项目一 体验传感器技术

项目目标

灵活运用Arduino传感器套件，借助ArduBlock积木式程序编辑工具，制作楼道人体感应灯和光控路灯，实现环境检测报警、红外测距等功能。通过实践操作环节体验传感器在自动控制技术中的作用，认识传感器类别和具体产品及应用。

知识准备

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。Arduino所支持的数字传感器覆盖了99%的市场，它能够实现将模拟输入转换为数字输入，可以将光线、温度、声音或者市场上已有的任何低成本的传感器信号输入，进行识别，具有广泛的适用性。

Arduino传感器套件由Arduino主板、扩展板和大量的传感器配件组成。

1.Arduino实验环境的搭建

Arduino实验环境搭建步骤如下。

（1）软件下载与安装

Arduino开发软件下载地址为http://arduino.cc/en/Main/Software，将下载到的压缩包解压到硬盘。根据向导安装好Arduino开发环境，安装完毕后所呈现的软件图标如图1-1所示。

（2）驱动安装

将Arduino开发板通过 USB数据线连接到计算机，连接方式如图1-2所示，连接后系统会提示“发现新硬件Arduino UNO”，引导我们进入“找到新的硬件向导”窗口，如图1-3所示。

安装Arduino UNO所需的驱动，选取其中的“从列表或指定位置安装（高级）”选项后单击“下一步”按钮。Arduino UNO驱动放在Arduino 1.0.5安装目录下的drivers文件夹中，如图1-4所示，我们需要指明该目录为安装驱动时搜索的目录，如图1-5所示。

单击“下一步”按钮后，系统就开始查找并安装 Arduino 驱动程序，如图1-6所示。如果一切正常的话，可以在Windows设备管理器中找到相应的Arduino串口，如图1-7所示的效果。

2.ArduBlock基本介绍

开发软件与驱动安装完毕后，打开调试环境，如图1-8所示，在“Tools”菜单的“Serial Port”菜单项中选择新增的串口号，如“COM23”。在“Tools”菜单中选择“ArduBlock”可以打开如图1-9所示的积木式程序编辑器，它包含控制、引脚、常用计算、实用命令等工具面板，各工具模块的使用方法将会在后续所涉及的实验中详细讲解。

项目实施

任务1 制作楼道人体感应灯

1.实验器材

实验器材包括主控板一块、扩展板一块、LED 灯模块（红灯）一个、人体热释电红外传感器一个、绿红黑数字连接线二条、数据线一条、PC一台。如图1-10所示。

2.功能说明

当人员接近（在7米之内）人体热释电红外传感器时，LED灯（白）点亮；当人员远离（在7米之外）该传感器时，LED灯（白）熄灭。这一效果与楼道人体感应灯功能相拟。当楼道有人员经过时，人体红外传感器感受与识别出人的存在，则楼道灯自动开启；当人离开时，楼道灯自动熄灭这样不仅方便路人行走，而且起到了节能的功效。

3.物理连接

首先，将扩展板的针脚对齐插入主控板的针槽内，使二者相连接，其中14针这一侧如图1-11（a）所示，对齐红蓝针槽插入，18针那一侧如图1-11（b）所示，对齐绿色针槽插入。

然后，用绿红黑数字连接线将LED灯模块、人体红外传感器与扩展板数字针脚相连接，针脚与针槽按颜色对齐插入，并记住所使用的针脚号。扩展板针脚布局如图1-12所示。该实验要求LED灯模块使用数字3#针脚，人体红外传感器使用数字5#针脚，连接效果如图1-13所示。

最后，用数据线将主控板与PC相连，供电后主控板指示灯点亮。

4.程序编辑与运行

对照图1-14或图1-15完成楼道人体感应灯程序的编写与运行。其中图1-14采用实际产品模块来搭建，图1-15采用通用模块来搭建，二者实现的效果是一样的。

主程序中包含一个“如果/否则”的判断。当人体感应传感器感应到人的存在时，5#针脚将获得逻辑“真”值，此时会通过3#针脚执行 LED 灯开启的操作；当人离开时，5#针脚获得逻辑“假”值，此时会通过3#针脚执行LED灯关闭的操作。由于主程序一直处于运行状态， LED灯将会一直随着人的移动而智能地开关。

