傳感器原理及項目實戰(zhàn) 課件 項目6-光檢測

項目6

光檢測

主講人6.1認(rèn)識光檢測傳感器6.2光敏電阻應(yīng)用實訓(xùn)6.3熱釋電人體紅外傳感器實訓(xùn)6.4思考與練習(xí)目錄

光檢測即對光信號（紅外、可見及紫外光輻射等）進(jìn)行檢測，光檢測傳感器是把光信號直接或間接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等，也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)，熟悉光敏電阻、光電池、人體熱釋電傳感器的工作原理，了解常用光電器件的特點及結(jié)構(gòu)，掌握光電傳感器的使用方法。知識目標(biāo)識目標(biāo)技能目標(biāo)通過實踐和訓(xùn)練，掌握各種光電傳感器的選型及實際應(yīng)用，掌握光檢測傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認(rèn)識光檢測傳感器6.16.1

認(rèn)識光檢測傳感器光檢測傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，再通過光電元件把光量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種測量裝置，它的轉(zhuǎn)換原理基于光電效應(yīng)。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能以后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。簡單的說，物質(zhì)在光的照射下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。被釋放的電子稱為光電子。光電子在外電場中運動所形成的電流稱為光電流。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的光電材料主要有硫化鎘、銻化銦、硒和半導(dǎo)體等。光電效應(yīng)一般可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。在前面的章節(jié)中，已經(jīng)介紹過基于外光電效應(yīng)的光電器件光電管和光電倍增管，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光敏二極管和光敏三極管等。本節(jié)主要介紹光敏電阻、光電池以及人體熱釋電傳感器等器件。

6.1.1光敏電阻1.光敏電阻的工作原理

當(dāng)光敏電阻受到光照時，半導(dǎo)體材料的表面就會產(chǎn)生自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子-空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強，光生電子-空穴對就越多，阻值就愈低。入射光消失，電子-空穴對逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。

并非一切純半導(dǎo)體都能顯示出光電特性，對于不具備這一條件的物質(zhì)可以加入雜質(zhì)使之產(chǎn)生光電效應(yīng)特性。用來產(chǎn)生這種效應(yīng)的物質(zhì)由金屬的硫化物、硒化物、碲化物等組成，如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛、碲化鉛等。光敏電阻的使用取決于它的一系列特性，如暗電流、光電流、光敏電阻的伏安特性、光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性以及光敏電阻的靈敏度、時間常數(shù)和最佳工作電壓等。2.光敏電阻的結(jié)構(gòu)

光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號如圖6-2所示。圖6-2光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號（a）、（b）結(jié)構(gòu)

（c）圖形符號光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，如圖6-3（a）所示，在玻璃基板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，如硫化鎘(CdS)等，然后在半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，再將其封裝在塑料殼體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。如果把光敏電阻連接在外電路中，在外加電壓作用下，光照能改變電路中電流的大小，如圖6-3（b）所示。圖6-3光敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)與等效電路（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）等效電路3.光敏電阻的主要特性參數(shù)1）暗電阻與暗電流在室溫條件下，光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。2）亮電阻與亮電流光敏電阻在受到某一束光照射時的阻值稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。3）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，則性能越好。也就是說，暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般為兆歐數(shù)量級，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102~106。

4）光敏電阻的伏安特性

一般光敏電阻如硫化鉛、硫化鉈的伏安特性曲線如圖6-4所示，由曲線可知，所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象，在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。圖6-4光敏電阻的伏安特性5）光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，如圖6-5所示，不同光敏電阻的光照特性是不相同的，光敏電阻不宜作線性測量元件，一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。圖6-5光敏電阻的光照特性6）光敏電阻的光譜特性如圖6-6所示為幾種常用光敏電阻材料的光譜特性曲線，對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的，從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。圖6-6光敏電阻的光譜特性7）光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性

實驗證明，光敏電阻的光電流不能立刻隨著光照量的改變而改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間常數(shù)來描述。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間，因此，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。

右圖為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性曲線，硫化鉛的使用頻率范圍最大，其它都較差。目前正在通過工藝改進(jìn)來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖6-7光敏電阻的頻率特性8）光敏電阻的溫度特性

隨著溫度不斷升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，同時溫度變化也影響它的光譜特性曲線。圖6-8表示出硫化鉛的光譜溫度特性曲線。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動，因此有時為了提高元件的靈敏度，或為了能夠接受較長波段的紅外輻射而采取一些制冷措施。圖6-8光敏電阻的溫度特性4.光敏電阻的特點及應(yīng)用

