、任务拓展利用超声波传感器寻找最近的目标，随后朝最近的目标运动。

实验三 红外传感器应用实验一、实验目的1.进一步熟悉软件开发环境，熟练运用下载软件下载程序，熟练运用串口调试软件进行串口调试。

2.了解本实验中红外传感器的结构；3.运用串口调试软件测试红外传感器；4.搭建红外避障机器人并编程实现机器人走简易迷宫。

二、实验原理红外传感器选用红外对管，发射管发射波长范围在938-940 nm 的红外光，接收管有内置的光滤波器，除了需要检测的940 nm 波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。

另外，接收管内还有一个电子滤波器，它只允许大约38.5 kHz 的电信号通过，有效防止了普通光源的干扰。

图3-1为红外发射电路。

图3-2为红外接收电路。

图3-1 图3-2 图3-1中555时基电路构成多谐振荡器，振荡频率为 通过选择合适的参数，使其振荡频率为38.5K 左右，满足接收管电子滤波器的频率要求。

三、实验设备1.实验开发板、不锈钢车体2.万用表、工具箱3.红外传感器三个 四、实验内容1.利用串口调试软件检测红外传感器检测信号CR R R f )2(43.1321++=利用串口调试助手，在上位机上观测红外传感器检测障碍物的反馈信号，当有障碍物的时候输出高电平，没有障碍物的时候输出低电平。

#include<uart.h>#include<testhw.h>int main(void){uart_init();While(1){printf("hw=%d",p2_3_state());printf("hw =%d",p2_2_state());printf("hw=%d\n",p2_1_state());delay_nms(200);}}2.实现机器人走简易迷宫编写程序，利用红外传感器判断机器人周围障碍物的情况，实现机器人在如图3-3的简易迷宫中行走。

图3-3 简易迷宫五、任务拓展自主设计一个简易迷宫，并能找到出口。

实验四颜色传感器应用实验一、实验目的1.进一步熟悉软件开发环境，熟练运用下载软件下载程序，熟练运用串口调试软件进行串口调试。

2.了解本实验中颜色传感器的结构；3.运用串口调试软件测试颜色传感器；4.搭建颜色识别机器人并编程实现机器人色彩导航。

二、实验原理实验中用到的颜色传感器TCS230，把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，其输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。

能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，不再需要A/D转换电路，电路更简单。

图4-1是TCS230的引脚和功能框图。

图4-1 引脚和功能框图S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。

表4-1是S0、S1及S2、S3的可用组合。

表4-1 S0、S1及S2、S3的组合选项三、实验设备1.实验开发板、不锈钢车体2.万用表、工具箱3.颜色传感器四、实验内容1.正确搭建颜色传感器电路图4-2 颜色传感器接线图2.运用串口调试软件测试颜色传感器编写颜色传感器的测试程序，驱动传感器正常工作，读取输出结果并通过串口发送给电脑，检查是否能输出正确的RGB值。

设计原理是：设置定时器为一固定时间(250ms)，然后选通三种颜色的滤波器测试人为认为是白色的物体，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。

在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。

通过串口以9600bps的波特率连接单片机，即可看到输出的RGB值。

3.实现机器人色彩导航让机器人在如图4-3所示的场地中，依靠颜色传感器，在黄色为边缘的场地内巡航，并找到以黑色示意的出口后停下，其中的彩色线条为干扰，以检验颜色RGB值的范围是否准确有效。

图4-3 颜色传感器地图五、任务拓展自主设计一个更复杂的颜色地图，并能找到出口。