知识小链接：热释电红外传感器

热释电红外传感器是一种新型敏感元件，由高热电系数材料、滤光镜片、阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的外干扰辐射，如阳光、灯光、反射线等，可以应用于各种需要检测运动人体的场合。由该传感器做成的热释电红外开关能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、空调等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房、教室、过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

试一试

借助楼道红外感应灯实验的成功经验，制作红外感应报警器，当有人员进入某个区域时， LED报警灯（即红灯）自动开启，同时蜂鸣器自动鸣叫，直到人员离开为止。

任务2 设计光控路灯

1.实验器材

实验器材包括主控板一块、扩展板一块、LED 灯模块（白灯）一个、环境光传感器一个（见图1-16）、绿红黑数字连接线一条、蓝红黑摸拟连接线一条、PC一台。

2.功能说明

当环境光线不足时，即光传感器所输出的数值低于某值时，LED 灯（白）点亮，直到输出值高于该值时，LED 灯（白）才熄灭。这一效果与光控路灯功能相似。当外界光线暗淡需要照明时，路灯自动打开；光线足够时，路灯自动关闭。如果路灯的光亮度可调的话，还可以根据光传感器获得的光线值来补偿光线，这样不仅方便路人行走，而且起到了节能的功效。

3.物理连接

用绿红黑数字连接线将LED灯模块与扩展板数字针脚相连接，用蓝红黑模拟连接线将环境光传感器与扩展板模拟针脚相连接，针脚与针槽按颜色对齐插入，并记住所使用的针脚号。该实验要求LED灯模块使用数字3#针脚、环境光传感器使用模拟0#针脚，连接效果如图1-17所示。

4.程序编辑与运行

对照图1-18完成光控路灯程序的编写与运行。首先从模拟0#号针脚中获得光照数值，并赋值给变量 light；然后在串口监视器中动态呈现光照值，为了防止数字变化过快，可以让每一次的呈现都延迟200ms。如图1-19所示，左侧窗口是自然状态下所呈现出的光照值情况，右侧窗口是用手遮挡住环境光传感器后所呈现出的光照值情况；最后根据light变量值进行“如果/否则”判断。当变量值小于30时，则通过3#针脚执行LED灯开启的操作；当变量值大于等于30时，则通过3#针脚执行LED灯关闭的操作。由于主程序一直处于运行状态，LED灯将会一直依据光线亮度智能地开关。

知识小链接：环境光传感器

基于PT550环保型光敏二极管的光线传感器，可以用来对环境光线的强度进行检测。通常用来制作随光线强度变化产生特殊效果的互动产品。环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光强度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另外，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度，实现自动调节亮度。

试一试

借助光控路灯实验的成功经验，制作噪音检测器，当噪音值高于某值时，LED报警器（即红灯）自动开启，同时蜂鸣器自动鸣叫，直到该值降低到正常状态后停止。

任务3 制作环境检测报警器

1.实验器材

实验器材包括主控板一块、扩展板一块、LED灯模块（红灯）一个、LED灯模块（绿灯）、一个、LM线性温度传感器一个、火焰传感器一个（见图1-20）、绿红黑数字连接线两条、蓝红黑摸拟连接线两条、打火机一个、PC一台。

2.功能说明

通过温度传感器获得当前环境下的温度值，通过火焰传感器检测火源情况。当温度高于某值时，LED灯（绿）点亮报警；当检测火焰光谱值低于某值时，LED灯（红）点亮报警。

这一效果可以模拟环境检测报警器的功能。当环境状态值（如温度、湿度、一氧化碳浓度等）发生变化，相关传感器能快速检测到这些状态，并通过报警灯、蜂鸣器等方式进行报警，促使我们生活的环境更加安全。

