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Sensors in IoT

Light Dependent Resistor

• 光敏电阻是一种电阻值随光照强度变化的传感器，key parameter为varying resistance

$\text{光↑}\Rightarrow R_{LDR}\text{↓}$

$\text{光↓}\Rightarrow R_{LDR}\text{↑}$

Light Sensor Based on LDR and Op-Amp

• 利用 LDR 将光照强度变化转换为电阻变化，再通过分压电路转换为电压变化：

$$V_o=\frac{10k\Omega }{R_{LDR}+10k\Omega }{V}_{DD}$$

• 光越强，$R_{LDR}$ 越小，因此输出电压越高。
• 使用 Gain = 1 的 Op-Amp Buffer 隔离 LDR 分压电路与 Arduino，避免后级负载影响测量电压(此处理想 Op-Amp可以维持原有电流不被分压)
• 最后由 Arduino 的 10-bit ADC 将模拟电压转换为 $0\sim 1023$ 的数字值。

Photodiode

• 光电二极管也是光传感器，key parameter为varying current
• 原理是当具有足够能量的光子照射PN junction时会产生electron-hole pair从而光生电流，也就是说光越强光电流越大

Thermistor

• 热敏电阻的电阻会随温度变化

$\text{温度↑}\Rightarrow R_{thermistor}\text{↓}$

$\text{温度↓}\Rightarrow R_{thermistor}\text{↑}$

Temperature Sensor Circuit

• 此处Thermistor与其他电阻组成检测电路，再送入Comparator与参考电压进行比较
• 当温度达到设定条件时，比较器输出就会翻转，从而控制LED或是输出端

• Comparator简析：
• 直接比较电压，此处采用运放，当 $V_{in}>V_{REF}$ 时输出接近 $+V_{CC}$，当 $V_{in}<V_{REF}$ 时输出接近 $-V_{EE}$

Soil Humidity Sensor

• Key Parameter：Varying Resistance
• 土壤含水量改变 → 探针间导电能力/等效电阻改变 → 输出电压改变。
• 一般土壤越湿，导电能力越强；课件实验中 Soil Moisture ↑ → Sensor Voltage ↓。
• 可通过实验曲线进行 calibration，将传感器电压换算为 Soil Moisture。 Lecture#4

DHT11: Temperature and Humidity Sensor

• 同时检测 Temperature + Humidity。
• 内部包含：
  • NTC Thermistor：温度 → Resistance 变化。
  • Humidity Sensing Component：湿度 → Capacitance 变化。
• 相对湿度：

$RH=\frac{{\rho }_w}{{\rho }_s}\times 100\%$

• 电容式湿度检测基本关系：

$C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d}$

湿度变化会改变介质性质，从而改变 $C$。

• 传感器出厂时的 Calibration Coefficients 储存在 OTP Memory，由内部检测程序自动进行校准。 Lecture#4

DHT11 Data Transmission

DHT11 使用数字信号向 MCU 发送 40 bits：

$8+8+8+8+8=40bits$

依次为：

1. Humidity Integral Part
2. Humidity Decimal Part
3. Temperature Integral Part
4. Temperature Decimal Part
5. Checksum
   • Bit 0 / 1 通过 HIGH 电平持续时间不同来区分。
   • 课件示例：
     • Humidity：0011 0101 → 35%
     • Temperature：0001 1000 → 24°C
   • Data pin 通常配合上拉电阻连接 MCU。 Lecture#4

DHT11 vs DHT22

	DHT11	DHT22
Voltage	3–5 V	3–5 V
Max Current	2.5 mA	2.5 mA
Temperature	0–50°C / ±2°C	-40–80°C / ±0.5°C
Humidity	20–80% / ±5%	0–100% / ±2–5%
Sampling Rate	1 Hz	0.5 Hz
Advantage	Low Cost	More Accurate

简单理解：DHT11 便宜且快一点；DHT22 范围更大、精度更高。 Lecture#4

Touch Sensor

• Key Parameter：Varying Capacitance
• 基本电容：

$C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d}$

• 未触摸时主要存在 Sensor Capacitance $C_S$。
• 手指靠近/触摸后引入 Finger Capacitance $C_F$ → 总电容增加。
• 控制 IC 检测电容变化并输出 Touch / No Touch 状态。
• 课件模块使用 TTP223 Touch Sensor IC。 Lecture#4

Sound Sensor

• Key Parameter：Varying Output Voltage
• 使用 Dynamic Microphone：
  • Sound → diaphragm 振动
  • 带动 coil 在 magnetic field 中运动
  • 电磁感应产生变化的输出电压
• 即：

