IoT物联网嵌入式设备中30种常见传感器模块简介及原理讲解

0、前言

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

各类传感器模块上都有其核心部分和辅助电路，如光敏电阻传感器上的光敏电阻就是整个模块的灵魂，它是电路与外界沟通的桥梁，而辅助电路单元只是为了能够简单处理输入、输出量，让敏感元件和模块的插口能够安全对接并正常传输数据。大多数传感器的核心部件测量的物理、化学量都是模拟量，因此辅助电路为插口输出预期值（比如把模拟量转换成开关量）做出了巨大贡献。之所以封装成模块是为了方便使用者直接用它插口的输出量来完成预期功能，省去了自己设计、制作并调试电路的时间。

今天小编就带大家了解一下市场上 常见的各类传感器模块及其简单工作原理！ 当然每一种传感器还有不同型号，文章中每种传感器只举一例，各种同类型的传感器模块的原理和使用方法大同小异。以下的分类是小编根据其测量的物理、化学量的特点大致分类的，不要钻牛角尖哦！！！

这里介绍几个模块上常见的插口标识及术语：

• VCC：电源正极（一般为5V）

• GND：电源负极（0V）

• AO：模拟量输出

• DO：数字量输出

• OUT：输出

• 开关量：高低电平

一般情况下各种敏感元件测量的都是模拟量，为了能把模拟量转换成开关量供单片机使用，大多数模块都会使用LM3983芯片及相关电路。LM393芯片外观及内部逻辑电路如下图。

LM393是双电压比较器，有8个引脚，将芯片的凹槽向上（如右上），右上角为VCC，左下角为GND，这两个引脚为芯片正常工作提供条件；其余的6个引脚分为左右两组，每一组都含有一个比较器，每个比较器都有两个输入端和一个输出端；当比较器“+”极电压大于“-”极电压时，输出端（Output A/Output B ）输出高电平，否则输出端输出低电平；利用这一特性，它常常被用作探测电压的变化，然后控制一个电路的开关（具体电路及详细使用方法请自行百度）。

一、光学传感器模块：

1. 光敏传感器模块：

光敏传感器是最常见的传感器之一

它的核心元件——光敏电阻可以将光信号（光强度）转换为电信号（光敏电阻的电阻）；然后比较电路把经过光敏电阻的电压和经过电位器的电压进行比较，并向DO口输出高电压或低电压供用户使用；而AO口是直接经过光敏电阻降压后的电路，所以输出的是在GND和VCC之间的任一电压值；当然VCC和GND是模块元件和芯片正常工作的基本条件，不可或缺！！！光敏传感器常用于相机自动调光圈或路灯自动开关等。

2. 红外避障模块

红外避障模块有与上面介绍的光敏传感器基本相同的辅助电路（都有LM393芯片及周边电路）；核心元件为红外线发射管（图中透明元件）和红外线接收管（黑色），发射管发射一定频率的红外线；

当发射的红外线被前方的障碍物反射，接收管接收到红外线时，此时比较电路就会比较经过接收管和电位器的电压，进行与光敏传感器模块相同的输出操作（由OUT脚输出对应电信号）。红外避障模块常用来制作智能小车，如做循迹车的道路检测部分、避障车的障碍物检测部分等。

3. 循迹传感器模块

可以很清楚的看到循迹传感器模块也包含比较电路，它与红外避障模块原理相同，也是发射红外线——红外线遇到障碍物反射——接收红外线；

它的核心元件是红外对管，它由红外发射管和红外三极管组成，红外三极管与常见的PNP/NPN三极管工作原理类似，它与红外二极管的不同在于将光信号转换为电信号的同时，也将电流放大，只是它接收的是光，而不是电，只要接收到光，就会有电流从红外三极管的一端流向另一端；红外对管的发射管与接收管由塑料壳固定并隔开来避免发射管里面的红外线直接被红外三极管接收到，造成不必要的干扰；这个模块是设计来制作循迹车的，所以检测部分和其它电路单元在PCB板的不同面(检测部分面向地面，电路在另一面）,这样即方便观察电路板上的指示灯状态，又不用担心电子元件朝向地面碰撞或沾水损坏。

4. U型光电传感器模块

U型光电传感器模块又叫做槽型光耦模块、测速传感器模块、计数器模块；

它也含有比较电路，与以上几种比较电路不同的是，这个模块上没有电位器，这是因为上面几种模块对环境要求比较严格（比如太阳光，灯光等都会对它的接收端造成影响），要根据实际外界情况调整电位器达到预期效果，而U型槽光电模块直接将接收管和发射管置于相对的两侧，再分别用塑料壳包装，只留很小的空隙发射和接收红外光，所以受到外界的干扰较少，可以用贴片电阻直接取代电位器，减少成本、缩小体积并达到预期效果；