3.物理连接

用绿红黑数字连接线将LED灯（红）模块和LED灯（绿）模块分别与扩展板数字3#和数字7#针脚相连接。用蓝红黑模拟连接线将LM线性温度传感器和火焰传感器与扩展板的模拟0#针脚和模拟5#针脚相连接。针脚与针槽按颜色对齐插入，并记住所使用的针脚号。连接效果如图1-21所示。

4.程序编辑与运行

对照图1-22完成环境检测报警器程序的编写与运行。首先从模拟0#针脚中获得火焰光谱值，从模拟5#针脚获得温度值，分别赋值给变量flame和temp，其中温度值的换算公式为（temp×5）÷10；然后在串口监视器中动态交替呈现火焰光谱值和温度值，为了防止数字变化过快，可以加上1000ms的延迟时间。如图1-23所示，左侧监视器窗口是自然状态下所呈现出的火焰光谱值和温度值情况，右侧窗口是用手握住温度传感器促使升温后所呈现出的温度值情况和用打火机火焰靠近火焰传感器后所检测到的状态；最后根据flame和temp变量的值分别进行“如果/否则”判断，当temp值大于40℃时，则通过3#针脚执行LED灯（绿）开启的操作；当flame值小于等于1010时，则通过7#针脚执行LED灯（红）开启的操作。由于主程序一直处于运行状态，两盏LED灯将会持续根据传感器所感受到的状态值进行智能报警。

知识小链接：温度传感器与火焰传感器

（1）温度传感器

基于 LM35半导体的温度传感器，可以用来对环境温度进行定性检测。温度测量常用的传感器包括热电偶、铂电阻、热敏电阻和半导体测温芯片，其中热电偶常用于高温测量，铂电阻用于中温测量（800℃左右），而热敏电阻和半导体温度传感器适合于100℃以下的温度测量，其中半导体温度传感器的应用简单，有较好的线性度和较高的灵敏度。LM35半导体温度传感器是美国国家半导体公司生产的线性温度传感器。其测温范围是﹣40～150℃，灵敏度为10mV/℃，输出电压与温度成正比。LM35线性温度传感器与Arduino专用传感器扩展板结合使用，可以非常容易地实现与环境温度感知相关的互动效果。

（2）火焰传感器

火焰传感器可以用来探测火源或其他波长在760～1100nm范围内的光源。在灭火机器人比赛中，火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源。利用它可以制作灭火机器人。本实验所采用的火焰传感器的探测角度达60°，对火焰光谱特别灵敏，能在﹣25～85℃下工作，性能稳定可靠。尽管这款传感器是用来感知火焰的，但是它并不防火。因此使用时请与火焰保持距离，以免烧坏传感器。

在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。

试一试

在环境检测报警器实验的基础上，通过追加一氧化碳和水分传感器来增强环境检测报警功能。

任务4 实现红外测距功能

1.实验器材

实验器材包括主控板一块、扩展板一块、GP2Y0A21距离传感器一个（见图1-24）、蓝红黑模拟连接线一条、PC一台。

2.功能说明

通过距离传感器测量相对距离，可以用于机器人的测距、避障以及高级的路径规划，是机器视觉及其应用领域的选择。

3.物理连接

用蓝红黑模拟连接线将GP2Y0A21距离传感器与扩展板模拟0#针脚相连接。针脚与针槽按颜色对齐插入，并记住所使用的针脚号。连接效果如图1-25所示。

4.程序编辑与运行

对照图1-26完成红外测距器程序的编写与运行。首先从模拟0#针脚中获得相对距离值，赋值给变量 dis，距离值的换算公式为 67870÷（dis-3）-40；然后在串口监视器中动态呈现距离值，单位为mm。为了防止数字变化过快，可以加上1000ms的延迟时间，如图1-27所示。

