1.7传感器原理（可选）

如果你想要实现这样一个功能：当窗外开始下雨，窗户自动关闭 那么你需要：检测窗外是否有雨水，并把这个信息传递给窗户控制器

这个过程中，你需要：

• 传感器：检测窗外是否有雨水/或者获取网络上的天气信息
• 单片机主控板：可以接收传感器的数据，并收发网络请求
• 执行器：窗户控制器，可以接收单片机的指令，控制窗户的开关
• 供电：保证传感器和主控板的正常工作

这个过程你需要知道以下内容：单片机如何烧录程序、传感器如何连接、如何获取传感器数据、如何发送网络数据、如何制作外壳（例如 3D 打印）。

传感器基础知识

• 负极表示符号： - / G / Gnd / 黑色
• 正极表示符号：+ / V / Vcc / 红色
• 信号管脚： S 可以表示信号，根据传感器的不同，参数范围是 0-1023 或 0 1
• 模拟量信号管脚表示符号： A 参数范围在 0-1023
• 数字量信号管脚表示符号：D 参数为 0 或 1

tip

如果标识与颜色发生冲突，一般以标识为准：例如接口上写着 V，但连接线颜色为黑，一般当作正极处理。

对于绝大多数单片机来说，当单片机通电时，所有的引脚都带电（含信号管脚）。因此传感器的正负极理论上可以任意连接，只需保证信号管脚连接指定的即可。

A 口的功能比 D 口更加强大，因为 A 口可以接收模拟信号，而 D 口只能接收数字信号。因此部分传感器 D 接 A 也可以正常读数。

info

信号管脚可读可写。

如果某个信号管脚未接任何传感器（即：悬空状态），亦可读出高/低电平，悬空状态引脚的电平是不稳定的，易受其他接口影响跳变（单片机常常会有端口冲突的概念，即某个引脚的某个功能会影响其他引脚）。为了解决这一问题，推荐使用上拉和下拉。

• 如果接线方式是GND-大电阻（10KΩ）-信号管脚，则信号管脚的电压会被拉低，此时读数会固定到0。称为下拉。
• 如果接线方式是VCC-大电阻（10KΩ）-信号管脚，则信号管脚的电压会被拉高，此时读数会固定到1。称为上拉。

接上传感器后，信号管脚的电压会随着传感器的变化而变化（因为大部分的传感器工作原理都是敏感电阻。）。

把电阻换成蜂鸣器，写入数值（即控制信号管脚通电的强度），则蜂鸣器会根据写入数值发出不同的声音。

两管脚

常见的有扬声器、电机（俗称马达）。

这类设备因为较为特殊，一般有专门的接口，或者占用 2 个信号端口，通过信号的变化来工作。

马达往往需要更大的工作电压，如果没有专门的连接口，有可能需要在板上使用跳针切换工作电压。

三管脚

这类传感器数量最多，往往由 GVA 或者 GVD 组成。

使用时，正负极与单片机正负极连接，信号线与板上标注的 A 或 D 进行连接。

四管脚

四管脚传感器分为很多类

特殊接口的，譬如：人体温度传感器

正负极与信号口一般都专门对应的位置供连接。

双信号接口的，譬如：超声波

一般有四个接口：GVTE，其中 GV 正常连接，T 和 E 都接在信号管脚上。

同时接收 AD 的，譬如：烟雾传感器

一般有四个接口：GVAD，其中 GV 正常连接，D 表示有没有烟雾，A 表示烟雾浓度。分别接在对应的信号管脚即可。

五管脚

譬如：摇杆传感器

一般五个接口为：GVXYB，其中 GV 正常连接，X 表示 X 轴（是模拟量接 A）、Y 表示 Y 轴（是模拟量接 A）、B 表示按钮（是数字量接 D）

其他特殊类

其他特殊的传感器一般有特殊接口，譬如：摄像头、屏幕等。

根据说明接入即可。

传感器一般原理

传感器是一种信息转换装置，大部分传感器的工作原理是将非电量（力、速、声、光、热、磁等）通过敏感原件（光敏材料、热敏材料）感受，再通过转换原件转换为电参量（例如电压）。最后通过转换电路把电参量通过放大、过滤等方式转化为线性可读的电量。

info

传感器的应用例子：

山地车在出发前需要检查轮胎气压，需要车手用手按在轮胎上感受气压，需要一定的经验。使用传感器来检测轮胎气压，无需经验，即可获得更加客观的结果。

桥梁上需要很多螺丝，且使用一段时间后螺丝会松动，需要加固。传统方式是人为设定一个固定的检查间隔时间，逐一检查螺丝是否拧紧。变色螺栓就是一种传感器，当螺丝压力较小（拧的不紧）时，螺栓颜色较浅，当螺丝压力较大（拧的较紧）时，螺栓颜色较深。极大的提高了检查效率。