计数器模块不是单独使用的，常常配合测速码盘使用的，测速码盘外观如上图中圆形物件，一般为塑料材质；码盘固定在转轴上，码盘外围的空隙置于槽型光耦模块的U型槽之间；U型槽两端的元件与红外对管原理相同，只是将它们放在U型槽的两边，并在它们之间留很小的空隙透光；当圆盘外围的光栅挡住红外光时，模块的OUT脚会输出一种开关量，当光栅空隙在U型槽之间时，模块输出相反的开关量；因为可以根据数理计算得到码盘的转动情况，这样就可以计算出轴承的转速及其它相连的机械物件的角速度或线速度了，也可用根据实际机械结构来计数。

5. 红外接收模块

红外接收模块用于接收红外信号，一般用于接收数字红外信号，如电视遥控器发出的红外信号；红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，包含红外检测二极管、放大器等，成为一体化红外接收头；红外接收头需要VCC和GND提供工作条件，它接收到红外信号会在OUT脚输出低电平，平时OUT脚为高电平；由于自然光常常包含红外线等波长的光，所以为了屏蔽自然光中红外线的干扰，红外线接收头常常用黑色塑料包装，而用铁壳就可以遮挡一部分光，使接收头接收一定角度内的红外信号。

6. 火焰传感器模块

由于火焰的光包含大量红外线，所以可以用红外线接收装置直接接收外界的光，再通过模块的比较电路判断是否着火；下面的模块有4个端口，其中VCC为电源正极，GND为电源负极，AO直接输出检测到的模拟量，DO输出经过LM393芯片判断后的开关量。

7. 脉搏传感器

脉搏传感器按照输出方式有模拟输出、数字输出两种。按照采集信号的方式主要可以分为压电式、压阻式、光电式等三种；其中压电式和压阻式通过微压力型的材料（压电片、电桥等）将脉搏跳动的压力过程转换为信号输出。光电式脉搏传感器则通过反射或对射式的方式，将血管在脉搏跳动过程中透光率的变化转换为信号输出；脉搏传感器主要应用在医疗设备、教学设备，教学实训等领域，如血氧测量、心率监测、中医脉象诊断等等。

8. 摄像头模块

摄像头模块的核心元件是镜头内部嵌有的小块感光元件，感光元件又叫图像传感器；模块传输出去的图像品质与这个感光元件的精密程度有直接关系；感光元件主要有两种：CCD（电荷耦合）、CMOS（互补金属氧化物半导体），大多数手机中的数码相机的感光元件基本都是COMS的；

CCD是一种高感光度的半导体材料，由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位；当当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，即把光线转变成电荷；所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。而后转换成数字信号，经过压缩后保存在相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡中。

CMOS的制造技术和一般计算机的制造技术没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

二、力学传感器模块：

9.倾斜开关传感器模块

倾斜开关的金属头中有一个小钢珠，根据小球向低处走的特性，使开关闭合或断开；目前大多数滚珠开关的材料是水银，有易破损、氧化、漏气、寿命短、环境污染大的缺点；而钢球开关撇弃了以上的种种缺点，更环保易用，并且更加安全。此模块的端口可输出模拟量和数字量。

10.振动传感器模块

振动传感器模块的核心元件是振动开关，振动开关的结构如图；振动元件的一端是金属棒，另一端为金属弹簧，两极一般是分开的；

当有振动产生时，弹簧振动接触到金属棒，则元件两极导通，可以通过这种方式检测是否有振动产生；其实振动开关很常见，滑板能发光的轮子里面有个弹簧开关，当轮子转动的时候，弹簧被甩向轮子轴心的远处，那里有另一个电极，弹簧和另一个电极接触便可以导通电路，让灯亮起来，悠悠球里面的灯也是这样亮起来的，有些童鞋也会装有类似的装置，它们都是振动传感器的简化版。

11.MPU6050陀螺仪三轴加速度传感器模块

MPU6000是全球首例整合6轴运动出力的组件，它整合了3轴陀螺仪和3轴加速器，并使用IIC端口向外传输测量数据；

可用于运动感测游戏、现实增强、电子稳像、光学稳像、行人导航器、“零触控”手势用户接口、姿势快捷方式、车轮力传感器；智能型手机、平板装置设备、手持型游戏产品、游戏机、3D遥控器、可携式导航设备都会用到MPU6000，它的潜力很大，技术高新，价格比其它传感器贵。

