基于熱釋電的人體紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、信息工程學(xué)院 基于熱釋電的人體紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于熱釋電的人體紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】本課題的主要內(nèi)容是熱釋電在人體紅外探測(cè)中的應(yīng)用，最終落實(shí)到對(duì)熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。課題主要對(duì)五部分進(jìn)行了探索研究，分別是光學(xué)設(shè)計(jì)部分，光電轉(zhuǎn)換部分、處理電路部分、報(bào)警系統(tǒng)和控制顯示系統(tǒng)，利用了應(yīng)用光學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)等學(xué)科的知識(shí)。涉及的知識(shí)面廣，內(nèi)容較多，但涉及的知識(shí)較淺，所以做起來(lái)并不是很難。光學(xué)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)菲涅爾透鏡做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光電轉(zhuǎn)換部分主要分析了熱釋電紅外傳感器的工作原理，并為其提供了適合電源。處理電路部分主要對(duì)BISS0001的外圍接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使它能夠正常有效的工作。報(bào)警系

2、統(tǒng)主要是對(duì)蜂鳴器和發(fā)光二接管的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？刂骑@示系統(tǒng)主要對(duì)靜態(tài)顯示部分、軟件部分、報(bào)警部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)?！娟P(guān)鍵詞】熱釋電傳感器 AT89C51 BISS000 蜂鳴器第 2 頁(yè) 共 35 頁(yè)Design of human infrared detection system based on pyroelectric effectAbstractThis topic primary coverage is pyroelectric in the human body infrared detection application,carried out finally to the pyroe

3、lectric infrared alarm system development, the topic mainly has conducued the exploration research to five parts ,respectively was the optical design part,the electro-optic conversion fraction,processed the electric circuit part,the alarm system and che control display system.Using applied optics,an

4、alogous circuit,digital circuit,discipline and so on monnlithic integrated circuit knowledge.Involves the aspect of knowledge is broad ,the content are many,but involves the knowledge is shallow,therefore does is not very difficult.The electro-optic conversion fraction has mainly analyzed the pyroel

5、ectric infrared sensors principle of work ,and to get up provides has suited the power source.The rocessing electric circuit part mainly has carried on the design to the BISS 0001 periphery connections ,enables it the normal effective work. The alarm system was mainly has carried on the design to th

6、e buzzer and light emitter diode is electric circuit.The control display system mainly to the static demonstration part ,the software part.The control display system mainly to the static demonstration part ,the software part ,the waining part has carried on the design.keywordsPyroelectric sensor AT8

7、9C51 BISS0001 buzzer目 錄引 言1第1章 前言21.1 熱電檢測(cè)器件分類和發(fā)展?fàn)顩r21.2課題研究主要內(nèi)容4第2章 熱釋電紅外傳感器的原理52.1 前言52.2 熱釋電效應(yīng)52.3 熱釋電傳感器的分類62.4 被動(dòng)式熱釋電人體紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)72.5 被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器的工作原理與特性82.6 被動(dòng)式熱釋電人體紅外線傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)9第3章 熱釋電報(bào)警系統(tǒng)的總體方案103.1熱釋電報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理103.2 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)113.3 被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器選擇153.4熱釋電傳感器處理芯片173.5單片機(jī)的選擇20第4章 硬件設(shè)計(jì)244.1電源電路的設(shè)計(jì)24

8、4.2 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)244.3 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)254.4報(bào)警電路的設(shè)計(jì)264.5信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)27第5章 軟件設(shè)計(jì)285.1 匯編語(yǔ)言介紹285.2 查詢軟件設(shè)計(jì)流程圖29第6章 結(jié)論30參 考 文 獻(xiàn)31附錄：匯編語(yǔ)言原程序32附錄：原理圖34信息工程學(xué)院 基于熱釋電的人體紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)引 言由于近幾年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人類的生活水平不斷提高，與此同時(shí)也造就了現(xiàn)在社會(huì)的貧富差距過(guò)大，社會(huì)的不穩(wěn)定因素增加。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，加上從事安全技術(shù)防范行業(yè)同仁的共同努力，防盜報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)成為安全技術(shù)防范體系的重要組成部分。為了保證人們的財(cái)產(chǎn)及人身安全，高科技防范系統(tǒng)迅速走入尋常百姓