知识扩展：传感器

1.认识传感器

传感器技术与通信技术、计算机技术共同构成信息技术的三大支柱，是海量信息获取的重要手段。传感器属于物联网感知层的重要器件，是实现物联网准确、有效获取现实世界信息的基础，是信息采集的“窗口”，是物理世界和虚拟世界联系的桥梁。传感器可定义为：能感受被测量，并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调节电路和辅助电源四部分组成，如图1-28所示。

敏感元件在特定环境中感知现实世界中的各种物理量，如压力、温度、湿度、光强和声音等。转换元件将敏感元件所获得的物理量或化学量转换为电信号。信号调节电路将转换元件所转换的电信号进行变换和处理，输出适合本系统传输和检测的标准电信号。图1-28是一个标准的传感器结构，在现实中，有些传感器非常简单，仅有一个敏感元件，被测时直接输出电量。

传感器各部件之间的工作原理可以参照图1-29。声音设备所传输的声波传播到声敏感元件时，声敏感元件将其信号转换成电信号，进入转换电路；经过电信号放大、过滤、整形后，输出与被测量的声波频率与强度相吻合的数字信号（在非数字化场合则为模拟信号）。

2.传感器类别

（1）温度传感器

温度传感器是使用最早、应用最广泛的一类传感器，在各类传感器中所占的市场份额最大。其中电子体温计就是日常生活中最常见的一种温度传感器，如图1-30所示。

（2）湿度传感器

湿度与温度是反映环境状况的重要参数，它与人们生活、生产的各个领域密切相关。湿度和温度之间存在很强的关联性，在不同的温度下湿度值会发生很大变化。如果湿度测量环境不恒温，测量结果就会有较大误差，这种误差我们称之为“温度漂移”。在许多场合下，温度传感器与湿度传感器集成在一起，称之为温湿度传感器。湿度传感器种类繁多，可根据不同的应用场合选择不同种类的传感器，如图1-31所示。

（3）压力传感器

压力传感器在工业生产领域应用十分广泛，尤其是化工、能源企业，在许多工厂里常常会看到大量的压力表和各类压力传感器。在人们日常生活方面，压力传感器也常常用于医学保健，如人体血压传感仪器。压力表和压力传感器的具体产品如图1-32所示。

（4）位移传感器

位移传感器可分为模拟式和数字式两种，其中数字式位移传感器便于计算机系统传输与处理，是未来位移传感器的主要方向。在日常生活中用于门窗防盗的门磁就是最简单的位移传感器，如图1-33所示。当家用智能防盗系统开启门磁的设防功能时，如果门窗位置被非法移动，门磁与磁条距离超过限定的范围时就会通过门磁的无线传输系统向控制中心发送信号，控制中心收到信号后采取一定的方式报警。位移传感器及其应用如图1-33所示。

（5）流量传感器

流量传感器根据测量对象不同，可分为气体流量传感器和液体流量传感器。在生活中，每家每户都有的水计量表就是最常见的液体流量传感器。这种水表也将趋于智能化，实现了远程抄表，不需要人工现场记录。在“节能减排”的时代背景下，现有的普通水表和IC卡智能水表已经不能满足需求，随之而取代的是智能远传水表，因此智能水计量产业已步入远程自动抄表时代。在城市里，许多家庭都使用管道燃气，管道上也会安装计量表，这种计量表属于气体流量传感器。流量传感器的应用如图1-34所示。

（6）液位传感器

液位传感器广泛应用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水和环保等领域。按照工作特性它可以分为两类：一类为接触式，包括单法兰/双法兰差压液位变送器、浮球式液位变送器、投入式液位变送器、电动浮筒液位变送器、电容式液位变送器、磁致伸缩液位变送器和伺服液位变送器等；第二类为非接触式，分为超声波液位变送器、雷达液位变送器等。具体产品如图1-35所示。