12.压力传感器模块

压力传感器由压敏元件和信号处理单元组成；电阻应变片是压阻式传感器的主要组成部分之一；金属应变片吸附在基体材料上，基体材料一般会设计特殊的结构以应对不同大小的力；当基体材料受到力的作用形变，其表面的电阻应变片的电阻会呈现有规律的变化，这种现象被称作电阻应变效应；

压力传感器是比较常见的传感器，家用电子秤、电子血压计、自动化工厂都会用到压力传感器；下图为家用电子秤的压敏元件。

三、磁类传感器：

13.干簧管传感器模块

干簧管是一种磁敏的特殊开关，可以检测周围是否有磁场；它通常由两个软磁性材料做成，两个簧片被封装在玻璃管内，为防止簧片触点多次的接触与断开形成氧化膜绝缘，玻璃管内充有惰性气体；无磁时两个簧片断开，有磁时两个簧片接触，是个常用且廉价的磁性开关。

14.霍尔传感器模块

与干簧管不同的是，霍尔元件可以测量磁性的大小，下图的模拟霍尔传感器模块输出值与磁性大小有一定的线性关系，因此可以通过它的输出值计算磁性大小，当然它也可以加比较电路达到与干簧管传感器相同的功能。

霍尔元件工作用原理也就是霍尔效应，所谓霍尔效应如右上图所示，让以电流I通过导体，在与电流垂直的平面加一个方向的磁场B，则电流方向的电荷会受到洛伦兹力，则会使同时垂直于电流方向与磁场方向的导体两端出现电势差，霍尔元件通过这个原理测量这个电势差，最终将模拟量输出。

四、开关类传感器模块：

15.轻触开关按钮模块

这种模块就是装有单个或多个微动开关矩阵的模块，并设计相应数量的插针或焊点，原理很简单，这里不做解释。

16.雨滴检查传感器模块

雨滴检查传感器由两部分组成——检测面板和比较模块；如果有雨滴落在检测板的两个电极之间，就会有电流通过水滴，模块通过比较通过水滴的电压和通过电位器的电压，然后从DO脚输出低电平，开关指示灯亮，反之开关指示灯灭，DO口为高电平；AO脚输出的是通过水滴的模拟电压值；这个模块的工作原理也相对简单，可用作天气状况监测或汽车雨刮器的检测单元。

17.土壤湿度传感器

土壤湿度传感器的检测元件是一个U型的电路板，U型板两边电极是不相连的，它的原理与雨滴检查传感器的原理是一样的；使用时将U型电路板插入土壤，由于土壤中有水分，会有一定的电流从U型电路板的一端通向另一端；土壤中的水分越多，通过的电流就越多；比较模块比较通过检测板后的电压并输出开关量，这个模块也有模拟量（AO）输出。

18.触摸传感器模块

触摸传感器模块中的监测部分是上图中的白色同心环，同心环下面有环形电路，如果手指接近这个电路，环形电路部分的电容就会改变，其它的电路通过监测这个变化值来确定是否有手指接近，然后输出检测量；它仅有三个端口，一个电源（VCC）、一个接地（GND）和一个信号输出（SIG），当然SIG脚输出的也是开关量供外部电路使用。

五、气体类：

19.模拟温度传感器

顾名思义，模拟温度传感器的输出量为模拟量（未经电路处理），下图的传感器元件为LM35温度传感器探头；它有三个管脚，VCC、GND和VOUT，由于它采用内部补偿，所以它VOUT脚的输出量可以在没有辅助电路的情况下与摄氏温度值一一对应，它也可以增加比较电路来输出开关量。

20.DHT11湿度传感器模块

DTH11湿度传感器模块可以检测周围环境的湿度，下面的模块同时带有温度传感器；

DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，它包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接；模块有3路端口，其中DATA脚向外输出湿度和温度数据。

21.烟雾传感器模块

下图的传感器核心元件是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡；当传感器所处的环境中有可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大；

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为该气体浓度的输出信号，也可以输出开关信号。

22.BMP180气压传感器模块

BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA；

BMP180采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载（LCC）超薄封装，可以通过I2C总线直接与各种微处理器相连。