光敏電阻體積小、重量輕，使用壽命長，穩(wěn)定性能高，價格便宜，制造工藝簡單，因此廣泛應(yīng)用于照相機、防盜報警以及自動化技術(shù)中。6.1.2

光電池

光電池是在光照下，能直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫瑢嶋H上它就是電流源。光電池的種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、砷化稼光電池等。其中最受重視的是硅光電池和硒光電池。1.光電池的工作原理

當(dāng)太陽光（或其它光）照射到太陽電池上時，電池吸收光能，能量大于禁帶寬度的光子，穿過減反射膜進(jìn)入硅中，激發(fā)出光生電子–空穴對，并立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被送進(jìn)N區(qū)，光生空穴則被推進(jìn)P區(qū)，這樣在內(nèi)建電場的作用下，光生電子-空穴對被分離，在光電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生了“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”（簡稱光伏）。在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，在負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。如圖6-9所示。圖6-9

光生伏特效應(yīng)

2.光電池的結(jié)構(gòu)圖6-10（a）為硅光電池的結(jié)構(gòu)，在一塊N型硅片上，用擴散方法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成P-N結(jié)，當(dāng)入射光子的能量足夠大時，P區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子-空穴對，光生電子-空穴對的濃度由表面向內(nèi)部迅速下降，形成由表及里擴散的自然趨勢。在P-N結(jié)內(nèi)電場作用下，擴散到P-N結(jié)附近的電子-空穴對分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴則留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫時間后，新的平衡建立，P-N結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光電流或光生電動勢輸出。圖6-10（b）為硒光電池的結(jié)構(gòu)，在鋁基底上涂硒，再用濺射工藝在硒層上形成一層半透明的氧化鎘，在正反兩面噴上低熔合金作為電極，在光照下，鎘材料帶負(fù)電，鋁材料帶正電，形成光電流或光電勢。圖6-10光電池結(jié)構(gòu)示意圖（a）硅光電池的結(jié)構(gòu)

（b）硒光電池的結(jié)構(gòu)

3.光電池的主要特性參數(shù)1）光電池的伏安(I-V)特性曲線光電池的伏安(I-V)特性曲線就是受光照的太陽電池在一定的溫度、輻照度以及不同的外電路負(fù)載下，流入負(fù)載的電流I和電池端電壓V的關(guān)系曲線。如圖6-11所示為光電池在三種不同光照強度下的伏安特性曲線。圖6-11光電池的伏安特性2）光電池的光譜特性由于光電池受光照射產(chǎn)生電子-空穴對，光照消失后電子-空穴對的復(fù)合，都需要一定時間，因此，當(dāng)入射光的頻率太高時，光電池輸出的電流將下降。圖6-12為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從曲線上可以看出，不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如硅光電池在800nm附近，硒光電池在540nm附近。圖6-12光電池的光譜特性硅光電池的光譜范圍廣，即為450~1100nm之間，硒光電池的光譜范圍為340~750nm。因此硒光電池適用于可見光，常用于照度計測定光的強度。在實際使用中，應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)來選擇光電池，反之，也可以根據(jù)光電池特性來選擇光源。例如硅光電池對于白熾燈（燈絲）在溫度為2850K時，能夠獲得最佳的光譜響應(yīng)。但是要注意，光電池光譜值位置不僅和制造光電池的材料有關(guān)，同時也和制造工藝有關(guān)，而且也隨著使用溫度的不同而有所移動。3）光電池的光照特性

光電池在不同的光照強度下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢，硅光電池的光照特性曲線如圖6-13所示，從該曲線可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強呈線性關(guān)系，開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當(dāng)光照度在2000lx（勒克斯）時趨于飽和。因此，把光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源來使用，不宜作電壓源。圖6-13

光電池的光照特性4）光電池的頻率特性光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件時，常用交變光照，光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。如圖6-14所示，從該曲線可以看出，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件電最為突出的優(yōu)點。圖6-14光電池的頻率特性5）光電池的溫度特性光電池的溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等主要指標(biāo)，因此它是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性曲線如圖6-15所示，從曲線看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此當(dāng)光電池作測量元件時，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該考慮到溫度的漂移，從而采取相應(yīng)的措施來進(jìn)行補償。圖6-15光電池的溫度特性6）穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長，而硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)以外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)系，如在高溫和強光照射下，會使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，這在使用中要特別注意。4.光電池應(yīng)用光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：一類是將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。光電池的另一類應(yīng)用就是將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。6.1.3

熱釋電傳感器

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到20世紀(jì)60年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。1.熱釋電傳感器的工作原理1）光的特性