9、的家，也為安防市場(chǎng)造就了巨大的財(cái)富空間。防盜報(bào)警系統(tǒng)將為營(yíng)造安全、舒適的工作和生活環(huán)境，為保證公共安全、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、構(gòu)建和諧社會(huì)發(fā)揮更大的作用，并從中得到更大的發(fā)展。熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，如果能很好地利用這種器件，我們會(huì)在防盜報(bào)警領(lǐng)域中獲得得突破。激光紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。利用熱釋電紅外傳感器探測(cè)人體紅外輻射，為隔離空間防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)單方便、準(zhǔn)確的辦法。本

10、課題就是基于上述優(yōu)點(diǎn)，對(duì)熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行的研究。 綜上所述，由于具有良好的市場(chǎng)和豐富的理論，對(duì)熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)的研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。第1章 前言1.1 熱電檢測(cè)器件分類和發(fā)展?fàn)顩r一、熱電探測(cè)期間的分類熱電探測(cè)器件按其工作機(jī)理大致可以分為三類：熱電偶及熱電堆、熱敏電阻、熱釋電探測(cè)器。熱釋電探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換為電能的器件。顯然，輸出信號(hào)的形成有兩個(gè)階段：第一階段是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能（即熱輻射所引起的溫升）這是每個(gè)熱電探測(cè)器件都要經(jīng)過(guò)的階段，所以是共性；第二階段是將熱能轉(zhuǎn)換為電能，這是個(gè)性，隨具體器件而異。（一） 熱電偶及熱電堆熱電偶是一種熱敏元件，

11、在接收入輻射以后引起溫度升高，隨之產(chǎn)生溫度差電勢(shì)。使用時(shí)不加外電源，當(dāng)兩種不同的金屬A和B組成一個(gè)回路時(shí)。如果兩種金屬的連接點(diǎn)一端溫度升高（稱為熱端），另一端溫度較低（稱為冷端）。在入射輻射作用下，在回路兩端產(chǎn)生溫度差T,由于溫度差便產(chǎn)生電位差E,則在回路中就有電流流過(guò)，而=E/R。其中R稱回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差效應(yīng)（塞貝克熱電效應(yīng)）。（二）熱敏電阻凡吸收入輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度的轉(zhuǎn)換為電能，引起晶格震動(dòng)加劇，

12、器件溫度上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。（三）熱釋電探測(cè)器件對(duì)于大多數(shù)電介質(zhì)，在可逆電池的情況下，整個(gè)電池處于電化學(xué)平衡狀態(tài)，兩個(gè)電極也分別處于平衡狀態(tài)，電極電位是由能斯特方程決定的，是平衡的電極電位。此時(shí)，通過(guò)電極的電流為零，即電極反應(yīng)的速率為零。若要使一個(gè)不為零的電流通過(guò)電極，電極電位必須偏離平衡電極電位的值，這個(gè)現(xiàn)象就稱為電極的極化。在電壓除去后，極化狀態(tài)隨即消失，帶電離子的運(yùn)動(dòng)又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。但是，有一類被稱為“鐵電體”的電介質(zhì)，在外加電壓除去后仍保持著極化狀態(tài)。這就是所謂的“自發(fā)極化”。一般鐵電體的極化強(qiáng)度PS（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度降低。升高到一定溫度，自

13、發(fā)極化就會(huì)自動(dòng)消失，這個(gè)溫度稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度PS是溫度的函利用這一關(guān)系制造的熱敏類探測(cè)器，成為熱釋電探測(cè)器。二、熱電檢測(cè)器件的發(fā)展熱電檢測(cè)器件是利用熱電效應(yīng)（實(shí)際某些低溫?zé)崽綔y(cè)器則伴隨有量子效應(yīng)），即器件吸收入射輻射產(chǎn)生溫升引起材料物理性質(zhì)的變化，輸出電信號(hào)。從光譜角度響應(yīng)角度來(lái)看，熱探測(cè)器又稱為無(wú)選擇性探測(cè)器（對(duì)全波長(zhǎng)有相同的響應(yīng)率），且室溫下不需制冷，因而是一些光電探測(cè)器不能取代的。相反，由于熱釋電探測(cè)器的出現(xiàn)，已延伸到某些原為光電探測(cè)器所占的領(lǐng)域。（一）熱電偶與熱電堆的發(fā)展這是一類最古老的紅外探測(cè)器，發(fā)明于1826年，但至今用途還很廣，在光譜儀、光譜儀

