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  • 常用的模拟量
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    2021-10-30 15:09:15

    电流型和电压型模拟量信号有何区别?

    • 电流型模拟量信号:抗干扰能力强,但调试数据处理繁琐不常用不易用;
    • 电压型模拟量信号:工程上应用性强可靠性强,但抗干扰能力弱。工程上电流转电压的精确度和可靠性往往要比电压转电流更好,也更常用。

    电流信号转换成电压信号:这个容易,只需要在电流输出端并联一定阻值的电阻,电阻两端的电压就是你需要的电压值。

    电压信号转成电流信号:在输出端之间串电阻,从而转换成电流信号。

    上面讲的方法,都是可利用欧姆定律进行转换的弱电信号,要考虑到电流信号/电压信号输出的带负载能力。   

    如果是强电信号,最好还是用特殊设备、电流或电压传感器来转换好。

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    哈喽,大家好,本期小飞哥带来的是常用的数字量输出传感器的原理与使用说明,希望能对伙伴们有帮助!

    实现目标:

    了解常用传感器的原理实现,达到举一反三的效果,学会如何操作;

    硬件准备:

    声音传感器(或者其他同类传感器)

    LED灯

    单片机(STM32F103C8T6或其他)

    软件:

    keil5

     

    先来介绍几款我们在DIY小玩意的时候经常用到的几款传感器:

    一、常用传感器认识

     

     

    1、声传感器

    声音传感器,在某宝很容易找到,一般有4线制,三线制,主要区别是4线兼容3线的,4线的多一个模拟量输出,让我们开发的空间更大,比如对声音粗略的分等级,不同分贝的声音控制不同的设备,当然这种模块精度不高。

    输出方式:

    1)数字量输出:通过板载电位器设定声音检测阈值,当检测到声音超过阈值时,通过数字引脚DO输出低电平。

    2)模拟量输出:声音越大,AO引脚输出的电压值越高,通过ADC采集的模拟值越高。

    图片

    4线制声控传感器模块

    图片

     

    3线制声控传感器模块

     

     

    2光敏传感器

    接收端是光敏电阻,光照不同会呈现不同的电阻值,这种传感器同样也是有3线制,4线制,与上面声控传感器原理相同。

    输出方式:

    1)数字量输出:通过板载电位器设定光照检测阈值,当检测到光照强度超过阈值时,通过数字引脚DO输出低电平。

    2)模拟量输出:光照强度越大,AO引脚输出的电压值越高,通过ADC采集的模拟值越高。

    图片

    4线制光敏传感器模块

    图片

     

    3线制光敏传感器模块

     

    图片

    3烟雾传感器

    接收端是MQ-2烟雾传感器,MQ-2传感器对可燃气、烟雾等气体灵敏度高,这种传感器同样也是有3线制,4线制,与上面传感器原理相同,这个模块某宝大多是4线制,可能3线的不怎么好卖吧,哈哈

    输出方式:

    1)数字量输出:通过板载电位器设定烟雾检测阈值,当检测到烟雾浓度超过阈值时,通过数字引脚DO输出低电平。

    1)模拟量输出:烟雾浓度越大,AO引脚输出的电压值越高,通过ADC采集的模拟值越高。

    图片

    4线制烟雾传感器模块

    诸如此类的传感器还有很多,像雨水传感器、震动传感器等等,下面图片中的许多都是一样的原理,大家学会一种,就可以举一反三啦。

    图片

    二、原理图说明

    接下来,小飞哥以声音传感器为例,对此类传感器的通用底板做点简单介绍,下图是找的某款模块手册,做的也是非常用心了,板子上有LM393进行数字量输出,LM386对声音信号放大后作为模拟量输出,接着来分析下此模块的原理图。

    图片

    可以看到,声音信号进来之后,是比较微弱的,经过R1可调电阻控制声音的幅值,经过LM386对声音信号进行放大,放大倍数有两种方式,一种是pin 1及pin 8间加一个10μF的电容即可使增益变成200,也就是此模块采用的方式,另外一种是在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为200以内的任意值。

    然后放大后的声音信号,一路是经过c6电容去直流之后,直接输出至模块AOUT引脚,此信号可以结合我们的单片机ADC进行采集,然后可以对声音信号做傅里叶变化,显示屏显示,就可以得到音乐频谱啦。另一路是输入至LM393电压比较器,通过调节R3可调电阻,作为正相输入电压,当反相输入电压大于正相电压时,LM393输出高电平,反之,输出低电平,实现不同阈值下的电压比较功能,也就是检测声音的大小。