• 敏感材料是传感器的灵魂，主要是材料学的范畴。
• 转换原件和转换电路需要一定的电路设计能力和算法能力。主要是嵌入式开发的范畴。

info

不是所有的传感器的都是这样的组成结构，譬如：中国的称。使用结构来测量质量。

不过随着我们需要测定的量要求越来越精准：例如精确到0.1g，传统的结构称就难以胜任了。

通过找到某种压敏材料，可以在不同压力下呈现不同的电阻，我们可以测定其电阻来反推出质量。

这种方式可以使我们测量精度提高的同时，量程也更大（测量的范围）。

不过有的压敏材料在极端高温和低温下电阻也会发生较大变化，不同的传感器有不同的工作环境

总的发展趋势是找到某个的敏感材料或者多个敏感材料组合然后测定。

发展趋势

阶段	特点	代表性传感器
结构传感器	通过机械结构与基本常识，经久耐用，基本上都是转换式传感器（不需要额外电源）	液压称、中国称
物性传感器	通过结合光敏材料、热敏材料等敏感元件的物理性质测量，基本上都是有源式（需要先供电才能工作）	光敏传感器、热敏传感器
集成芯片传感器	在前一代的基础上集成迷你芯片，进行滤波、增强等基本功能	RGB数码相机光敏传感器
智能传感器	在前一代基础上集成了软件算法，让传感器在亮度、色彩上表现更好	RGBW数码相机光敏传感器

传感器的分类

按照工作原理分类

生物传感器：利用生物酶、抗体、组织、细胞、微生物、生物等。譬如云南洱海的海菜花对水质要求极高，如果死亡则说明水质较差，可用于辅助测量水质。

化学传感器：利用各种化学吸附、化学反应的方式获取信息的，例如某些溶液测酸碱性。

物理传感器：数量最多，细分为结构性、物性型，光敏、声敏、热敏等等，不计其数。

按照工作特性分类

能量控制型传感器：需要通过外部供能的传感器，例如电子称需要有电源才能工作。

能量转换型传感器：由被测物体供能，例如：水银式人体温度计，通过将人的体温转换为水银的膨胀读数，无需供能。

同个目的可能会有多种传感器：例如测距离有红外传感器、毫米波、超声波。

同个传感器也可能有不同目的：例如二氧化碳气体传感器也可以用于测量空气质量PM2.5。（因为其工作原理是检测空气中吸收红外的物质的量，二氧化碳和PM都吸收红外）

传感器的特性

静态特性指标	说明
灵敏度	传感器输出与输入的比值，值越大，越灵敏
线性度	传感器输出与输入的线性程度
迟滞性	传感器在正反向输入时，输出不一致的程度
重复性	传感器在相同输入时，输出不一致的程度
分辨率	传感器能够分辨的最小输入变化量
稳定性	传感器在长时间工作时，输出不一致的程度
漂移	传感器数值整体偏移的程度

动态特性指标	说明
响应度	传感器对被测数据能否紧密跟随。

传感器的误差

没有人在实验室环境下使用传感器，专业的传感器厂商会在不同温度、湿度、光照等环境下进行测试，并给出误差范围，不同的环境误差有大有小，被称为总误差带。

不确定传感器是否准确时，则需要校准，以温度传感器为例，需要在实验室构建三相点并保持：液态水、固态冰、气态水蒸气。此时温度为 0.01℃，此时读数为 0.01℃，则认为传感器准确。

但是这样的方式费时费力，因为在实验室中校准的传感器作为“标准传感器”，将待检测的传感器与标准传感器进行对比，以此评判待检测传感器的准确性。通常会测量：零点、满量程、中间点。

定期校准是保证传感器准确性的重要手段，也能避免重大事故的发生。