（7）力传感器

生活中最常见的力传感器是电子秤，它属于称重传感器。力传感器应用于各种电子衡器、工业控制、物流控制、安全过载报警和材料试验机等领域。具体产品有电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子轨道衡和罐装秤等，如图1-36所示。

（8）速度传感器

速度就是单位时间内的位移量，包括线速度和角速度，与其对应的线速度传感器和角速度传感器合称为速度传感器。随着科技的发展，非接触测速传感器将会逐步取代接触测速传感器，如激光测速和雷达测速，如图1-37所示。

（9）声音传感器

人们渴望着有朝一日也能像童话故事中描述的一样，说声“芝麻开门”便能打开自家、社区、学校或单位的大门，那个遥远的梦想已经走近我们的生活。

声音传感器能采集声音信息，并显示声音强度大小，也能研究声音的波形，如图1-38所示。

（10）化学传感器

化学传感器能对各种化学物质产生感应并将其浓度转换为电信号进行检测的装置，它必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性获取的功能和将获取的化学量有效转换为电信号的功能。按传感方式，化学传感器可分为接触式与非接触式化学传感器。按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器和生物传感器。化学传感器具体应用如图1-39所示。

3.传感器的发展和未来趋势

（1）智能化

传感器实现多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，具有低成本和高精度的信息采集、可数据存储和通信、编程自动化和功能多样化等特点。传感器与人工智能不断结合，目前已出现各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，并已经在智能家居等方面得到应用。

（2）可移动化

无线传感网技术应用加快。无线传感网技术被美国麻省理工学院（MIT）的《技术评论》杂志评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。一些发达国家及城市在智能家居、精准农业、林业监测、军事、智能建筑、智能交通等领域对无线传感技术进行了应用。例如，从MIT独立出来的Voltree Power LLC（建造电力有限责任公司）受美国农业部的委托，在加利福尼亚州的山林等处设置温度传感器，构建了传感器网络，旨在检测森林火情，减少火灾损失。

（3）微型化

随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，MEMS（微机电系统）传感器将半导体加工工艺（如氧化、光刻、扩散、沉积和蚀刻等）引入传感器的生产制造，实现了规模化生产，并为传感器微型化发展提供了重要的技术支撑。目前，MEMS 传感器技术研发主要在这样几个方向：微型化的同时降低功耗、提高精度；实现MEMS传感器的集成化及智慧化；开发与光学、生物学等技术领域交叉融合的新型传感器，如MOMES传感器（与微光学结合）、生物化学传感器（与生物技术、电化学结合）及纳米传感器（与纳米技术结合）。

（4）集成化

目前，多功能一体化传感器受到广泛关注。传感器集成化包括两类：一种是同类型多个传感器的集成，另一种是多功能一体化。后者是当前传感器集成化发展的主要方向。

（5）多样化

新材料技术的突破加快了多种新型传感器的涌现。新型敏感材料是传感器的技术基础，材料技术研发是提升性能、降低成本和技术升级的重要手段。除了传统的半导体材料、光导纤维等以外，有机敏感材料、陶瓷材料、超导、纳米和生物材料等也成为研发热点，生物传感器、光纤传感器、气敏传感器和数字传感器等新型传感器加快涌现。如光纤传感器是利用光纤本身的敏感功能或利用光纤传输光波的传感器，有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性好、体积小、耗电少等特点，目前已应用的光纤传感器可测量的物理量达70多种，发展前景广阔。

扩展阅读

项目小结

通过项目实施，了解 Arduino 的使用方法，能够利用 Arduino 套件中的传感器部件和ArduBlock积木式程序编辑工具制作出楼道人体感应灯、光控路灯、环境检测报警器、红外测距仪等简易装置。通过应用效果的不断检测，体验到各款传感器的功能和性能，加深对传感器外观、应用领域的认知，体会到传感器在整个自动控制系统中的作用，理解其简单的工作机理。在动手实践的基础上，通过资料的阅读和网络搜索，对传感器工作原理、分类和未来发展趋势有了一个全面的认识。