$Sound\to MechanicalVibration\to V_{out}$

模块包含：

• Microphone
• LM393 Comparator
• Sensitivity Adjust
• A0：Analog Output
• D0：Digital Output
• Power LED / Sound Detect LED
• VCC / GND

A0 可观察声音强弱对应的模拟电压；D0 通过 Comparator 判断声音是否超过设定阈值。 Lecture#4

Electromagnetic Induction Review

电流会产生磁场——Ampere’s Law：

$\oint \vec{B}\cdot d\vec{s}={\mu }_{0}I$

变化的磁通会产生 EMF——Faraday’s Law：

$\epsilon =-\frac{d\Phi }{dt}$

其中：

• $B$：Magnetic Field
• $I$：Electric Current
• $\mu$：Permeability
• $\Phi$：Magnetic Flux
• $\epsilon$：Electromotive Force (EMF)

也是 Near-Field Inductive WPT 等系统的基础。 Lecture#4

Vibrate Sensor

• 课件使用 SW-18015P Vibration Shaking Switch。
• 振动 → 内部机械触点状态变化 → 电路产生电压变化。
• 模块通过 LM393 Comparator 将其转换为稳定的 Digital Output。
• 可用于检测震动、敲击、移动等事件。 Lecture#4

Ultrasound Sensor

课件使用 HC-SR04，通过测量超声波的 Time of Flight 判断距离。

工作流程：

$Trigger\to TX发射\to Object反射\to RX接收\to Echo$

声速：

$v=340m/s=0.034cm/\mu s$

因为声波经历“去 + 回”：

$Distance=\frac{vt}{2}$

因此：

$s=t\times \frac{0.034}{2}=0.017t$

其中 $t$ 为 Echo HIGH 持续时间。 Lecture#4

HC-SR04 时序：

1. MCU 向 Trigger 输入约 10 μs HIGH。
2. Sensor 发出一组约 40 kHz ultrasound pulses。
3. 超声波遇到物体后反射。
4. RX 接收到反射波。
5. Echo HIGH duration = propagation delay。
6. MCU 根据 Echo 时间计算距离。 Lecture#4

Arduino 程序核心：

digitalWrite(triggerPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(triggerPin, LOW);

time = pulseIn(echoPin, HIGH);
cm = 0.017 * time;

英寸转换：

$inch=\frac{cm}{2.54}$

Lecture#4

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Commonly Used Actuators in IoT

Relay

Relay = 用低功率控制信号控制高功率电路的电磁开关。

• Coil 通电 → 产生磁场 → 改变机械开关位置。
• 三个主要接点：
  • COM：Common
  • NC：Normally Closed
  • NO：Normally Open
• Coil 未通电：COM ↔ NC。
• Coil 通电：COM ↔ NO。
• 用途：Arduino 等低压控制器控制 AC 220 V 等高功率负载。 Lecture#4

课件示例：

$Arduino\to Transistor\to 5VRelay\to 220VACBulb$

• BC547 transistor：放大 Arduino 控制电流、驱动 relay coil。
• 1N4007 diode：用于处理 relay coil 断电时产生的反向感应电压。
• 控制电路和高压负载由 Relay 隔离。 Lecture#4

Buzzer

利用 **Piezoelectric Disc（压电片）**振动产生声音。

Passive Buzzer

• 本身没有 oscillator。
• 需要外部 AC / PWM waveform 驱动。
• 改变 frequency → 改变音调，可播放旋律。

Active Buzzer

• 内部自带 oscillator。
• 输入 DC Voltage 即可自动产生 AC 驱动压电片。
• 控制简单，但音调控制能力较弱。 Lecture#4

Buzzer Experiment：Arduino 按照不同 frequency 和 duration 输出信号给 Passive Buzzer，从而产生 melody。 Lecture#4

DC Motor

基本原理：载流导体处于磁场中会受到 Lorentz Force。

通过 Right Hand Rule 判断：

• Current $I$
• Magnetic Field $B$
• Force $F$

之间的方向关系。

Motor 内主要包括：

• Stator
• Rotor / Armature
• Coil
• Brush
• Commutator

Rotor coil 受到力矩开始旋转；Commutator 会周期性切换电流方向，使转矩始终推动 rotor 向同一方向连续旋转。 Lecture#4

Vector Calculus Review

Unit Vector：

$\hat{a}=\frac{\vec{A}}{|\vec{A}|}$

$\vec{A}=A\hat{a}$

Dot Product

• 衡量两个 vector 在相同方向上的程度。
• 结果为 Scalar。

$\vec{A}\cdot \vec{B}=AB\cos \theta$

Cross Product

• 衡量两个 vector 的方向差异。
• 结果为 Vector。

$|\vec{A}\times \vec{B}|=AB\sin \theta$

Cross Product 的方向由 Right Hand Rule 判断。 Lecture#4

Ampere’s Law

电流周围会产生环形 Magnetic Field：

$\oint \vec{B}\cdot d\vec{s}={\mu }_{0}I$

• 电流越大 → 磁场越强。
• 磁场方向由 Right Hand Rule 判断。
• Solenoid 将多匝线圈产生的磁场叠加，使内部形成较强磁场。 Lecture#4