14、器以及光電器件測(cè)試定標(biāo)等方面應(yīng)用極為普遍，在最新式的紅外光譜儀上也多用這種探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)。（二）熱敏電阻的發(fā)展1950年荷蘭PHLIPS公司的海曼等人，在BaTiO材料中摻入稀土元素做半導(dǎo)化實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種半導(dǎo)體材料的電阻率具有很高的正溫度系數(shù)，存在很強(qiáng)的PTC效應(yīng)，探索這種現(xiàn)象的機(jī)理很快成為引人注目的研究課題。十幾年來(lái)，在世界眾多科學(xué)工作者的努力下，在許多方面取得了重大突破，不僅理論日臻成熟，其應(yīng)用范圍也下不斷擴(kuò)大。隨著研發(fā)和設(shè)計(jì)工程師對(duì)PTC熱敏電阻的了解越來(lái)越深刻，許多新用途不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，目前滲透到日常生活、工作技術(shù)、軍事科學(xué)、通訊、宇航、等各個(gè)領(lǐng)域。（三）熱釋電器件的發(fā)現(xiàn)熱釋電效應(yīng)早

15、在18世紀(jì)就在電氣石中發(fā)現(xiàn)了。1938年日本Yeoy Ta首次利用這個(gè)效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但是直到1956年貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Chynoweth用動(dòng)態(tài)法研究鈦酸鋇（BaTiO）的熱釋電效應(yīng)，為實(shí)用紅外探測(cè)器的研制打開(kāi)了局面。接著1962年英國(guó)Cooper從理論上討論了熱釋電探測(cè)器的性能，他計(jì)算出BaTiO熱釋電探測(cè)器在居里溫度附近（381K）的NEP優(yōu)于其他類型熱探測(cè)器。但由于當(dāng)時(shí)材料性能的限制，實(shí)際上沒(méi)有得到較好性能。1969年英國(guó)人Putley對(duì)熱釋電探測(cè)器的工作原理作了系統(tǒng)的論述，這些工作成為熱釋電探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，夜視儀、紅外導(dǎo)彈指導(dǎo)等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用需求推動(dòng)了制冷性能

16、熱釋電紅外傳感器的研究與發(fā)展。近年來(lái)隨著火災(zāi)探測(cè)、遠(yuǎn)距高溫測(cè)試、入侵防盜安全監(jiān)測(cè)、紅外光譜測(cè)試等民用應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，低成本熱輻射計(jì)、熱電堆和熱釋電紅外傳感器全球每年有超過(guò)5000萬(wàn)只民用市場(chǎng)的巨大需求，推動(dòng)了非制冷性熱釋電紅外傳感器的發(fā)展。器件的發(fā)展又反過(guò)來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)了熱釋電材料的研究與發(fā)展。到目前為止，熱釋電材料，如TGS材料、鉭酸鋰材料、PVDF，PZT等鉛基陶瓷材料都有較大發(fā)展。1.2課題研究主要內(nèi)容課題基于熱釋電效應(yīng)，利用熱釋電探測(cè)器探測(cè)人體的紅外輻射，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理后，驅(qū)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，以此來(lái)達(dá)到報(bào)警目的。研究的主要流程如下： （1）探討選題的目的和意義，對(duì)熱點(diǎn)探測(cè)

17、器件進(jìn)行總結(jié)對(duì)比。 （2）介紹熱釋電效應(yīng)的產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用。 （3）對(duì)報(bào)警系統(tǒng)做總體設(shè)計(jì)。 （4）報(bào)警系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)。 （5）報(bào)警系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。第2章 熱釋電紅外傳感器的原理2.1 前言熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)到人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才推動(dòng)了對(duì)熱釋電效用的研究和對(duì)熱式電晶體的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)。 2.2 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是指極化強(qiáng)

18、度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電荷釋放現(xiàn)象，宏觀上是溫度的改變是在材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流。熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)類似，熱釋電效應(yīng)也是晶體的一種自然物理效應(yīng)。對(duì)于具有自發(fā)式極化的晶體，當(dāng)晶體受熱或冷卻后，由于溫度的變化（T）而導(dǎo)致自發(fā)式極化強(qiáng)度變化（Ps），從而在晶體某一定方向產(chǎn)生表面極化電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自動(dòng)所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖2-1 表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。圖2-1 熱釋電效應(yīng)的形成原理

19、圖能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料（LiTaO等），壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷Q，即在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生一微弱電壓V。由于它的輸入阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Q會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，T=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生T，則有信號(hào)輸出，若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不