    图片

    什么是电压比较器? 简单地说, 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的,这里不介绍),并判断出其中哪一个电压高,如图1所示。图1(a)是比较器,它有两个输入端:同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端),有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器),同相端输入电压VA,反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0~t1时,VA>VB;在t1~t2时,VB>VA;在t2~t3时,VA>VB。在这种情况下,Vout的输出如图1(c)所示:VA>VB时,Vout输出高电平(饱和输出);VB>VA时,Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

    如果把VA输入到反相端,VB输入到同相端,VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示,则Vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较,其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。


     

    图片

    其他一些模块大多是没有前级放大芯片,模拟量是直接输出的,可能是由于输出的信号比较强吧,柱极咪头输出的声音电信号是非常微弱的,若果没有前置放大的话,单片机AD不好采集得到,所以前置放大器还是必须的。简单的应用场景,平时用的更多的是数字量输出,直接接到单片机IO,检测高低电平,然后控制后端继电器或者其他设备。

    三、声音传感器模块测试

     

    代码比较简单,主要用到外部中断引脚,或者普通IO轮训方式也可以,就不多说了,主要介绍下,实验用到的最小系统部分,主芯片用的是STM32F103C8T6,这也是小飞哥以前无聊画的板子,把以上介绍的多种传感器原理在最小系统板子上实现了,板子开源大家可以进群获取资料,主要包括以下功能:

    1) NRF24L01

    2) EEPROM

    3) 4个独立按键

    4) LED灯

    5) LED灯驱动电路

    6) 电压比较器电路

    7) 串口一键下载

     本次的介绍就到这里啦,后面有更精彩的内容,欢迎大家持续关注嵌入式实验基地!

      如果你觉得对自己有帮助的话,给个赞,点个关注,点个在看,感谢前进的道路上有你的陪伴!

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    我们常说模拟量、数字量、开关量,从字面意思大概也能明白部分意思,但它们到底是什么,有什么特点和区别呢?今天我们就专门来讲一讲,模拟量、数字量以及开关量的概念和区别。
    1-模拟量模拟量是指变量在一定范围内连续变化的量,简单来说就是在时间上或数值上都是连续的物理量,注意这里的“连续”。
    我们把表示模拟量的信号叫做模拟信号,把工作在模拟信号下的电子电路叫模拟电路,模拟量一般表示模拟电压、电流等参数。

     

    2-数字量数字量是物理量的一种,它们的变化在时间上是不连续的,总是发生在一系列“离散”的瞬间,这一类物理量叫做数字量,也就是离散量,指的是分散开来的、不存在中间值的量。
    模拟量的概念与数字量相对应,但是经过量化之后又可以转化为数字量。模拟量是在时间和数量上都是连续的物理量,其表示的信号则为模拟信号模拟量在连续的变化过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量,如温度,电压,电流等。连续的电压,电流等信号量,经过抽样和量化后就是数字量。

    3-开关量开关量是指非连续性信号的采集和输出,包括遥控采集和控制输出。它有1和0两种状态,这是数字电路中的开关性质,而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出。

    4-区别1.数字量定义为:在时间和数值上都是断续变化的离散信号。
    模拟量定义为:在时间和数值上都是连续变化的信号。

    2.开关量:反映的是状态信号(如开关开、合)。

    模拟量:反映的是电量测量数值(如电流、电压)。

    在工业自动化控制中,我们经常会遇到开关量、数字量、模拟量、脉冲量等各种概念,而数字量采集模块则是用于采集数字量的。一般情况下我们说的数字量是0和1组成的信号类型,通常是经过编码后的有规律的信号。但是对于开关量来说,触点闭合可以认为是1,触点断开是0,关量输入模块就是把开关量转换为数字量采集信号。模拟量可以设置临界值量化,小于临界值为0,大于等于临界值为1。

     

    所以这么一看就知道了存在的明显差别了,像开关量为通断信号、无源信号,电阻测试法为电阻0或无穷大,主要指开入量和开出量,是指一个装置所带的辅助触点,譬如电机的温控器所带的继电器的辅助触点也就是电机超温后变位,阀门凸轮开关所带的辅助触点则是阀门开关后变位,接触器所带的辅助触点是接触器动作后变位,至于热继电器却是热继电器动作后变位。
    模拟量在PLC系统中应用非常广泛,PLC系统中的模拟量有两种,一种是模拟电压,一种是模拟电流,模拟电压是最常见的,用的也最多。模拟电压一般是0~10V,并联相等,长距离传输时容易受干扰,一般用在OEM设备中。模拟电流一般是4~10mA,串联相等,抗干扰能力强,常用在DCS系统中。

