项目二光电传感器应用

高等教育出版社 自动化控制元件及应用项目二光电传感器应用任务一自动语音迎宾任务二工件靠近检测任务三工件计数任务四工件色差检测

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务一自动语音迎宾【知识要点】【相关知识】【任务引入】【任务拓展】【任务要求】【任务测评】【任务分析】【任务评价】【任务实施】

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务一自动语音迎宾【知识要点】 1.了解热释电红外传感器的功能与参数。 2.掌握热释电红外传感器模块的引线及其功能。 3.学会如何调节热释电红外传感器的灵敏度。 4.了解热释电红外传感器使用注意事项。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务引入】在各种商场、超市、个体精品店、照相馆、眼镜店、玩具店等各种店面，其门口经常会放置一个自动语音迎宾器(如图2-1-1)，当顾客进门或从店面走过时，迎宾器就会说“你好，欢迎光临”。不仅礼貌，给人尊重感，主动打招呼的热情感觉，而且给人以强烈的好奇心和趣味性，也使顾客感受到了店主的热情，有一种受到重视的感觉，瞬间轻松了气氛。这种迎宾器也可在家庭或办公室作为感应门铃使用，只要客人进门光临，就会主动跟客人打招呼，活泼有趣。还能起到一定的防盗作用，当有窃贼偷窃商店或居室时，刚到门口就听到里面“你好，欢迎光临”的真切女声，本来胆怯的窃贼马上拔腿就跑。图2-1-1 常见的红外线迎宾器外观

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务要求】本任务要求设计一款自动语音迎宾器，在系统通电的情况下，当有人在其前方经过时，迎宾器就会说“你好，欢迎光临”。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务分析】根据任务目标，迎宾器在有人经过的时候就会说“你好，欢迎光临”。其实就是要检测人体的活动，当有人体在其前方活动时，发出控制信号让音乐集成电路工作，驱动扬声器发出声音。要检测人体的活动，一般有两种方法，一是使用光敏电阻来检测光照强度的变化。因为当环境中有光源照射光敏电阻情况下，人体的活动会阻挡光线，引起光敏电阻的光照强度变小，导致光敏电阻的阻值变大。系统通过检测光敏电阻的阻值的变化则可以判断是否有人在前方活动。这种控制电路比较简单，成本较低，但必须在应用的环境有其它的光源支持，也容易引发误动作。比如自然光线的变化、风吹动窗帘、室内灯光的变化也可能引起控制电路触发语音发声。第二种方法是采用被动式热释电红外传感器来检测人体发出的红外线。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器，它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。在工作过程中不需要用灯光、红外线或电磁波等发射源，受环境的干扰较小，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、价格低廉。还具有灵敏度高、感应范围大、隐蔽性好、性能稳定等优点。所以本任务选取热释电红外传感器来检测人体的活动比较合适。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式热释电红外传感器就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。如图2-1-2所示就是一种常用的双元热释电红外传感器。采用双灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。图2-1-2 热释电红外传感器

高等教育出版社 自动化控制元件及应用热释电红外传感器的输出信号还需要经过信号放大电路、电压比较器、延时电路才能输出到入下一级电路去控制应用。在传感器的前方还需要一个菲涅尔透镜来将红外线进行聚焦。为了方便搭建红外感应的电路，一些厂家利用热释电红外传感器设计生产出红外感应模块，如HC-SR501，其性能稳定，经济好用。HC-SR501模块接口简单，只有三个针脚。分别是5V电源、输出端、接地端。在静态时输出端输出低电平，当检测有到人体活动时，输出端输出高电平，并能保持一段时间。如图2-1-3所示，分别是盖上和揭下菲涅尔透镜的HC-SR501模块。从右方的图片可见，该模块安装在菲涅尔透镜下面的是一只LHI778热释电红外传感器。图2-1-3 盖上和揭下菲涅尔透镜的HC-SR501模块

高等教育出版社 自动化控制元件及应用迎宾器的语音功能可用音乐芯片来实现，为了简化接线，可选取内置了输出放大功能的音乐芯片。此类音乐芯片无需任何外围元件即可驱动扬声器发声。如图2-1-4所示，音乐芯片的输出端直接连接到小功率扬声器，只需接上3至4.5V的直流电源，就会发出“你好，欢迎光临”的声音。当断开电源再重新接上后，会重新发出声音。HC-SR501模块在触发后输出的高电平不能提供足够的电流作为音乐芯片的工作电源，则需要一只9014三极管将电流放大，当模块输出高电平时，9014三极管导通，音乐芯片就能发出声音。图2-1-4 音乐芯片与小功率扬声器