20、動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見(jiàn)圖2-2所示。傳感器主要由外殼，濾光片，熱釋電元件PZT，場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口?？梢院芎玫貫V除太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8m到12m之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在他的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到濾光片的抑制作用。2.3 熱釋電傳感器的分類熱釋電探測(cè)器根據(jù)其工作原理可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。主動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器是由收、發(fā)裝置兩部分組成。發(fā)射裝置

21、向裝在幾米甚至于幾百米遠(yuǎn)的接收裝置輻射一束紅外線，當(dāng)被遮擋時(shí)，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，因此，它是阻擋式報(bào)警器，或稱對(duì)射式探測(cè)器。通常，發(fā)射裝置由多諧振蕩器、波形變換電路、紅外發(fā)光管及菲涅爾透鏡等組成。振蕩器主脈沖信號(hào)，經(jīng)波形變換及放大后控制紅外發(fā)光管產(chǎn)生紅外脈沖光線，通過(guò)聚焦透鏡將紅外光變?yōu)檩^細(xì)的紅外光束，射向接收端。而接收裝置由光學(xué)透鏡、紅外光電管、放大整形電路、功率驅(qū)動(dòng)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。光電管將接受到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，經(jīng)整形放大后推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備。 但由于主動(dòng)式熱釋電存在著不易安裝，功耗大，以及容易造成目標(biāo)重疊等缺點(diǎn)而優(yōu)先采用被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器。 在自然界，任何高于絕對(duì)溫度

22、的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的。任何有溫度的物體都在不斷向外界輻射紅外線，人體的表面溫度大概為27到36攝氏度，其大部分輻射能量其中在8到12m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，熱釋電作為人體紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康膫鞲衅?，把接收到的輻射裝換成電信號(hào)并相應(yīng)輸出。被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器不向空中輻射能量，而是依靠接收人體發(fā)出的紅外輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)目的的。在被動(dòng)紅外探測(cè)器中有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件，一個(gè)是熱釋電紅外傳感器(PIR)，它能將波長(zhǎng)為8到12um之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用，因此在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無(wú)

23、人替移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)入警戒區(qū)，通過(guò)菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的是人體溫度與物體背景溫度的差異信號(hào)。因此，紅外探測(cè)器的紅外探測(cè)的基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度差異。另外一個(gè)器件就是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)，一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)即所謂的報(bào)警信號(hào)。由于本課題是利用被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器，所以，下面只介紹被動(dòng)式傳感器結(jié)

24、構(gòu)、工作原理及特性。2.4 被動(dòng)式熱釋電人體紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡(jiǎn)稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成 ，下面主要介紹敏感元件和濾光窗。一、敏感元件對(duì)不同的傳感器來(lái)說(shuō)，敏感單元的制造材料有所不同。例如，SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成，P2288由LiTaO制成。這些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容，因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，極化的結(jié)果是，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使

25、得它具有獨(dú)特的抗干擾性。當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，由于這兩個(gè)小電容自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無(wú)電流，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到這兩個(gè)小電容的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反，能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒(méi)有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽(yáng)光下，因陽(yáng)光移動(dòng)的速度非常緩慢，這兩個(gè)小電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消，再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低（一般為0.1到10Hz）,即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄（一般為

26、5156um）。因此，傳感器對(duì)它們不敏感。 當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因這兩個(gè)小電容做在同一硅晶片上的，它所產(chǎn)生的極性相反，能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無(wú)輸出。從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對(duì)紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號(hào)。而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為0.1到10Hz）和對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線（一般為5到15um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度變化而敏感，而這種變化對(duì)人體而言就是移動(dòng)。所以，傳感

27、器對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感，它可以抗可見(jiàn)光和大部分紅外線的干擾。二、濾光窗它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.0到14um波長(zhǎng)以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì)7.5到14um波長(zhǎng)的紅外線的穿透量為70%；在6.5um處時(shí)下降為65%；而在5.0um處陡降為0.1%；P2288的響應(yīng)波長(zhǎng)為6到14um，中心處波長(zhǎng)為10um。物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿足 (其中m為最大波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度)。人體的正常體溫為36到37.5攝氏度，即309到310.5k，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為m=2989/(309310.5)

28、k=9.679.64um，中心波長(zhǎng)為9.65um。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（714）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光，燈光等可見(jiàn)光中紅外線的通過(guò)，以免引起干擾。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。2.5 被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器的工作原理與特性在自然界，任何高于絕對(duì)溫度（-273K）的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。人體都有恒定的體溫，一般在37攝氏度左右，會(huì)發(fā)出10m左右特定波長(zhǎng)的紅