Control DC Motor

Arduino 通常使用 PWM (Pulse Width Modulation) 控制 DC Motor。

PWM：

• Frequency / Period 保持固定。
• 改变 Duty Cycle → 改变平均输出功率 → 改变 motor speed。

$DutyCycle=\frac{T_{ON}}{T}\times 100\%$

因此：

$DutyCycle\uparrow \Rightarrow AverageVoltage\uparrow \Rightarrow MotorSpeed\uparrow$

实际 Motor 需要较大电流，因此课件电路使用外部电源和驱动元件，而不是直接由 Arduino I/O 驱动。 Lecture#4

Servo Motor

Servo Motor 是带有 Position Feedback 的电机系统，内部包含：

$DCMotor+GearTrain+Potentiometer+ControlUnit$

• DC Motor：产生旋转。
• Gear Train：减速并增加 torque。
• Potentiometer：检测当前角度。
• Control Unit：比较目标角度与实际角度并自动调整。
• 属于 Closed-Loop Control。 Lecture#4

Servo 通过 pulse width 控制位置：

• Frequency ≈ 50 Hz
• Period ≈ 20 ms
• 约 1 ms → 0°
• 1.5 ms → 90°
• 约 2 ms → 180°
• 不同 Servo 可扩展到约 0.5–2.5 ms。 Lecture#4

课件程序使用：

pulsewidth = (angle * 11) + 500;

即大约：

$0^{\circ }\to 500\mu s$

$180^{\circ }\to 2480\mu s$

每个控制周期：

HIGH → pulsewidth
LOW  → 20000 - pulsewidth

程序让 Servo：

$0^{\circ }\to 180^{\circ }\to 0^{\circ }$

循环摆动。 Lecture#4

Step Motor

Stepper Motor 通过依次给不同 coil 通电改变 stator magnetic field，使 rotor 每次旋转一个固定角度：

$CoilSequence\to MagneticFieldChanges\to RotorMovesOneStep$

特点：

• 一次移动一个固定 Step。
• 可以精确控制 angle / position。
• 改变线圈通电顺序 → 改变旋转方向。
• 连续快速切换 → 连续旋转。 Lecture#4

Motor Comparison

Motor	主要特点	课件应用
DC Motor	连续高速旋转、主要控制 Speed	Washing Machines、Air Conditioners、Computer Fans
Stepper Motor	固定 Step、精确 Position Control	Car Side Mirror Tilts、Security Cameras、3D Printers
Servo Motor	Feedback + 精确 Angle Control	Cameras、Solar Array / Antenna Positioning、Automatic Doors

Lecture#4

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Tutorials and Circuit Simulation

Power Switch Circuit

目的：用低功率控制信号控制外部 Power Supply。

课件 Arduino 电路使用 PMOS；Multisim 中只有 2N7000G NMOS，因此模拟时需要调整电路。 Lecture#4

整体关系：

$V_{in}=0V/12V\to ControlCircuit\to V_{ol}=5V/0V$

Simulation 分成两个 Block：

• **Block 1

  • 建立 circuit schematic。
  • 输入 $V_{in}=0V$ 和 $12V$。
  • 同时观察 $V_{in}$、$V_{op}$ waveform。
  • Voltage range：-15 V ~ +15 V。
  • Time：0 ~ 1 s。

• **Block 2

  • 使用 MOSFET power switch。
  • 根据 Block #1 的 $V_{op}$ 控制 MOSFET。
  • 同时观察 $V_{op}$、$V_{ol}$ waveform。
  • 课件答案展示 $V_{op}=+12V/-12V$ 两种状态对应的切换结果。 Lecture#4

Magnetic Field from Solenoid

多匝 coil 中的电流产生的 magnetic fields 相互叠加，形成类似条形磁铁的磁场：

• Solenoid 内部：磁场较强、方向较一致。
• 外部：磁力线由一端返回另一端。
• 相关量：
  • $n$：单位长度内穿过 enclosed surface 的 current turns
  • $L$：积分路径长度
  • $I$：Electric Current
  • ${\mu }_0$：Permeability

其基础仍是 Ampere’s Law：

$\oint \vec{B}\cdot d\vec{s}={\mu }_{0}I$

Lecture#4

第 47、61 页为章节目录页；第 67 页为课程安排，第 68 页为结束页，没有新增 Sensors / Actuators 知识点。

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