高等教育出版社 自动化控制元件及应用完整的电路图如图2-1-5所示，为了更好地观察电路的工作情况，在电路上加上发光二极管D2和限流电阻R2。用作触发指示，即当人体红外热释电模块检测到有人体活动时，输出高电平，D2就相应发光。图2-1-5 热释电红外线迎宾器电路图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用虽然本电路比较省电，但由于需要长时间自动工作，所以本迎宾器不适宜采用干电池供电，而更适宜采用交流电经变压整流后产生的低压直流电供电。除了能用于语音迎宾器以外，热释电红外传感器还常用于安防报警器中。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务实施】连接电路 2.调节传感器的灵敏度 3. 调节延时时间 4.安装固定 5.实验结果 6.元器件选择

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 1．连接电路按图2-1-5连接电路，可将除HC-SR501模块外的元器件安装焊接到一块5CM X 7CM的万能板上，再引出三条线，连接到HC-SR501模块。图2-1-5 热释电红外线迎宾器电路图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 2. 调节传感器的灵敏度如图2-1-6所示，将HC-SR501模块反过来背面朝上，可以看到模块在同一边缘有两个电位器，用于调节传感器的灵敏度与延时时间。其中左方电位器的用于调节灵敏度，右方的用于调节延时时间。调节灵敏度时，顺时针方向旋转是调高灵敏度，反之则是调低灵敏度。因为迎宾器一般安装在门口，需要的感应距离不需要很大，则将灵敏度调整至中等程度即可。图2-1-6 HC-SR501模块背面

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 3. 调节延时时间当迎宾器感应到有人在前方走动时，可能感应到红外线的时间比较短，不足以维持音乐芯片完整输出整句“你好，欢迎光临”， HC-SR501模块用延时功能来解决这个问题。即在感应到人体活动后能保持输出高电平一段时间，然后再回复到低电平的静态输出状态。在图2-1-6所示的HC-SR501模块中，调节右方的电位器来调整延时时间。顺时针调节电位器，可以加长延时时间，反之则缩短延时时间。调节时可用左手在传感器前方挥动来触发传感器，此时LED灯会变亮，在触发后马上将手放回传感器后方，并保证前方无他人或本人的身体，模块就进入延时状态，LED灯会在一段时间后自动熄灭。通过多次的调节，将延时时间调整到5秒左右。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 5. 实验结果在电路通电一分钟后，感应模块初始化完成。当有人在感应模块前横向走动时，迎宾器就会发出“你好，欢迎光临”的声音，同时LED发光。人离开后，LED能发光5秒后自动熄灭。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 6.元器件选择

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【相关知识】一、热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用二、热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用二、热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104MΩ。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式（即源极跟随器）来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用图2-1-7 双探测元热释电红外传感器结构示意图图2-1-7是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用热释电红外传感器只能安装在室内，其误输出率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件： 1.热释电红外传感器应离地面2.0～2.2米。 2.热释电红外传感器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。 3.热释电红外传感器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 4.热释电红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误输出，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，热释电红外传感器也不要安装在有强气流活动的地方。热释电红外传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用三、菲涅尔透镜人体辐射的红外线需要通过菲涅尔透镜来聚焦在热释电红外传感器的探测元上。菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在热释电红外传感器上，第二个作用是将感应区内分为若干个明区和暗区，使进入感应区的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化热释红外信号，这样传感器就能产生变化的电信号。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务拓展】本任务的语音迎宾器也可以改装成红外报警器，只须将音乐芯片电路换成继电器，再驱动高分贝的报警喇叭即可。为了达到较好的报警效果，应该仔细调整好灵敏度，以免容易产生误报。还要将延时时间调长一些，如达到几分钟，提醒安防人员注意。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【知识测评】 1. 热释电红外传感器具有什么功能？它是工作原理是什么？ 2. HC-SR501模块具有什么特点？当其感应到人体活动时，输出高电平还是低电平？ 3. 如何调节HC-SR501模块的灵敏度与延时时间？

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务评价】

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务二工件靠近检测【知识要点】【相关知识】【任务引入】【任务拓展】【任务要求】【任务测评】【任务分析】【任务评价】【任务实施】