光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，也稱可見光譜。在科學(xué)上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成的，具有粒子性與波動性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質(zhì)中傳播。人們看到的光來自于太陽或借助于產(chǎn)生光的設(shè)備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。對于可見光的范圍沒有一個明確的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波長在380~760nm之間。波長小于380nm的紫外光和大于760nm的紅外光是我們?nèi)搜劭床灰姷?，稱為不可見光。熱釋電傳感器就是用來檢測紅外光的，所以又稱為熱釋電紅外傳感器。2）熱釋電傳感器的工作原理熱物體都會向空間發(fā)出一定的熱輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。白熾燈光源中最常用的是鎢絲燈，它產(chǎn)生的光，譜線較豐富，包含可見光和紅外光。使用時，常加濾色片來獲得不同窄帶頻率的光。熱釋電紅外傳感器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)工作的，熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)某些電介物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化時，在這些電介物質(zhì)的表面上就會產(chǎn)生電荷的變化。用具有這種效應(yīng)的電介質(zhì)制成的元件稱為熱釋電元件。熱釋電元件常用材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。能夠探測人體產(chǎn)生的紅外線的熱釋電傳感器稱為熱釋電人體紅外傳感器，這種傳感器有多種型號，但結(jié)構(gòu)、外形和電參數(shù)大致相同，一般可互換。其典型外形見圖6-17。圖中的頂視圖中，矩形為濾光窗，兩個虛線框為矩形敏感單元。圖6-17熱釋電人體紅外傳感器外形圖1-漏極；2-源極；3-地2.熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)組成熱釋電紅外傳感器敏感的結(jié)構(gòu)如圖6-18（a）所示。該傳感器由敏感元件、場效應(yīng)管、阻抗變換器和濾光窗等構(gòu)成，并在氮氣環(huán)境下封裝而成。1）敏感元件敏感元件一般采用熱釋電材料鋯鈦酸鉛（壓電陶瓷PZT）制成，這種材料在外加電場撤除后，仍然保持極化狀態(tài)，也即存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化強度Ps隨溫度升高而下降。圖6-18熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及等效電路（a）結(jié)構(gòu)圖（b）等效電路圖熱釋電傳感器的等效電路如圖6-18（b）所示，內(nèi)部敏感材料做成很薄的薄片，每一薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容，因為這兩個小電容是做在同一硅晶片上的，且形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個電容是按照極性相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨特設(shè)計之處，因而使得它具有獨特的抗干擾性。當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，由于C1、C2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，回路中不產(chǎn)生電流，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時，照射到C1、C2上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，傳感器仍然沒有信號輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動的速度非常緩慢，C1、C2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0.1~10Hz)，即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄(一般為5~15μm)，因此，傳感器對它們不敏感。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，因C1、C2做在同一硅晶片上，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，傳感器無輸出。只有當(dāng)人體移動時，紅外輻射引起傳感器敏感元件的兩個等效電容產(chǎn)生不同的極化電荷時，才會向外輸出電信號。所以，這種傳感器只對人體的移動敏感，對靜止或移動很緩慢的人體不敏感，且對可見光和大部分紅外線具有良好的抗干擾能力。2）濾光窗濾光窗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7.0~14μm波長以外的紅外線，保證了對人體紅外線的選擇性。因為物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強波長和溫度的關(guān)系滿足：

λm×T=2989（μmk）（6-1）

式中λm為最強波長，T為絕對溫度。根據(jù)式（6-1），人體的正常體溫為36℃~37.5℃，即309~310.5K可以計算出人體產(chǎn)生的紅外線波長。

λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64μm（6-2）根據(jù)式（6-2），可以得到人體紅外線的中心波長為9.65μm。因此，人體輻射的最強紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(7~14μm)的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，以免引起干擾。3.菲涅爾透鏡不使用菲涅爾透鏡時熱釋電紅外傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達(dá)到10米。如圖6-19所示，菲涅爾透鏡由一組平行的棱柱形透鏡所組成，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。圖6-19菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)

菲涅爾透鏡用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對波長為10μm左右的紅外線來說卻是透明的。其外形為半球，透鏡在水平方向上分成3個部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個透鏡單元，它們由一個個同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。

當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個透鏡單元只有一個很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個相鄰?fù)哥R單元之間均以一個盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉。這樣，當(dāng)把透鏡放在熱釋電傳感器正前方的適當(dāng)位置時，運動的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡后在敏感元件上形成不斷交替變化的陰影區(qū)(盲區(qū))和明亮區(qū)(可見區(qū))，使敏感元件表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號。也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動時，一但離開一個透鏡單元的視場，又會立即進(jìn)入另一個透鏡單元的視場（因為相鄰?fù)哥R單元之間相隔很近），敏感元件上就出現(xiàn)隨人體移動的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致敏感元件的溫度變化，而輸出電信號。

菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點一般為5厘米左右，實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與熱釋電傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在熱釋電傳感器正前方1~5厘米的地方。4.熱釋電傳感器的應(yīng)用

熱釋電人體紅外傳感器為20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的新型傳感器，專用于檢測人體輻射的紅外能。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如：酒店商場等公共場所的自動門；在房間無人時會自動停機的空調(diào)、飲水機；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機的電路；監(jiān)視器或自動門鈴的應(yīng)用；攝像機或數(shù)碼相機自動記錄動物或人的活動等。光敏電阻應(yīng)用實訓(xùn)6.26.2.1

實訓(xùn)目的及要求

通過實訓(xùn)，掌握壓力光敏電阻與STM32F407ZGT6芯片的接口技術(shù)，掌握STM32F407外設(shè)ADC編程技術(shù)，熟悉使用光敏電阻對光的強弱進(jìn)行檢測，在液晶顯示屏幕顯示光強的變化，同時根據(jù)光強的改變觀察4個LED燈的亮滅情況。6.2

光敏電阻應(yīng)用實訓(xùn)6.2.2

光敏電阻GL5516簡介

1.光敏電阻GL5516的工作原理

光敏電阻又稱光敏電阻器或光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。

光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.76）μm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。圖6-20GL5516光敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6-21GL5516光敏電阻2.光敏電阻GL5516的應(yīng)用及特點GL5516被廣泛應(yīng)用于照相機自動測光、光電控制、室內(nèi)光線控制、報警器、工業(yè)控制、光控開關(guān)、光控?zé)?、電子玩具等領(lǐng)域，其主要特點為環(huán)氧樹脂封裝、光譜特性好、靈敏度高、可靠性好、體積小、反應(yīng)速度快等，主要技術(shù)參數(shù)：·光譜峰值(波長)：540nm；·最大電壓（DC）：150V；·最大功耗：90mW；·亮電阻@10Lux：5kΩ~10kΩ；·暗電阻：500kΩ；·響應(yīng)時間：上升20ms；下降30ms；·環(huán)境溫度：-30℃~+75℃。3.光敏電阻GL5516的特性曲線圖6-22為光敏電阻GL5516的相對靈敏度特性曲線，縱軸為光敏電阻的相對靈敏度，橫軸為光的波長，可以看出，GL5516光敏電阻在波長600nm左右時其相對靈敏度最高。圖6-22光敏電阻GL5516的相對靈敏度特性曲線圖6-23為光敏電阻GL5516的溫度特性曲線，縱軸為光敏電阻的電阻變化率，橫軸為溫度，可以看出，GL5516光敏電阻電阻變化率隨著溫度的增加而增大。圖6-23光敏電阻GL5516的溫度特性曲線6.2.3光敏電阻GL5516硬件接口電路設(shè)計

GL5516輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路后接STM32F407的PF4引腳，四個LED燈LED1接PB0引腳，LED2接PA3引腳，LED3接PD5引腳，LED4接PF2引腳。6.2.4程序設(shè)計

本次實訓(xùn)的任務(wù)是采用光敏電阻GL5516對光強進(jìn)行檢測，根據(jù)原理圖設(shè)計，如果光的強度發(fā)生變化，那么采集信號的電壓值也會隨之發(fā)生變化，模數(shù)轉(zhuǎn)換用STM32F407ZGT6外設(shè)ADC完成，實訓(xùn)的任務(wù)功能由main.c、STM32F40x_ADC.c程序文件來完成，STM32F40x_ADC.c完成ADC外設(shè)的配置及AD轉(zhuǎn)換，main.c將采集到的模擬信號數(shù)據(jù)通過LCD液晶屏顯示，并根據(jù)光的亮度控制LED燈的亮滅。實訓(xùn)程序設(shè)計要點如下：（1）配置RCC寄存器組，打開ADC設(shè)備時鐘，打開GPIOF、GPIOA、GPIOB、GPIOD設(shè)備時鐘；（2）配置GPIOF.4為模擬輸入模式，配置GPIOA.3、GPIOB.0、GPIOD.5、GPIOF.2為推挽、輸出模式，無上拉/下拉電阻；（3）AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示和LED發(fā)光二極管的控制。6.2.5程序運行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個工程文件，編譯并運行程序，可以看到液晶顯示屏顯示采集到的數(shù)字量、電壓值，當(dāng)光的強度發(fā)生變化時，采集值也會隨之變化，同時可以看到LED的亮滅情況。熱釋電人體紅外傳感器實訓(xùn)6.36.3.1實訓(xùn)目的及要求