29、外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反（如圖2-2側(cè)視圖c）,環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。圖2-2 熱釋電效應(yīng)紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路2.6 被動(dòng)式熱釋電人體紅外線傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)式紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉

30、。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；被動(dòng)式紅外穿透能力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；容易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。第3章 熱釋電報(bào)警系統(tǒng)的總體方案3.1熱釋電報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理1、 熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示圖3-1熱釋電報(bào)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖二、熱釋電報(bào)警裝置的工作過(guò)程首先裝置第一部分（熱釋電紅外傳感器）接收到人體發(fā)出的紅外輻射，它能感應(yīng)37攝氏度人體發(fā)出的紅外光，產(chǎn)

31、生微弱的電信號(hào)。微弱的電信號(hào)輸入到裝置的第二部分（BISS 0001熱釋電紅外傳感器處理芯），它將輸入的電信號(hào)去除干擾，進(jìn)行放大處理，產(chǎn)生高電平信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)后面的報(bào)警器開(kāi)關(guān)電路。裝置第三部分是聲光報(bào)警器，由蜂鳴器，發(fā)光二極管組成，用于聲光報(bào)警（在被闖入房間安裝，用來(lái)提醒房間內(nèi)部人員）。三、多房間控制顯示的工作過(guò)程由圖3-1所示，這部分是多房間控制系統(tǒng)，當(dāng)熱釋電報(bào)警裝置處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，有人進(jìn)入房間后，熱釋電報(bào)警裝置的第二部分的輸出將為高電平（熱釋電報(bào)警裝置發(fā)生報(bào)警），將此高電平作為晶體管開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)，輸出引入到AT89C56單片機(jī)的P1 口的低四位，經(jīng)軟件處理后，房間號(hào)經(jīng)P1口的高四位通過(guò)數(shù)

32、碼管顯示。3.2 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、 菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)（一）菲涅爾透鏡簡(jiǎn)介菲涅爾透鏡是帶階梯表面的光學(xué)零件。相鄰階梯的間距越小，越能在較小的透鏡厚度下精確地滿足減小殘余相差的條件。階梯可以分別是同心的、螺旋形的或平行的溝槽。在前兩種情況中階梯是錐面或球面的一部分，而在第三種情況中則是平面或柱面的一部分。（二）輪廓帶母線位置的確定及焦距的計(jì)算如圖3-2所示，階梯軸對(duì)稱表面的有效輪廓單元，該表面兩側(cè)的介質(zhì)折射率為n1=1和n2=n現(xiàn)在假設(shè)該表面的每個(gè)階梯都是無(wú)線狹窄的，討論利用這種表面得到同心光束的可能性，此同心光束將形成軸上點(diǎn)A的像A。光線AM與無(wú)限窄的有效輪廓相交于離光軸距離h的M點(diǎn)上，折射以

33、后與光軸相交得到A´點(diǎn)。所取輪廓帶在M點(diǎn)的法線與光軸成夾角決定了所取輪廓帶母線的位置。圖3-2位置及焦距計(jì)算示意圖在給定A點(diǎn)和它的象A´的位置時(shí)（線段a和a´已知），求不同入射光線高度的角值。如圖所示，可得到， -=-+，=-´+´按照折射定律 sin(-)=nsin(-)由上式，經(jīng)過(guò)變換以后，得到下列計(jì)算角的公式，它可以確定，例如階梯折射表面的錐型環(huán)帶輪廓的斜率。tan= （3-1）這里，角和´對(duì)于不同的h根據(jù)給定的線段a和a´預(yù)先算出。上式可以用于計(jì)算第二面為平面的菲涅爾薄透鏡，它的相差可以忽略不計(jì)。當(dāng)=0時(shí)，根據(jù)

34、80;值可以計(jì)算菲涅爾透鏡的后焦距，在這個(gè)條件下，由3-1式得到，tan。= （3-2）因而：=因此，在高度h很小時(shí)： f= （3-3） 這里，tan。在 h值很小的條件下，由式 3-3 得到（三）通光孔徑的計(jì)算當(dāng)光線入射角=90度時(shí)可以得到透鏡的通光孔徑Dcb, 由圖3-3得到；圖3-3通光孔徑計(jì)算示意圖tan=tan(+)= (3-4) 3-4中 m-折射角的極限值。由式3-4 得到 Dbc=2a (3-5)注意到： tan=-2a/Dcb 代入上式，得到： (3-6)這里，tan=解二次方程式，得到菲涅爾透鏡的通光孔徑：Dcb= (3-7)二、菲涅爾透鏡的選型（一）菲涅爾透鏡的型號(hào)介紹菲