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    什么是模拟量


    模拟量是指一些连续变化的物理量,如电压、电流、压力、速度、流量等信号量,模拟信号是幅度随时间连续变化的信号,通常电压信号为0~10V,电流信号为4~20mA,可以用PLC的模拟量模块进行数据采集,其经过抽样和量化后可以转换为数字量。说到模拟量,就不得不提AI和AO,下面就来讲解下AI和AO。


    AI和AO的讲解

    (1)AI信号:模拟量输入
    所谓模拟量即4-20mA或0-10V的电流或电压信号,输入到DCS中,经过变换,还原出原来的值,比如电流值到DCS中显示出来;电流互感器二次值(5A)经过电流变送器转换成4-20mA信号(5A对应20mA),输入到DCS机柜,经过转换,在DCS中显示实际的电流值。
    (2)AO信号:模拟量输出
    和AI相反,AO是DCS输出4-20mA或0-10V信号,去控制设备的运行参数;比如,变频器的速度控制过程,以40HZ为例,通过远程DCS控制,认为给定参数值:40HZ,DCS同样发出一个对应的模拟量电流值,在4-20mA范围内(20mA对应50HZ),信号传入到变频器的控制器,变频器按照要求运行在40HZ。


    模拟量概念

    在了解完上面的知识后,理解模拟量首先要了解几个概念,传感器、变送器、执行器还有AD转换器、DA转换器等。
    那么这里所说的传感器,我们常用的传感器有哪些呢?常用的有温度传感器,又包括了热电阻和热电偶这两种类型,还有压力传感器、湿度传感器等等。传感器是用于模拟量输入的,用于采集外部的温度、湿度、压力等信号。


    温度探头一般不可以直接接入常用模拟量模块,需要接入专用温度模块,或者加变送器。一般压力传感器也不能直接接入模拟量模块,一般是购买自带变送器,或者使用压力变送器。
    那么当传感器和变送器结合使用的时候可以将非电物理量转换成统一的标准电量。这就是传感器和变送器的一个作用。
    传感器和变送器转换出来的是一个标准电量,是电信号,我们的PLC是不能直接接收电信号的,那么就需要一个转换,也就是AD转换,将模拟量转换成数字量。
    在我们PLC这边,AD转换器其实就是一个模拟量的输入模块,而DA转换器就是模拟量的输出模块。
    而对于模拟量输出,我们是做模拟量控制变频器速度,从而控制电机速度;或者是模拟量控制伺服力矩和速度控制;又或者是模拟量控制比例阀的开度控制等。


    接着再说一下常用的模拟量信号,也就是电压、电流。常用的电压范围:0~10V,-10~+10V,0~5V,-5V~+5V,其中最常用的是0~10V的电压信号。常用的电流范围:0~20mA,4~20mA,-20mA~+20mA,其中最常用的是4~20mA的电流信号。
    (--这一段内容,不用刻意去理解--)
    我们在做模拟量控制的时候,模拟量的转换是很重要的。比如说0~10V的电压信号,从实际量程转换成模拟量,然后模拟量转换成数字量,最后是数字量转换成量程进行输出,不管这样的过程其实是可以进行简化的。


    简化之后,是如下图的对应关系。


    我们可以得出这个一个公式。(数字量上限-数字量下限)/(量程上限-量程下限)=(数字量值-数字量下限)/(量程值-量程下限),如下图所示。有了这样的公式,我们进行模拟量换算的时候就非常方便啦。
    (--这一段内容,不用刻意去理解--end)


    模拟量的常见问题

    问:为什么都把模拟量信号转换成4-20mA的电流信号,而不是0-20mA的电流信号或0-10V的电压信号?
    答:
    (1)0-10V的电压信号容易受到外界的电磁干扰,特别是电缆长度很长时干扰更明显。
    (2)用0-20mA的电流信号的话,就无法判断在电流信号是0mA时,到底是电缆断线引起的故障0mA,还是压力本身就是0kpa而输出的正常的0mA。


    拓展知识

    (1)模拟量定义为:在时间和数值上都是连续变化的信号。模拟量,反映的是电量测量数值(如电流、电压)。
    (2)数字量定义为:在时间和数值上都是断续变化的离散信号。
    (3)开关量:反映的是状态信号(如开关开、合)。

    在物联网中,采集模拟量一般用模拟量采集器,如下介绍!

    名称:模拟量采集模块

    提供接口:1RS485\4AI\2AO

    网络类型:4G全网通

    简介:ZHC46612路AO和1路RS485接口,支持Modbus RTU/TCP自适应、自动采集主动上报、4~20mA模拟量控制采集、自动校准阈值上报等特色功能,支持一对一、多对一组网。(由纵横智控研发)

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