基础传感器
感知层实验核心 · 先理论，再以实验为实例 · 17 项传感器/执行器实验
栏目定位与学习路径
课程定位：《传感器与传感网》感知层实验核心，围绕物联网"感知—传输—处理"链路最前端。
教学结构：先讲清工作原理、关键参数与典型应用，再以完整采集实验落地到 CC2530 代码与电路。
学习路径（按栏目分组）：
| 分组 | 器件 |
|---|---|
| 核心传感器 | 温湿度 SHT10、光照 GL7516、压力（应变片+AD620）、人体感应 PIR、烟雾 MQ-2、超声波 DYP-ME007 |
| 输出与显示 | 蜂鸣器（有源压电式）、矩阵LED（8x8）、步进电机（ULN2003）、7段数码管（共阳） |
| 运动与姿态 | 三轴加速度 MMA7260Q、震动 CLA-3 |
| 气体与气压 | 酒精 MQ-303A、气压 MPS-150A |
| 其他传感 | 水流量 MR168、雨滴 SSM-002+LM393、霍尔 AH3144E |
温湿度传感器（SHT10）
原理：电容式聚合体测湿 + 能隙式测温，片内 14 位 ADC，已校准数字输出，两线串行接口（非标准 I²C，需 IO 仿真时序）。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 湿度范围 | 0 ~ 100% RH |
| 温度范围 | -40 ~ +123.8 ℃ |
| 湿度精度 | ±4.5% RH |
| 温度精度 | ±0.5 ℃（25℃） |
| 供电 | 2.4 ~ 5.5 V |
实验电路：DATA → P1.6，SCK → P1.7，循环采集温湿度并串口输出。
应用：环境监测、农业大棚、智能家居、海洋气象。
光照传感器（GL7516）
原理：光敏电阻（LDR），基于光电导效应——半导体受光照产生电子-空穴对，电导率增大（阻值变化）。GL7516 特性：光越强阻值越大。
测量方式：光敏电阻与固定电阻（2K）串联分压，CC2530 ADC 采集分压电压。
关键参数：亮电阻 5~10KΩ，暗电阻 ≥0.5MΩ，光谱峰值 540nm。
注意：阻值与光照度非线性，需实验标定建立换算表；精确 lux 测量建议用数字传感器（BH1750）。
应用：自动照明、屏幕亮度调节、农业补光、海洋透光度监测。
压力传感器（应变片 + AD620）
原理：电阻应变效应——外力作用下应变片形变导致电阻变化；4 片组成惠斯通电桥，输出 mV 级微弱信号；AD620 仪表放大器放大到 ADC 可采集范围。
AD620 增益公式：G = 1 + 49.4kΩ / Rg（本实验 Rg=49.9Ω）
实验电路：电桥输出 → AD620 IN+/IN- → OUT → P0.6（ADC 采集）。
校准要点：需零点校准（空载 ADC 值）+ 满量程校准，线性插值计算压力。
应用：电子秤、工业压力、液位（水压→水深）、海洋水压监测、扭矩测量。
人体感应传感器（PIR）
原理：被动红外（PIR），基于热释电效应——晶体温度变化时表面产生电荷；菲涅尔透镜将检测区分割为明暗视区，人体移动时产生周期性红外变化。
关键特性：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 检测距离 | 3 ~ 7 m |
| 检测角度 | 约 120° |
| 输出 | 数字开关量（高=检测到） |
| 供电 | 5 ~ 20V |
实验电路：OUT → 三极管驱动 LED 指示 + P0.5（IO 输入检测）。
固有局限：只能检测移动人体，静止人体不敏感；需人体存在检测应配合毫米波雷达。
应用：安防报警、自动照明、智能开关、人体存在检测。
烟雾/可燃气体传感器（MQ-2）
原理：金属氧化物半导体（SnO₂），清洁空气中电导率低（电阻高），有可燃气体时氧化还原反应使载流子增加（电阻减小）；与固定电阻分压输出电压。