35、涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”，它就像人的眼鏡一樣，配用得當(dāng)與否直接影響到使用的功效，配用不當(dāng)產(chǎn)生誤動(dòng)作和漏動(dòng)作，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷縮小。菲涅爾鏡片是根據(jù)法國(guó)光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)，圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線靠近同心環(huán)就組成一個(gè)水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大，鏡片越長(zhǎng)感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就越大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯(cuò)，區(qū)段之

36、間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為，長(zhǎng)形、方形、圓形，從功能分類為：?jiǎn)螀^(qū)多段，雙區(qū)多段，多區(qū)多段。圖3-4是常用鏡片外觀示意圖：圖3-4鏡片外觀示意圖 圖3-5是常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應(yīng)圖。圖3-5常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應(yīng)圖當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方

37、式也被稱為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。鏡片主要有三種顏色，聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。白色，主要用于適配外殼顏色。黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。每一種鏡片有一型號(hào)（以年號(hào)+系列號(hào)命名），鏡片主要參數(shù)：外觀描述外觀形狀（長(zhǎng)、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。探測(cè)范圍指鏡片能探測(cè)的有效距離（米）和角度。焦距指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點(diǎn)為單位。長(zhǎng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對(duì)準(zhǔn)探頭窗口。（二）菲涅爾透鏡的選取圖形鏡片探測(cè)效果如圖3-6圖3-6圓形鏡片探測(cè)效果圖課題選取如圖3-7所示的多區(qū)多段圓錐感應(yīng)式菲涅爾透鏡，多用于吸頂式安

38、裝，直接向下探測(cè)。多區(qū)多段圓錐體式感應(yīng)區(qū)域?qū)拸V，多用于大面積探測(cè)。圖3-7菲涅爾透鏡所選透鏡的參數(shù)：焦距：10.5毫米；角度：100º；探測(cè)距離：8米；尺寸：23mm；體積：25X25X25毫米；（三）菲涅爾透鏡的作用菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋電紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋電紅外信號(hào)。3.3 被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器選擇一、 RE200B型傳感器的結(jié)構(gòu) （1） （2） （3）3-8 RE200B型傳感器的結(jié)構(gòu)RE200B采用雙源式探頭，揭開(kāi)綠光玻璃片，

39、其內(nèi)部有兩點(diǎn)對(duì)7到14um的紅外波長(zhǎng)特別敏感的TO5材料連接著場(chǎng)效應(yīng)管。靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補(bǔ)技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)輸出。動(dòng)態(tài)情況下，人體經(jīng)過(guò)探頭先后被A源或被B源感應(yīng)，Sa<Sb或Sa>Sb產(chǎn)生差值，雙源失去互補(bǔ)平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號(hào)輸出，見(jiàn)圖3-8（3）。當(dāng)人對(duì)著探頭呈垂直狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，Sa=Sb不產(chǎn)生差值，雙源很難產(chǎn)生信號(hào)輸出。因此，探測(cè)器安裝的位置與人體走方向呈平行為宜。二、RE200B型傳感器的特性參數(shù)傳感器如圖3-9所示圖3-9 RE200B型傳感器靈敏元面積2.0×1.0mm²基片材料： 硅基片厚度：0.5mm工作波長(zhǎng)：

40、714m平均透過(guò)率75%輸出信號(hào)2.5V(420ºK黑體1Hz調(diào)頻頻率0.33.0Hz帶寬72.5db增益)噪聲200mV(mVp-p) (25°C)平衡度<20°/W 工作電壓2.2-15V工作電流8.5-24 uA(VD=10V:Rs=47k：25°C)源極電壓0.4-1.1V;(VD=10V:Rs=47K；:25oC)工作溫度-20°C +70°C保存溫度-35°C +80°C視場(chǎng) 139°×l26上述特性指標(biāo)是在源極電阻R2=47條件下測(cè)定的，用戶使用傳感器時(shí)，可據(jù)自己的需要調(diào)整R

41、2的大小。注意靈敏元的位置及視場(chǎng)大小，以便得到最佳光學(xué)設(shè)計(jì)。所有電壓信號(hào)的測(cè)量都是釆用峰峰值定標(biāo)。平衡度B中的EA和EB分別表示兩個(gè)靈敏元的電壓輸出信號(hào)的峰峰值。使用傳感時(shí)，管腳的彎曲或焊接部位應(yīng)離開(kāi)管腳基部4mm以上。使用傳感器前，應(yīng)先參考說(shuō)明書(shū)，尤其要防止接錯(cuò)管腳。3.4熱釋電傳感器處理芯片一、 BISS0001芯片的簡(jiǎn)介BIS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件就可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)、人體熱風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。二、