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务二工件靠近检测【知识要点】 1.了解反射式光电传感器的功能与参数。 2.掌握光电传感器的引线颜色及其功能。 3.学会如何调节光电传感器的灵敏度。 4.了解反射式光电传感器使用注意事项。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务引入】在生产流水线上经常需要进行产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测。例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等，如图2-2-1、图2-2-2所示，这些均要求在检测过程中不能接触产品或靠得过近，就需要反射式光电传感器来完成其检测。图2-2-1 自动化生产线图2-2-2 瓶子灌装检测示意图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务要求】本任务要求当工件靠近某个检测点时，系统发出报警声。要求工件距离传感器3cm，若工件距离传感器超过5cm，则停止报警。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务分析】要检测工件的靠近与否，需用到一只靠近传感器来检测。常用的反射式光电传感器可分为“不带开关功能”与“带开关功能”两类，如图2-2-3与图2-2-4所示。在没有确定工件的材质的前提下，为了减小电路的复杂程度与提高可靠性，选用一只圆柱形的“带开关功能”的反射式光电传感器。图2-2-3 不带开关功能的反射式光电传感器图2-2-4 带开关功能的反射式光电传感器

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务分析】当工件靠近时，可选用蜂鸣器来报警。在工控场合下使用的光电传感器与蜂鸣器通常采用直流24V作为工作电压，蜂鸣器的工作电流一般只需几十mA，而光电传感器输出端的开关管在导通情况下，电流可达200mA，则可由光电传感器直接驱动蜂鸣器，光电传感器驱动蜂鸣器电路如图2-2-5所示。图2-2-5 光电传感器驱动蜂鸣器电路图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务实施】 1.安装传感器光电传感器的外壳为带螺纹的金属外壳，通过旋转两个六角形螺母可将光电传感器固定在安装孔上，并能调节传感器的伸出长度。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 2.连接电路按图2-2-5连接电路，该反射式光电传感器的引线共有三条，表皮颜色分别为棕、黑、蓝。其中棕色线用于连接电源，蓝色线接地，黑色线是输出端。图2-2-5 光电传感器驱动蜂鸣器电路图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 3. 调节传感器的灵敏度接好电路后，为了保证电路的稳定性与检测效果，还需要调节光电传感器的灵敏度。在光电传感器的后端有一只红色发光二极管与一颗一字螺钉，如图2-2-6所示。红色发光二极管用于显示光电传感器是否导通，作为输出指示，而一字螺钉用于调节光电传感器的灵敏度。在电路通电的情况下，将工件放到光电传感器前端，并按要求保持一定的距离（5cm ）。用小型一字螺丝刀先将光电传感器的调节螺钉按顺时针及逆时针两个方向依次慢慢旋动，令红色发光二极管刚好由熄灭变成点亮，此时蜂鸣器应该发出报警声。图2-2-6 光电传感器的后端

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 4. 实验结果工件在1cm至5cm内可令光电传感器导通，若将工件移动至5cm以外，发光二极管会熄灭，报警声停止。需要注意的是，当工件靠得太近的时候（一般是小于1cm），传感器不会导通。所以调节灵敏度的时候，工件不能贴着光电传感器或靠得太近，为了保证工件与传感器保持一定距离避免相互碰撞，本任务将被测件与工件的距离设置为3cm（报警） ,停止报警设置为大于5cm。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用 5.元器件选择参考

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【相关知识】一、光电开关带开关功能的光电传感器又称光电开关，光电开关常被用来检测物体的有无、通过与否以及是否有标记等，也有的厂家称光电开关为电眼。光电开关分有反射式、对射式、镜面反射式等。反射式光电传感器是将红外发光管和硅光敏三极管等，以相同的方向装在支架上，实物图如2-2-7所示。当红外发光管通电发光时，光通过工件反射到硅光敏三极管窗口上，使硅光敏三极管导通，从而有一定的电流输出，以此检测物体的有无，适用于光电接近开关、光电自动控制、物体识别等方面。图2-2-7 反射式光电传感器探测头实物图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用由图2-2-8的光路可看出，当工件靠得太近，发光管发出的光线是无法通过工件的漫反射进入光敏管。因而一般的反射式光电传感器的检测范围在1cm至10cm之间。反射式光电开关如果使用配套的镜面反射板，则为镜面反射式光电开关，发光管发光，照射到对面的反光板，如果没有物体阻拦光线，则光敏管可以接收返回来的光线，如果有物体在反光板与传感器中间通过，则收不到返回的光信号，内部电路输出的电平发生高低变化（高阻或低阻状态），它可以实现较远距离内物体的检测，检测不透明的、透明的和半透明的物体。图2-2-8 反射式光电传感器光路图

