37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验六十一：电压检测传感器模块 Voltage Sensor 电子积木 SUNLEPHANT 单片机学习板开发板配件

知识点：电、电压和电压传感器
一、电（Electricity）
1、电是静止或移动的电荷（带电粒子）所产生的物理现象，是自然界四种基本相互作用之一。电是一种自然现象，指静止或移动的电荷所产生的物理现象，是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。自然界的闪电就是一种电现象。电磁力是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种：缺少电子的原子称为带正电荷，有多余电子的原子称为带负电荷。

2、在大自然里，电的机制给出了很多众所熟知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应等电现象。很久以前，就有许多术士就对此进行过研究，但结果乏善可陈。从18世纪开始，电学取得了重要的发展和突破，如：电荷守恒定律（1752）、库仑定律（1785）、伏打电池（1800）、安培定律（1826）、欧姆定律（1827）、电磁感应（1831）、基尔霍夫电路定律（1845）、戴维南定理（1883）、无线电波（1888）、电子的发现（1897）等。19世纪末以来，电机工程学的快速发展带给了工业和社会巨大的改变，真空三极管的发明推动电子时代急速向前推进。二十世纪中叶，半导体科技的崛起，出现了晶体管和集成电路。电作为能源的一种供给方式，有许多优点。这意味着电的用途几乎是无可限量。例如，交通、取暖、照明、电讯、计算等等，都必须以电为主要能源。家用电器改变了人们的生活方式。进入二十一世纪，现代工业社会的骨干仍是电能。但是，电在给人们带来方便的同时，也存在着触电危险，所以一定掌握安全常识、遵循相关法规，安全用电。

3、电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。
（1）强电一般指交流电电压在24V以上。其主要用途有：
A、电能转化为光能：照明灯具、电视机
B、电能转化为热能（电热）：利用焦耳加热（Joule heating）效应的电热水器、取暖器。
C、电能转化为动能：电动机应用电磁原理，将电能转化成机械能的形式，来驱动各种各样的机械。一个固定不动的电动机，像绞车（winch），可以很容易地获得能源。但是，移动的电动机，像电动车，必须随身带着像电池一类的能源装备，或者用取得电能的滑动接触，像集电弓。这要求限制了其行动范围和工作性能。空调的冷冻循环是使用电动电动机推动一个压缩机。电力也被用来推动公共交通，包括纯电动公交车和火车。
D、电能转化为声波：音响设备

（2）弱电一般指直流电压在24V以内。多使用于音频线路、视频线路、网络线路、电话线路中。
A、通信工程：电讯科技主要是依靠电来传达信息。十九世纪中期，自从威廉·库克（William Cooke） 和查尔斯·惠斯通（ Charles Wheatstone） 展示出第一座具有商业潜力的电报机，随着横贯美国大陆电报系统（First Transcontinental Telegraph）的建立，以及横贯大西洋电报系统（Transatlantic Telegraph Cable）的建立，从地球的这一端到地球的那一端，使用电报机制，只需要很短几分钟时间，人们就可以即时地获得讯息。现今，光导纤维和通讯卫星这两个先进科技，占有了通讯科技市场的一大部分。它们所使用的传输科技仍旧是建立于电磁波原理。
B、计算机：晶体管是二十世纪最重要的发明之一。晶体管是所有现代电子电路的基本元件，最先进的集成电路在小小几平方公分的面积可以内嵌几十亿个微小的晶体管。

4、大自然的电现象
电并不是纯粹人为的发明，可以从大自然观察到的电现象很多。最为人知的现象是闪电。很多熟悉的宏观作用，像接触、摩擦、化学键等等，都是由原子尺寸的电场作用产生的。地球核心的循环电流造成了的地磁场。某些晶体，像石英，或者甚至砂糖，当感受外部压强时，会在其表面之间产生电压，这现象称为压电效应。逆反过来，当施加电场于一个压电物质时，物质的尺寸会出现稍小改变。
有些生物，像鲨鱼，能够探测和响应电场的改变。这种能力称为电觉（electroreception） 。另外有些生物，能够自身制造高压电，用来攻击对方或防卫自己。裸背鱼目里的生物，最著名的例子是电鳗，用改变了的肌肉细胞，称为发电细胞（electrocyte），所制造的高压电，来探测或电昏其猎物。所有动物沿着它们的细胞膜以电压搏动，称为动作电势，来传达信息。动作电势的功能包括神经系统的神经元与肌肉之间的信息传递。电击会刺激这系统，使肌肉收缩。

5、电的生理效应
施加电压于人体，会造成电流的流过人体内部组织。在人体内，电压与电流呈非线性关系，电压越大，电流也越大。随着供给频率的改变，电流路径的不同，感觉阈值也不一样。对于电路主干的频率，感觉阈值大约是0.1mA到1mA。但是在某种状况下，甚至电流小到1µA都可以被感觉得到，能使肌肉发生纤维性抽搐（electrovibration）。假若电流太大，则会造成肌肉收缩、心脏纤维性颤动（fibrillation）或灼伤。由于导体是否通电，很难从外表判断出来，一不小心，就很容易触电，所以，电源是一种危险源。电击可能会造成极剧烈疼痛，时常会被黑心人士用来刑求，称为电刑。在刑法里，电刑也是一种处死的方法。

二、电压（Voltage）
1、电压也被称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。电压在某点至另一点的大小等于单位正电荷因受电场力作用从某点移动到另一点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特（V，简称伏），常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。此概念与水位高低所造成的水压相似。需要指出，“电压”一词一般只用于电路当中，“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。