42、 BISS0001芯片的特點(diǎn)CMOS工藝制造數(shù)?；旌暇哂歇?dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾采用16腳DIP封裝三、BISS0001的管腳圖及管腳說(shuō)明管腳圖如圖3-10，說(shuō)明見(jiàn)表3-1圖3-10 BISS0001的管腳圖表3-1 BISS0001管腳說(shuō)明1AI可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為1時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之不可重復(fù)觸發(fā)2VoO控制信號(hào)輸出端。由VS上跳變沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無(wú)VS的上跳變時(shí)，Vo保持低電平狀態(tài)3RR1輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端

43、6RR2觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS工作電源負(fù)端8VRFI參考電壓及復(fù)位輸出端，通常接VDD，當(dāng)接0時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位9VCI禁止觸發(fā)端。當(dāng)Vc<VR 時(shí)禁止觸發(fā)；當(dāng)Vc>VR時(shí)允許觸發(fā)（VR約等于0.2VDD）10IB運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端11VDD工作電源正端122OUTO第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端132INI第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸出端141INI第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸出端151INI第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸出端161OUTO第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端四、BISS0001芯片的工作原理BISS0001 是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器

44、等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰７譃榭芍貜?fù)觸發(fā)不可重復(fù)觸發(fā)兩種工作方式:（一） 不可重復(fù)觸發(fā)工作方式波形如圖3-11所示圖3-11 不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形以上圖所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程，下圖3-12為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：圖3-12 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感器信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(0.7VDD)、VL0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓Vc<VR(0.2V

45、DD)時(shí)，COP3輸出為低電平封住了與門U2禁止觸發(fā)信號(hào)Vs向下級(jí)傳遞；而當(dāng)Vc>VR時(shí)，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在TX時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)TX時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下調(diào)回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期TI。在Ti時(shí)間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。（二） 可重復(fù)觸發(fā)工作方式波形如圖3-13圖3-13 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形以上圖所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程?？芍貜?fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A

46、=“0”期間，信號(hào)Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“0”、A=“1”時(shí)，可重復(fù)觸發(fā)為有效狀態(tài)，并可促使在周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在時(shí)間內(nèi)，只要發(fā)生上跳變，則一直保持有效狀態(tài)；若保持為“0”狀態(tài)，則在周期結(jié)束后恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間時(shí)間內(nèi)，任何的變化都不能觸發(fā)為有效狀態(tài)。3.5單片機(jī)的選擇一、 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀儲(chǔ)存器(FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memoy)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可

47、擦除只讀儲(chǔ)存器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀儲(chǔ)存器可反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍儲(chǔ)存器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制器系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51單片機(jī)硬件部分的核心采用Intel80C51/80C52單片硬件技術(shù)。兩者的引腳排列與標(biāo)準(zhǔn)單元部件相同，指令系統(tǒng)完全兼容。而且AT89C51單片機(jī)與Intel80C51單片機(jī)在引腳排列、工作特性、硬件組成、指

48、令系統(tǒng)等方面完全兼容。（一）主要工作特性1.內(nèi)含4KB的Flash存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)1000次；2.內(nèi)含128字節(jié)的RAM；3.具有32根可編程I/O線；4.具有2個(gè)16位可編程定時(shí)器；5.具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；6.具有1個(gè)全雙工的可編程串行通訊接口；7.具有1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；8.兩種低功耗的工作方式，即空閑模式和掉電模式；9.具有可編程的3級(jí)程序鎖定位；10.AT89C51的工作電源電壓為5（1±0.2）V，且典型值為5V，是低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)；11.AT89C51最高工作頻率為24MHz；此系列單片機(jī)的封裝形式有PDIP、TQEP、PLCC等。（二）各線

49、路介紹： 1.I/O口線P0口8位、漏極開(kāi)路的雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器及外擴(kuò)I/O口時(shí)，P0口作為低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線。在編程時(shí)，P0口可用于指令代碼字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，P0口可輸出指令字節(jié)（這時(shí)需要加外部上拉電阻）。P0口也可作為通用I/O口使用，但須加上拉電阻，變?yōu)闇?zhǔn)雙向口。當(dāng)作為普通輸入時(shí)，應(yīng)將輸出鎖存置1。P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。P1口8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P1口是為用戶準(zhǔn)備的雙向口。在編程和校驗(yàn)時(shí)，可用作輸入低8位地址。用作輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置1，P1口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器或外擴(kuò)I/O