检测范围：液化气、丁烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾（100~10000 ppm）。
关键注意：
- 必须预热 2~3 分钟，否则读数漂移
- 有可燃气体时输出电压变小
- 5V 输出需经 R5/R12 分压到 3.3V（P0.4 ADC 采集）
- 无法区分气体种类，只能定性判断
应用：火灾报警、燃气泄漏、空气质量监测、船舱安全报警。
超声波传感器（DYP-ME007）
原理：Trig 端输入 10μS 以上高电平触发，发射 40kHz 超声波；遇障碍物反射，Echo 端输出高电平，宽度 = 声波往返时间。
距离公式：
距离(cm) = 高电平时间(μS) × 声速(cm/μS) / 2
≈ 时间(μS) / 58实验电路：Trig ← P1.6（IO 输出触发），Echo → P1.7（IO 输入测脉宽）。
精度影响：声速与温度有关 v = 331.4 + 0.6T(℃)；存在盲区（<2cm）；柔软/吸声表面反射弱。
应用：智能小车避障、机器人导航、液位测量、车位检测、无人机定高。
蜂鸣器（有源压电式）
原理：一体化电子讯响器，内含多谐振荡器驱动压电陶瓷片振动发声——直接给直流电压即响（"有源"）；"无源"蜂鸣器需外部方波驱动。
分类：
| 维度 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 结构 | 压电式 / 电磁式 | 压电效应 / 电磁驱动振膜 |
| 驱动 | 有源 | 内含振荡电路，通电即响，音调固定 |
| 驱动 | 无源 | 需 2~5kHz 方波，可编程不同音调 |
实验电路：P0.7 → 三极管 Q1（2N5551）开关驱动，高电平导通蜂鸣，低电平截止停止（R11 限流、R10 下拉）。
应用：安防/烟雾/燃气报警、倒计时提醒、物联网设备状态提示、船舱安全报警。
矩阵LED（8x8 点阵）
原理：8 行 8 列共 64 个 LED，行线置高、列线置低时交叉点点亮；逐行扫描 + 列数据，利用视觉暂留效应（≥50Hz）显示完整字符/图形。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 点阵规格 | 8 x 8 = 64 点 |
| 行控制 | 74HC573 锁存器（P0.5 使能） |
| 列控制 | 74HC573 锁存器（P0.6 使能） |
| 数据口 | P1（8 位数据总线） |
| 扫描频率 | ≥ 50Hz（避免闪烁） |
实验电路：两片 74HC573 分别锁存行/列，P1 口数据总线，P0.5/P0.6 使能。
应用：信息显示屏、走字屏、点阵时钟、贪吃蛇等游戏、状态图案显示。
步进电机（ULN2003 驱动）
原理：将电脉冲转换为角位移——每输入一个脉冲转过固定步距角；按相序给 4 相绕组通电产生旋转磁场。转速由脉冲频率决定，转角由脉冲个数决定，方向由相序顺序决定。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 电机类型 | 四相五线制步进电机 |
| 驱动芯片 | ULN2003（达林顿管阵列） |
| 控制口 | P1.4~P1.7（4 相） |
| 步距角 | 5.625°/64（减速后） |
| 供电 | VCC5 |
工作模式：整步（单相/双相 4 拍）、半步（8 拍，步距角减半、运行平稳）。
实验电路：P1.4~P1.7 → ULN2003 → 电机 4 绕组，延时控制转速。
应用：3D 打印机、机器人关节、智能小车、摄像头云台、自动阀门。
7段数码管（共阳静态显示）
原理：7 个 LED 按"日"字形排列，共阳极接法；送段码点亮对应段显示字符。共阳段码 = 共阴段码按位取反（如 0：共阴 3FH / 共阳 C0H）。