通過實訓(xùn)，掌握熱釋電人體紅外傳感器RE200B和紅外人體感應(yīng)芯片BISS0001芯片的工作原理以及應(yīng)用電路，掌握BISS0001芯片與STM32F407ZGT6接口技術(shù)，掌握STM32F407芯片IO口編程技術(shù)，學(xué)會用熱釋電人體紅外傳感器RE200B以及紅外人體感應(yīng)芯片BISS0001芯片組成的模塊對人體進(jìn)行檢測，當(dāng)在檢測范圍內(nèi)有人走動時在液晶顯示屏幕顯示“Someone”，沒有人則顯示“Noone”。6.3熱釋電人體紅外傳感器實訓(xùn)6.3.2傳感器RE200B以及BISS0001芯片簡介1.熱釋電人體紅外傳感器RE200B簡介

熱釋電人體紅外傳感器RE200B采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，采用雙靈敏元互補方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，熱釋電人體紅外傳感器RE200B的特點是靈敏度高、溫度穩(wěn)定性高，優(yōu)越的信噪比、優(yōu)越的性價比，可靠性高、壽命長、體積小、抗干擾能力強。熱釋電人體紅外傳感器RE200B的主要技術(shù)參數(shù)：·封裝：TO-5；·紅外接收電極：2*1mm，2個靈敏單元；·窗口尺寸：3*4mm；·接收波長：7~14μm；·輸出信號峰值：≥3500mv；·靈敏度：≥3200v/M；·探測率：1.4*108cmHz1/2/W；·噪聲峰值：<70mV；·輸出平衡度：<10%；·源極電壓：0.2~1.5v；·電源電壓：2~15v；·工作溫度：-30℃~70℃。2.人體紅外感應(yīng)芯片BISS0001芯片簡介

BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件就可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)、報警用人體熱釋電傳感器等。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機和洗手池自來水自動閥門等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。BISS0001的主要特點如下：·CMOS數(shù)模混合專用集成電路；·具有獨立的高輸入阻抗運算放大器；·可與多種傳感器匹配，進(jìn)行信號預(yù)處理；·雙向鑒幅器可有效抑制干擾；·內(nèi)設(shè)延遲時間計時器和封鎖時間計時器；·結(jié)構(gòu)新穎、穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)范圍寬；·內(nèi)置參考電源；·工作電壓范圍寬：+3V～+5V；·封裝形式：SOP16、DIP16。1）BISS0001芯片引腳定義圖6-28為紅外人體感應(yīng)芯片BISS0001管腳配置圖，各引腳定義見表6-1。圖6-28BISS0001管腳配置圖2）BISS0001芯片的工作原理BISS0001的內(nèi)部框圖如下圖所示，外接元件由使用者根據(jù)需要選擇。

從圖中可以看到BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器和封鎖時間定時器及參考電壓源等構(gòu)成的混合專用集成電路。根據(jù)引腳“A”的電平，BISS0001有兩種觸發(fā)方式：當(dāng)“A”引腳為“0”時不可重復(fù)觸發(fā)，當(dāng)“A”引腳為“1”時可重復(fù)觸發(fā)。BISS0001不可重復(fù)觸發(fā)工作方式各點工作波形如圖6-30所示。首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進(jìn)行第二次放大，同時將直流電位抬高為VM≈0.5VDD，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號VS。由于VH≈0.7VDD，VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲信號，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個條件比較器。當(dāng)輸入電壓VC<VR(≈0.2VDD)時，COP3輸出為低電平封住了與門U2，禁止觸發(fā)信號VS向下級傳遞；而當(dāng)VC>VR，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時周期。當(dāng)A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直到Tx時間結(jié)束，即所謂的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時間結(jié)束時，VO下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時間內(nèi)，任何V2的變化都不能是VO跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平），可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。圖6-30BISS0001不可重復(fù)觸發(fā)工作方式各點工作波形

BISS0001可觸發(fā)工作方式各點工作波形如圖6-31所示。在VC=“0”、A=“0”期間，信號VS不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。在VC=“1”、A=“1”時，VS可重復(fù)觸發(fā)VO為有效狀態(tài)，并可促使VO在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時間內(nèi)，只要VS發(fā)生上跳變，則VO將從VS上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若VS保持為“1”狀態(tài)，則VO一直保持有效狀態(tài)；若VS保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后VO恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(nèi)，任何VS的變化都不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。圖6-31BISS0001可重復(fù)觸發(fā)工作方式各點工作波形3）BISS0001芯片的典型應(yīng)用圖6-32為BISS0001芯片的典型應(yīng)用電路圖。圖中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號VS