50、口時(shí)，P2口輸出高位地址。在編程/校驗(yàn)時(shí)，P2口可接收高字節(jié)地址和某控制信號(hào)。P2口也可做普通I/O使用。在做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。P2口可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P3口8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3口可做為普通I/O口，用做輸入時(shí)，應(yīng)先將輸出鎖存器置1。在編程/校驗(yàn)時(shí)，P3口可接受某些控制信號(hào)。它可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：口管腳 （備選功能）P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器

51、1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 2.控制信號(hào)線RST復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)，在RST引腳施加兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)晶振周期）以上的高電平，將器件復(fù)位。EA/Vpp-外部程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許行號(hào)EA(Extemal Access Enable)。當(dāng)EA信號(hào)接地時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器，地址為0000H-FFFFH;當(dāng)EA接Vcc時(shí)，對(duì)ROM的操作從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延續(xù)至外部程 序存儲(chǔ)器。在編程時(shí)，該引腳可接編程電壓（ATS9C51的Vpp為5V

52、或2V; AT89C51 的VPP12V)。在編程校驗(yàn)時(shí)，該引腳可接Vcc。PSEN片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN(Program Store Enable),低電平有效。在片外程序存儲(chǔ)器取值期間，當(dāng)PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送P0口（數(shù)據(jù)總線)；在訪問(wèn)外部RAM時(shí)，PSEN無(wú)效。 3.電源線Vcc-電源電壓輸入引腳。GND-電源地。 4.外部晶振引線XTAL1片外振蕩器反向放大器和時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。使用片內(nèi)振蕩 器時(shí)，連接外部石英晶體和微調(diào)電容。XTAL2片內(nèi)振蕩器反向放大器的輸出端。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，外接石 英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，引腳XTAL1接受外部振蕩器

53、信號(hào)，XTAL2懸空。 5.芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電檫除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“ 1 ” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。如圖3-14為89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)，把XTAL1和XTAL2引腳接晶振電路，RESET引腳接

54、復(fù)位電路，EA引腳接+ 5V電源，這樣就構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)。圖3-14 89C51的最小應(yīng)用系統(tǒng)第4章 硬件設(shè)計(jì)4.1電源電路的設(shè)計(jì)一、直流穩(wěn)壓電源的介紹電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的支流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng))，負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。二、直流穩(wěn)壓電源的選型圖4-1直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源適配器如圖

55、4-1所示，輸入:AC 220V 50/60HZ直流輸出:DC 9V 400mA本產(chǎn)品釆用穩(wěn)壓集成電路制成，輸出直流電壓沒(méi)有噪聲，效果相當(dāng)于干電池供電水平。圖4-2 5V直流電壓轉(zhuǎn)換電路圖220V的交流的電壓經(jīng)9V直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換成9V:并由1,3端口輸入.再經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)換成5V。4.2 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)電路如圖4-3所示圖4-3光電持換電路圖熱釋電傳感器的原理及結(jié)構(gòu)在第3章已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，不再贅述。這里只針對(duì)器件引腳的接法予以說(shuō)明，被動(dòng)式傳感器是有源式傳感器,其中內(nèi)部集成場(chǎng)效應(yīng)管,起到放大的作用，而傳感器的三個(gè)引腳就對(duì)應(yīng)為場(chǎng)效應(yīng)管的D，S,G極，所以將漏極接+5V，源極做輸出，柵極

56、接地。4.3 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)電路圖如圖4-4圖4-4信號(hào)處理電路圖BISS0001輸出信號(hào)Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器及發(fā)光二極管,并從晶體管T1的集電極引出電平與控制顯示電路連接。如圖4-4所示。注釋:由于多個(gè)房間安裝的熱釋電報(bào)警裝置是一樣的，所以圖4-4只畫(huà)出了一個(gè)，而與控制顯示連接的V1、V2、V3、V4端已經(jīng)做了注釋.上圖中，R3為光敏電阻，用來(lái)檢鍘環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會(huì)降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Vs。SW1是工作方式選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)SW1與1端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時(shí)，芯片則處于不可童復(fù)觖發(fā)工作方式。輸出延遲時(shí)間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，值為Tx24576xR9C