高等教育出版社 自动化控制元件及应用对射式光电开关的发光管和光敏管分别被放置到相对的位置，当有物体通过发光管和光敏管之间的空间时，发光管的光线被阻拦，光敏管接收不到发光管射来的光线，光电开关的内部电路输出高电平或低电平（高阻或低阻状态）信号，它既可以做成远距离的红外开关，也可以做成小型的槽形开关。光电开关发出的光有红外光、红色光、绿色光、蓝色光或激光等，人眼不一定都可以看见发出的光线。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用二、反射式光电传感器使用注意事项 1.反射取样式光电传感器的工作原理是传感器红外发射管发射出红外光，接收管根据反射回来的红外光强度大小进行计数，故被检测的工件或物体表面必须有黑白相间的部位用于吸收和反射红外光，这样接收管才能有效的截止和饱和达到计数的目的。所以在选择工作点、安装及使用中关键是接收管必须工作于截止区和饱和区。 2.光电传感器的前端面与被检测的工件或物体表面必须保持平行，这样光电传感器的转换效率最高。 3.光电传感器的前端面与反光板的距离保持在规定的范围内。 4.光电传感器必须安装在没有强光直接照射处，因强光中的红外光将影响接收管的正常工作。 5.光电传感器在具体的工作环境中最佳工作状态的参数选择方法：根据实际的检测距离选取光电传感器的型号。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务拓展】光电传感器的带载能力有限，一般不能大于200mA。在需要驱动较大的负载或较复杂的自动控制系统中，可将光电传感器接到继电器或可编程控制器来使用。在了解继电器的工作原理后，试将本任务中的蜂鸣器换成继电器，然后再驱动工作电压为220V的单相交流电机，画出其电路图并观察记录控制结果。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【知识测评】 1. 反射式光电传感器具有什么功能？ 2. 带开关功能的反射式光电传感器的引线有三种颜色？其功能分别是什么？ 3. 如何调节反射式光电传感器的灵敏度，令工件在1cm至5cm距离时能使传感器导通？

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务评价】

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务三工件计数【知识要点】【相关知识】【任务引入】【任务拓展】【任务要求】【任务测评】【任务分析】【任务评价】【任务实施】

高等教育出版社 自动化控制元件及应用任务三工件计数【知识要点】 1.了解对射式光电传感器的功能。 2.了解红外对管的工作原理。 3.掌握红外线发射管所发射红外线信号的波长与载波频率。 4.掌握一体化红外接收头的引脚功能与输出信号的特点。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务引入】在现代工业生产中，提供准确的原材料或成品的数量是比较关键的问题。如果采用人工统计工件的数量，这种计数方法不仅需要花费大量的人力和时间，而且存在计数错误率高、工作效率低、不能实时反映计数值、不利生产管理等缺点。采用对射式光电传感器来对工件进行计数是现代工业中常用的方法。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务要求】本任务要求利用对射式光电传感器设计一个两位数字的自动计数器，用于对传送带上的工件进行计数。上电后显示计数值为0，当有工件从对射式光电传感器中间经过时，计数器自动加1。当计数到最大值99后，再有工件经过，则加1后的显示值为0。计数器还应该有清零功能，即按下清零按键，显示值回复到0的状态。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用【任务分析】传送带上应用的对射式光电传感器对对射距离的要求不大，在众多的对射式光电传感器当中，性能稳定而且成本最低廉的就是红外对管。红外线的发射有两种模式，一是保持红射发射管流过恒定的直流电流，一直发射红外线。接收方采用红外线接收管，当接收管接收到红外线时表示没有工件经过，当接收管没接收到红外线时表示有工件正在经过，阻挡了红外线。这种模式只适合于对射距离小于几CM的情况，而且容易受到外界的干扰，不适合在传送带上应用。另一种模式是发射管的输入信号是38KHz的载波信号，接收方采用一体化的红外接收头。当一体化接收头接收到经载波调制的红外线信号时，就输出低电平，反之输出高电平。这种模式工作比较稳定、抗干扰能力强，而且对射的距离较大，可以达到十几米，适合本任务的要求。

高等教育出版社 自动化控制元件及应用红外发射管发出的红外线有多种波段，而940纳米波长的主要用于红外线控制设备，也是最常见的，较容易购买得到，一般家电遥控器中的红外发射管就是采用940纳米波长。一体化红外接收头可选用TL1838（如图2-3-1所示），也可选用其它厂家生产的1838接收头，只是开头的两个英文字母有所不同。也可选用0038，0038的接收距离比1838稍短，仍可以满足本任务的需要。图2-3-1 TL1838一体化红外接收头

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