项目7 鼠标的那点事,鼠标的历史,1968年12月9日，第一款鼠标在加州旧金山市IEEE大会上正式与世人见面。 “鼠标”这个当代计算机科技中最为普遍的人机交互工具。早在整整40年前，它是由加州斯坦福研究所的道格拉斯恩格尔巴特 (Douglas Engelbart)和其同事一起研发的。他们的意旨推出更为简捷地操作电脑的方法，由此鼠标这只小耗子就此诞生了。,鼠标有三种: 机械式 、光电式、无线 接口形式： COM口（9）、 PS/2口（6）、 USB口（4）,项目内容,知识点: 光电传感器的原理、 技能:光电器件光电传感器的使用 拓展知识：光电传感器的其他应用,1. 有关概念,（1）光通量与流明 光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度。光通量的单位是流明，简写为lm。,（2）光照度与勒克斯 照度指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示。 光照度的单位是勒克斯，简写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。 以下是各种环境照度值,单位lx。黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；阴天室内：550；阴天室外：50500；晴天室内：1001000；阅读书刊时所需的照度：5060；家用摄像机标准照度：1400。,（3）发光强度与光亮度 发光强度简称光强，单位时间内通过与光波的传播方向垂直的单位截面的光通量国际单位是坎德拉，简写cd。1cd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。 光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。 光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1流明。,2、光电效应,用光照射某一物体，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 外光电效应（光发射型）: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管 内光电效应:在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻（光电导型）、光敏晶体管（光电导结）型等属于这类光电器件。 光生伏特效应:在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池,3、光电器件,利用外光电效应,（1） 光电管,光电倍增管,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,光电倍增管的结构 与工作原理,光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射,（2） 光敏电阻,树脂封装和金属封装,光敏电阻的工作原理及结构,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。,灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定,梳状电极,光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。,1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,光敏电阻的基本特性,2）光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。,3）光谱特性,光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的,（3）光敏二极管和光敏三极管,光敏二级管,(a)普通光敏二极管 (b)PIN光敏二极管,原理与应用电路,(a) 金属光敏三极管 (b) 透明光敏三极管 (c) 直插树脂封装光敏三极管,1）光谱特性,入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,基本特性,2）伏安特性,硅光敏管的伏安特性,3）光照特性,硅光敏管的光照特性,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好,4）温度特性,其暗电流及光电流与温度的关系,温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。,参数,电压 响应波长与峰值波长 暗电流与光电流,（4）光电池,制作光电池的材料有很多种，如硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉。其中硅光电池的性能稳定、光谱特性好、频率特性好、效率高、价格便宜，应用较广泛。,(a)硅光电池外形(b)图形符号,4、光电器件应用电路,5.光源,（1）白炽光源 白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加色片来获得不同窄带频率的光。 （2）气体放电光源 气体放电光源常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氙弧灯等。 （3）发光二极管 具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。 或白光。 （4）激光器,（5）激光二极管 激光二极管由两部分构成，一部分是激光发射部分LD，另一部分为激光接收部分PD，用于监控激光管工作电流。LD和PD两部分又有公共端点，公共端一般同管子的金属外壳相连，所以激光二极管实际上只有三个脚、,6.光电传感器的类型,1被测物体 2光电元件 3光源,结构:光源、光电元件、被测物体 开关式传感器:透射式和反射式 模拟式传感器,7.机械鼠标的工作原理与结构,机械鼠标主要由滚球、辊柱和光栅信号传感器组成。鼠标通过 ps/2 口或串口与主机相连。接口中一般使用四根线，分别是电源 ，地，时钟和数据,当你拖动鼠标时，带动滚球转动，滚球又带动辊柱转动，装在辊柱端部的光栅信号传感器产生的光电脉冲信号反映出鼠标器在垂直和水平方向的位移变化，再通过电脑程序的处理和转换来控制屏幕上光标箭头的移动。它的底部是一个可四向滚动的胶质小球。这个小球在滚动时会带动一对转轴转动（分别为X转轴、Y转轴），在转轴的末端都有一个圆形的译码轮.当转轴转动时，光电器件会出现出现“接通”或“断开”两种形态，前者对应二进制数“1”、后者对应二进制数“0”。接下来，这些二进制信号被送交鼠标内部的专用芯片作解析处理并产生对应的坐标变化信号。,1：移动鼠标带动滚球。 2：X方向和Y方转杆传递鼠标移动。 3：光学刻度盘。 4：晶体管发射红外线可穿过刻度盘的小孔。 5：光学传感器接收红外线并转换为平面移动速度。,光电鼠标的原理,光学感应器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、连线、PS/2或USB接口、外壳等,光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。,光电式浊度计工作原理,1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样,参比通道,8.光电传感器的其他应用,（1）光电式浊度计和含沙量测量,（2）烟雾报警器外形,无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,报警,（3）光电式转速表,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n =60( f /z ),（4）色标传感器,色饱和图,色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,人眼对各色光的敏感程度,日常我们所看到的颜色是照明光中各种波长的光的混合物，表示这种颜色混合状态的图叫色度图。三原色：红、绿、蓝对应的亮度为（LR，LG，LB）三颜色进行适当的组合得到不同颜色。这时各原色的亮度为（HR，HG，HB） 此时的混合量：R=HR/LR ，G=HG/LG B=HB/LB R、G、B称为三刺激值，三者之和为S,原刺激比定义: r=R/S, g=G/S,b=B/S 显然r+g+b=1 对于某一种颜色的r、g、b值一定称r、g、b为色度坐标，各种颜色可用三者中的两个表示。从蓝到红是条封闭的曲线,颜色测量 用三个滤色镜：通带为0.70微米（红色） 通带为0. 5463微米（绿色） 通带为0. 4359微米（蓝色） 利用光电探测器检测不同颜色光的亮度就可得出三原色坐标确定颜色,色标传感器的用途,现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,各种色标传感器外形,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,（5）光电自动门,自动门光电传感器,有效检测区域,(6)光电式带材跑偏检测器,光电传感器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,（7）光电开关及光电断续器,从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。,一、光电开关的结构和分类,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。,定区域反射式光电开关原理,定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。,检测距离,检测距离,光电断续器可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和