2、电压的原理，从“类比法”的角度来理解“电压”。通过把“电压”类比成“水压”，化抽象为形象，水压产生水流，电压产生电流的原因。

3、不论电流、电压为何，电阻定义为电压除以电流。在欧姆定律里，电阻与电流、电压无关。并不是每一种元件都遵守欧姆定律。欧姆定律是经过多次实验而推断的法则，只有在理想状况下，才会成立。

凡是遵守欧姆定律的元件或电路都称为“欧姆元件”或“欧姆电路”或“欧姆式导体”，其电阻与电流、电压无关；不遵守欧姆定律的元件或电路称为“非欧姆元件”或“非欧姆电路”或“非欧姆式导体”，其电阻可能会与电流、电压有关。常见的非欧姆元件包括电动机及变压器，其带电部分是线圈，电阻很小。理想变压器的电阻则等于零，这样根据欧姆定律，电流是无限大，因此只能存在于极少状态下，例如超导体，因为其原子核中的电子没有任何震动，电子可以顺畅的流过去而没有任何阻碍。欧姆定律是因德国物理学家格奥尔格·欧姆命名。于1827年，在他发表的一本通论《直流电路的数学研究》（The galvanic Circuit investigated mathematically）里[2]，他详细的论述简单电路两端的电压与流动于电路的电流之间的关系。他所论述的关系比较复杂，稍后会有更详细说明。上述方程乃是欧姆定律的现代版本。

三、电压测量（voltage measurement）
1、电压是指电场力对电场中的单位正电荷由一点移动到另一点所作的功称为电压。电压测量是电子电路测量的一个重要内容。是许多电参量测量的基础。

2、测量原理：电场力对电场中的单位正电荷由一点移动到另一点所作的功称为电压。电压是电子技术测量的一个基本参数，电压测量是电子测量的基础。很多电子设备都与电压有关，如信号发生器、发射机和接收机等，电压是主要的技术指标；其他技术指标，如灵敏度、选择性和增益，也都与电压有关。电路或元件、器件的工作状态，通常皆以电压的形式反映出来。电压的测量对电流、场强、衰减等参数的测量也很重要。

电压测量的可测频率范围极宽，从直流到几吉赫甚至更高频率；量程大，可以从纳伏到上千伏；精确度由百分之几十到万分之几。在电压测量中，往往将 1兆赫以下的电压称为低频电压；而 1兆赫以上的电压称为高频电压（或射频电压）。高频电压的量程一般分为大电压（10伏以上）、中电压（0.1～10伏）、小电压（1微伏～0.1伏）和微电压（1微伏以下）。其中，中电压的测量精度最高，而大、小和微电压的测量都由中电压标准定标。实际测量的电压值有峰值、平均值和有效值。

3、最常见的电压测量是采用电阻测量，即在被测电压点的两端并联大电阻，通过检测标准电阻两端的电压来计算被测电压的大小，如图所示，通过检测标准电阻R3两端的电压V2，可以计算出被测的高压电压V1。

这种串并联电阻的电压测量方法，电路结构简单，价格便宜，在低压测量如小功率UPS,变频器等设备中普遍使用。在使用中，需要注意并联电阻的阻值要远远高于被测电路阻抗，电阻过小会对被测电路分流过多，消耗功率。通常会是兆欧级，高阻值的电阻精度都不高，需要采用多个电阻串、并联的方式，一是可以降低单个电阻的阻值，二是可以增加精度。但串联的电阻越多，又需要考虑整体PCB板的布局以及占板面积和安装位置。另外，这种结构简单的测量方法，无法实现电气上的隔离，除非后级增加隔离器件，但隔离器件的增加又增加了成本，有时还需要考虑涂三防漆等以降低安规方面的风险。

四、电压传感器（Voltage sensor）
1、由于目前电子产品各式各样，供电电源的电压也各不相同，要想检测就需要一款合适的电压检测模块和控制器。控制器模拟接口检测输入电压上限为5V，也就是说大于5V的电压将无法检测。2011 年新推出的这款电压检测模块能够解决此问题，实现检测大于5V的电压，此模块基于电阻分压原理所设计，能使红色端子接口输入的电压缩小5倍，模拟输入电压上限为5V，那么电压检测模块的输入电压则不能大于5V×5=25V（如果用到3.3V系统，输入电压不能大于3.3Vx5=16.5V）。因为Arduino所用AVR 芯片为10位AD，所以此模块的模拟分辨率为0.00489V（5V/1023），故电压检测模块检测输入下限电压为 0.00489V×5=0.02445V。通过3P传感器连接线插接到传感器扩展板，不仅可以轻松实现对电压电量大小的检测，监控互动媒体作品或机器人电池供电的电量，也可以通过IICLCD1602液晶模块显示电压制作电压监测器。

2、模块参数
电压输入范围：DC0－25V
电压工作范围：DC0－25V
电压检测范围：DC0.02445V-25V
数据类型：模拟输入
电压模拟分辨率：0.00489V
DC输入接口：红色端子正极接VCC，负极接GND
尺寸：30mm x 25mm
接口类型：KF2510-3P

3、模块接口：
VCC：被测电压的正端（0-25V）
GND : 被测电压的负端
S：Arduino的模拟输入

• : 未连接 (N/C)
  – : Arduino 的 GND

4、模块电原理图

电压传感器基本上就是一个分压器，由两个电阻分别为 30KΩ 和 7.5KΩ 的电阻组成，即 5 比 1 的分压器。上图显示了输入电压限制为 25V 的电压传感器模块的电原理示意图。

电压传感器模块的实验环境
一、电压传感器模块实验所需硬件清单

Arduino Uno开发板 X1
电压检测传感器模块X1
4.5-30V直流数显表头X1
杜邦线 若干（备了10条）
LED发光二极管（蓝色）X1
高电平触发有源蜂鸣器模块X1
DC-DC可调升压稳压电源模块X1
Proto Shield 原型扩展板（带mini面包板）X1