感测技术课程设计

感测技术课程设计题目：热释电体温计学号姓名：老师：袁新娣时间：2013 年11月 28日第1页共17页一：系统功能热释电体温计的设计功能：本课题是通过人体热释电红外传感器来测试一定范围内人通过检测人体温度，当人进入测试范围时由菲涅尔透镜的红外线感应到，接受到感应，把感应反映到热释电传感器得到放大等处理，通过 A/D 转换，最小系统等的数据处理最后用单片机处理经过 LCD12864屏幕来显示测的的结果， 即人体温度。二：系统各模块硬件介绍第2页共17页（一）热释电人体红外线传感器的基本结构和原理热释电红外 (PIR) 传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化， 并将其转换成电压信号输出。 将输出的电压信号加以放大， 便可驱动各种控制电路， 如作电源开关控制、 防盗防火报警等。 目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国 Perkinelmer 公司的 LHi954、LHi958，美国 Hamastsu 公司的 P2288，日本 Nippon Ceramic 公司的 SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大图 1 热释电传感器实物图部分可以彼此互换使用。热释电红外线传感器由探测元、 滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图 1 所示。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如 SD02 的敏感单元由锆钛酸铅制成； P2288 由 LiTaO3 制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极， 在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的， 因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、 负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消， 回路中无电流， 传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能 图 2 双探测元热释电红外传感器量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。当人体在传感器的检测区域内移动时， 照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除第3页共17页7.014um 波长以外的红外线。人体的正常体温为 3637.5，即 309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为 m=2989/（ 309310.5）=9.679.64um，中心波长为 9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、 灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。 由于探测元输出的是电荷信号， 不能直接使用， 因而需要将其转换为电压形式。 场效应管输入阻抗高达 104M，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时 D 端接电源正极， G端接电源负极， S 端为信号输出。对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低 ( 一般为 0.110Hz) ，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄 ( 一般为 515um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图2 所示。图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入， 从而加强其能量幅度。 热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。图 3 报警器结构图第4页共17页报警器结构图是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在 0.220um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。如图 4 所示。BISS0001 是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器，广泛用于图 4人体通过传感器产生的信号安防、自控等领域能。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，内部电路如图5 所示。使用时，根据实际需要，利用运放OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运放 OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为 VM( 0.5VDD) 后，将输出信号 V2 送到由比较器 COP1和 COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。由于 VH0.7VDD、 VL0.3VDD，所以，当 VDD=5V时，可有效抑制 1V 的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压 VcV 时， COP3输出为高电平，进入延时周期。当 A 端接“ 0”电平时，在 Tx 时间内任何 V2 的变化都被忽略， 直至 Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。 当 Tx 时间结束时，Vo 下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti 。在 Ti 时间内，任何 V2的变化都不能使 Vo跳变为有效状态 （高电平） , 可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。第5页共17页图 5 BISS0001 内部电路图BISS0001 的典型应用电路如图6 所示。运算放大器 OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由 C3 耦合给运算放大器 OP2进行第二级放大，再经由电压比较器 COP1和 COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号 Vs 去启动延迟时间定时器，输出信号 Vo 经晶体管 T1 放大驱动继电器去接通负载。R3为光敏电阻，用来检测环境照度。 当作为照明控制时， 若环境较明亮， R3 的电阻值会降低， 使 9 脚的输入保持为低电平， 从而封锁触发信号 Vs。SW1是工作方式选择开关，当 SW1与 1 端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当 SW1与 2 端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx 由外部的R9 和 C7 的大小调整，值为 Tx 24576xR9C7；触发封锁时间 Ti 由外部的 R10 和 C6 的大小调整，值为 Ti 24xR10C6 。第6页共17页图 6 BISS0001 典型应用电路下面说下具体的应用及注意的地方：人体都有恒定的体温，一般在37 度，所以会发出特定波长10m 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10m 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10m 左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应 源通常采用热释电元件， 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。(1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为 10m 左右的红外辐射必须非常敏感。(2)为了仅仅对红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。(3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反， 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。(4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。(5)菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距 (感应距离 )，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。被动式热释电红外探头的优缺点：优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：第7页共17页容易受各种热源、光源干扰被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。