静态 vs 动态：
| 方式 | 原理 | 特点 |
|---|---|---|
| 静态显示 | 段选线独立接并口，锁存保持 | 稳定、亮度高、CPU 占用少，IO 多 |
| 动态显示 | 段选线并联，公共端分时选通 | 省 IO，需定时器持续刷新 |
实验电路：P1 口输出段码 → 74HC573 锁存（P0.4 使能 LE）→ 限流电阻 → 共阳数码管，循环显示 0~F。
应用：数字电压表、计数器、温湿度显示、电子秤、仪器仪表。
三轴加速度传感器（MMA7260Q）
原理：MEMS 电容式加速度计——加速度使敏感质量块位移，差分电容变化经 C/V 转换、放大滤波、温度补偿后输出模拟电压。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 测量轴 | X、Y、Z 三轴 |
| 可选量程 | ±1.5g / ±2g / ±4g / ±6g |
| 灵敏度 | 800 mV/g（±1.5g 量程） |
| 供电 | 2.2 ~ 3.6 V |
| 输出 | 三路模拟电压 |
量程选择：g-Select1/2 引脚组合（00=±1.5g、01=±2g、10=±4g、11=±6g）。
实验电路：X/Y/Z_OUT → CC2530 三个 ADC 通道分时采集；加速度 = (ADC电压 − 零g偏置) / 灵敏度。
应用：坠落检测、倾斜检测、计步器、无人机姿态、碰撞检测。
震动传感器（CLA-3 全向）
原理：高灵敏度传感膜，受任意方向振动/冲击时膜片形变、内部触点状态改变，输出数字脉冲信号——只能判断"有无震动"，无法测幅度/频率。
关键特性：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 类型 | 全向振动传感器（高灵敏度传感膜） |
| 检测方向 | 全向（X、Y、Z 三轴） |
| 输出 | 数字开关量（脉冲） |
| 灵敏度 | 可调 |
检测方式：IO 轮询（循环读电平）或外部中断（震动触发 ISR）；需防抖延时防误触发。
实验电路：震动输出接 CC2530 IO 输入，检测到震动时 LED/串口提示。
应用：门窗/保险柜/车辆防盗报警、地震检测、设备运行状态监测、敲击唤醒。
酒精传感器（MQ-303A）
原理：二氧化锡半导体气敏效应——清洁空气电导率低（电阻高），酒精蒸汽与表面发生氧化还原反应使载流子增多（电阻减小），分压输出电压变小。加热丝维持 200~300℃ 工作温度。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 检测气体 | 酒精（乙醇）蒸汽 |
| 预热时间 | ≥ 20s（建议 2~3 分钟稳定） |
| 输出 | 模拟电压（分压后接 ADC） |
| 采集通道 | CC2530 ADC P0.5 |
| 供电 | 5V DC |
与 MQ-2 区别：MQ-2 检液化气/甲烷/烟雾，MQ-303A 对酒精选择性更好（酒驾检测）。
实验电路：气敏电阻 + 固定电阻分压 → P0.5；有酒精时电压变小。
应用：便携式酒驾初筛、汽车燃火系统、工业酒精泄漏检测。
气压传感器（MPS-150A）
原理：压阻式压力传感器——硅膜片微加工 4 个压敏电阻组成惠斯通电桥，气压使膜片形变、电桥失衡，输出与气压成正比的模拟电压（经内部调理放大）。
气压常识：气压下降预示阴雨、上升预示转晴；海拔越高气压越低；结合温度补偿。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 类型 | 表面封装压阻式压力传感器 |
| 测量对象 | 气象气体气压 |
| 输出 | 模拟电压（ADC 采集） |
| 标定 | 需标定"ADC → hPa"换算关系 |
实验电路：MPS-150A 输出 → CC2530 ADC；气压(hPa) = 基准气压 + (ADC − 基准) × 灵敏度。