六、模拟量传感器：

23.AD/DA转换PCF8591传感器模块

大家都知道模拟量和数字量是两个相对的量，不能串通使用，这个模块的作用就是实现数、模之间的转换；

PCF8591芯片具有4个模拟量输入、1个模拟量输出和1个IIC总线（一种不同芯片之间的通信协议）接口；也就是说它最多可以接收4路模拟量，将它们转换成数字量后通过IIC总线将数据包装发送出去供外部电路使用；那1个模拟量输出就是外部电路将数字量通过IIC总线送给PCF8591芯片，芯片将数字量转换成模拟量，并发送给模拟量输出端口；使用这个模块要用IIC总线，IIC总线是芯片之间的一种通信协议，这里就不做详细解释了；同时它上面也自带可选择使用的光敏电阻、电位器和热敏电阻来采集环境变量；此模块是数字电路与模拟电路之间的桥梁，可用于万用表中测量电压或电流等。

24.PS操作传感器模块

PS操作传感器模块具有二路模拟输出和一路数字输出接口，它在空间中被定义了X、Y、Z轴；摇杆在X、Y轴的偏移会导致相对应的电位器触点偏移，因而使接入电路的电阻有变化，从VCC通过电位器会有一定的压降，这个电压会在X、Y轴的相应端口输出，而从Z轴按下时，摇杆下面的微动开关会与GND接通，这个开关量会在Z轴的端口输出；由于它X、Y轴输出的是模拟量，数字电路无法直接使用，所以一般需要经过模数（AD）转换才能正常使用。

25.电位器传感器模块

电位器的结构图如下，VCC和GND分别接到A、C端，模块的OUT脚接到B端，B端与滑动端导通，电阻体具有一定的电阻，当滑动端在可动范围内滑动时，B端的电压与角度有线性关系，这样B端就可以获得在VCC与GND之间的任意电压供其它电路使用。

七、声学传感器：

26.超声波传感器模块

由于超声波方向性好和反弹能力强的特点，常被应用于军事潜艇的声呐，超声波传感器模块就是声呐的缩小版；

超声波传感器模块其实是一个已经高度封装好的模块，模块的正面由一个超声波发射器和超声波接收器组成，背面是很复杂的电路；它有4个端口：VCC和GND提供工作电压，Trig是控制端，可以接受外部控制电路的操作信号开始测距，Echo为接收端，它可以以一定规律的信号响应模块测量的数据；

时序图
由于它是高度封装的，使用起来其实很简单：采用IO触发测距，至少给Trig端10微秒的高电平信号，如上图第一条图线（高低电压显而易见）；当模块内部电路检测到至少10微秒的高电平信号后就开始从发射端发射8个40khz的方波（如第二条线），并自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，即接收端接收到发出去的超声波，则超声波模块会从Echo让端口保持一定时间的高电平，持续的时间与测得的距离成正比，这样就可以用其它芯片测算这个高电压的持续时间实现准确测距；这便是一个测距功能的完整过程。

27.声音传感器模块

声音传感器模块只能检测外界的声音有无（灵敏度可调），并不能测量声音的大小，而部分模块有模拟量输出，也就是它可以识别来声音大小。

当声音大于电位器的定位对应的声音时，模块上指示灯会亮，并向OUT脚输出，低电平，其他情况OUT脚都为高电平；由于它对声音的响应作用，可用来制作声控开关。

八、信息传输模块：

28.MP3蓝牙解码板

蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人局域网之间的短距离数据交换，蓝牙的波段为2400-2483.5MHz，这个是全球范围内无需取得执照的工业、科学和医疗用波段的2.4GHz短距离无线电频段；蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz；

上面模块为MP3蓝牙解码板，它可用于制作蓝牙音箱等蓝牙音频播放设备。

29.蓝牙数据模块

同样是使用蓝牙技术，MP3蓝牙解码板只能接受设备发出的音频信息，并将其从音频终端播放，而下面这款蓝牙模块可以接受连接设备的所有类型的信息。它与其他蓝牙设备配对成功后，无需了解任何蓝牙协议便可使用；支持8位数据位，1位停止位，无奇偶校检的通信格式；各种型号的蓝牙模块的使用方法大同小异，这里就不做多余的介绍；它可用于手机app控制蓝牙设备等。

30.WIFI模块

WIFI是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段；WIFI模块又名串口WIFI模块，属于物联网传输层，功能是将串口或TTL电平转换为符合WIFI无线网络通信标准的嵌入式模块；内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议线；传统的硬件设备嵌入Wi-Fi模块可以直接利用Wi-Fi联入互联网，是实现无线智能家居、M2M等物联网应用的重要组成部分。
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