易受射频辐射的干扰。环境温度和人体温度接近时， 探测和灵敏度明显下降， 有时造成短时失灵。抗干扰性能：防小动物干扰探测器安装在推荐地使用高度， 对探测范围内地面上地小动物， 一般不产生报警。抗电磁干扰探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。抗灯光干扰探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。红外线热释电传感器 的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内， 其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件：红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2 米。 红外线热释电传感器远离空调 , 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 红外线热释电传感器不要直对窗口， 否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。 红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。 热释电红外传感器 对于径向移动反应最不敏感 , 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向 ) 移动则最为敏感 . 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、 求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。菲涅尔透镜菲涅尔透镜概述：菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片， 镜片表面一面为光面， 另一面刻录了由小到大的同心圆。 菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。 菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。 菲涅尔透镜作用有两个： 一是聚焦作用； 二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 PIR（被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜作用：菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区 ”和 “高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从 “盲区 ”进入 “高灵敏区 ”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。第8页共17页菲涅尔透镜， 简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹， 通过这些齿纹， 可以达到对指定光谱范围的光带通 (反射或者折射 )的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是 PIR。PIR 广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个 PIR 上都有个塑料的小帽子。 这就是菲涅尔透镜。 小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10 微米左右（人体红外线辐射的峰值）。菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上，菲涅尔透镜不能用任何有机溶液 (如酒精等 )擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭。第9页共17页（二） LCD12864 显示屏第 10页共 17页下图 7 为 LCD12864 的管脚图 7 LCD12864 液晶（三） A/D 转换器A/D 转换器的概述将模拟信号转换成数字信号的电路， 称为模数转换器 （简称 a/d 转换器或 adc,analog to digital converter ），A/D 转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、 幅值也离散的数字信号，因此， A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码 4 个过程。在实际电路中， 这些过程有的是合并进行的， 例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。如图8 所示第 11页共 17页图 8A/D 转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法1 、逐次逼近法逐次逼近式 A/D 是比较常见的一种A/D 转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D 转换器是由一个比较器、D/A 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图9 所示。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体， 从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1 ，送入 D/A转换器，经 D/A 转换后生成的模拟量送入比较器，称为o ，与送入比较器的待转换的模拟量 i 进行比较，若 o i，该位 1 被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1 ，将寄存器中新的数字量送 D/A 转换器，输出的o 再与 i 比较，若 o i ，该位 1 被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。 转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器， 得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。第 12页共 17页图 9 逐次逼近法2 、双积分法采用双积分法的 A/D 转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图 10 所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔， 再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法 A/D 转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量i， i 采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间的正向积分，时间到后，开关再接通与 i 极性相反的基准电压 F，将F 输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V 时停止积分。 i越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压i 所对应的数字量，实现了 A/D 转换。第 13页共 17页图10双积分法3 、电压频率转换法采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，如图11 所示。它的工作原理是 /F 转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压i 加到 V/F 的输入端，便产生频率 F 与 Vi 成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi ，从而完成A/D 转换。第 14页共 17页图 11、电压频率转换法（四）最小系统对 51 系列单片机来说 , 最小系统一般应该包括 : 单片机、晶振电路、复位电路下面给出一个 51 单片机的最小系统电路图 ；如 12 所示：.第 15页共 17页图 11 最小系统原理图震荡器如图12 所示单片机系统正常工作的保证， 如果振荡器不起振， 系统将会不能工作； 假如振荡器运行不规律， 系统执行程序的时候就会出现时间上的误差， 这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。他是由一个晶振和两个瓷片电容组成的， x1 和 x2 分别接单片机的 x1 和 x2，晶振和瓷片电容是没有正负的，注意两个瓷片电容相连的那端一定要接地。第 16页共 17页图 12 振荡器复位端 复位电路 如图 13 所示给单片机一个复位信号 （一个一定时间的低电平） 使程序从头开始执行； 一般有两中复位方式： 上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低电平给系统复位。图 13 复位电路第 17页共 17页