应用：便携气压计/高度计、气象站、无人机定高、海洋气象（岸基/浮标气压观测）。
水流量传感器（MR168）
原理：霍尔式叶轮流量计——水流驱动带磁环叶轮转动，霍尔元件检测变化磁场输出脉冲；流量 = 单位时间脉冲数 × 60 / 脉冲系数(脉冲/L)。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 类型 | 叶轮式（霍尔）水流量传感器 |
| 输出 | 数字脉冲信号 |
| 供电 | VCC5 |
| 接口 | OUT → P1.6（R3+R7 分压到约 3V） |
| 安装 | 串联在水管中，水平安装 |
脉冲计数：轮询（固定时间窗统计电平变化）或外部中断（上升沿计数，定时器读值）。
实验电路：OUT 经 2K/3K 分压 → P1.6 IO 输入（可配外部中断）。
应用：热水器加热控制、净水器滤芯寿命、智能灌溉用水计量、海洋牧场供水监测。
雨滴传感器（SSM-002 + LM393）
原理：利用水的导电性——SSM-002 梳状电极无雨时隔离（MΩ 级电阻），雨水使梳齿间导通（电阻变小）；分压经 LM393 电压比较器与阈值比较，输出数字信号，也可直接采分压模拟电压。
输出特性：
| 状态 | 梳状板电阻 | 分压电压 | 比较器输出 |
|---|---|---|---|
| 无雨 | 很大（MΩ级） | 高 | 高（无雨） |
| 小雨 | 中等 | 中等 | 取决于阈值 |
| 大雨 | 很小 | 低 | 低（有雨） |
实验电路：检测板 + R14/R15 分压 → LM393 同相端（反相端电位器调阈值）→ 输出分压 → P0.6（AIN6）。
应用：智能晾衣架自动收衣、自动关窗、汽车感应雨刷、农业大棚雨天关棚、户外设备防水报警。
霍尔传感器（AH3144E）
原理：霍尔效应（1879）——电流垂直于外磁场通过半导体薄片，载流子受洛伦兹力偏转，端面间产生霍尔电压 V_H = B×I/(n×q×d)，与磁感应强度成正比。AH3144E 集成电压调整器 + 霍尔发生器 + 差分放大 + 史密特触发器（迟滞防抖） + 集电极开路输出。
输出特性：磁场超工作点 BOP 输出低；低于释放点 BRP 输出高；迟滞宽度保证稳定不抖动。
关键参数：
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 类型 | 开关型（数字输出，开漏需上拉） |
| 工作方式 | 单磁极（适合矩形/柱形磁体） |
| 供电 | VCC5 |
| 接口 | OUT → P1.7（R11 上拉 + LED 指示） |
实验电路：OUT 开漏 → R11(10K) 上拉 VCC3.3 → LED D1 + P1.7；有磁场输出低（LED 亮）。
应用：无触点接近开关、转速检测（贴磁铁计数）、门窗磁控报警、流量传感器内部测速。
海洋特色应用与总结
立足湛江海洋产业，基础传感器直接服务海洋物联网感知：
- 海水水质监测：温度、压力（水深）、光照（透光度）多参数采集
- 海洋牧场监测：养殖水域环境感知、网箱状态监测
- 海洋气象观测：温湿度、气压、风速（超声波）岸基/浮标部署
- 船舶安全监测：烟雾/可燃气体船舱安全报警
课程总结：17 项实验覆盖感知（数字 SHT10、模拟 GL7516/压力/加速度、开关量 PIR/震动/霍尔、化学 MQ-2/MQ-303A、测距/流量超声波/MR168、气压 MPS-150A、雨滴）、输出执行（蜂鸣器/数码管/矩阵LED/步进电机）两大类器件，构成物联网感知层完整的基础实验体系。掌握传感器原理 → 接口电路 → 数据采集 → 标定校准的完整链路，为后续传感网组网与物联网工程设计奠定基础。
内容来源：《WSN-V 物联网综合教学实验指导书》第 7 章，结合课程教学经验整理。