感測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、感測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目： 熱釋電體溫計(jì) 學(xué)號(hào)姓名： 老師： 袁新娣 時(shí)間： 2013年11月28日一：系統(tǒng)功能熱釋電體溫計(jì)的設(shè)計(jì)功能：本課題是通過人體熱釋電紅外傳感器來測(cè)試一定范圍內(nèi)人通過檢測(cè)人體溫度，當(dāng)人進(jìn)入測(cè)試范圍時(shí)由菲涅爾透鏡的紅外線感應(yīng)到，接受到感應(yīng)，把感應(yīng)反映到熱釋電傳感器得到放大等處理，通過A/D轉(zhuǎn)換，最小系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)處理最后用單片機(jī)處理經(jīng)過LCD12864屏幕來顯示測(cè)的的結(jié)果，即人體溫度。 二：系統(tǒng)各模塊硬件介紹（一） 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理熱釋電紅外(PIR)傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出

2、人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將輸出的電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警等。目前市場(chǎng)上常見的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海賽拉公司的SD02、PH5324，德國Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美國Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)大致相同，大 圖1 熱釋電傳感器實(shí)物圖部分可以彼此互換使用。 熱釋電紅外線傳感器由探測(cè)元、濾光窗和場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖1所示。對(duì)不同的傳感器來說，探測(cè)

3、元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。將這些材料做成很薄的薄片，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，因此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。傳感器中兩個(gè)電容是極性相反串聯(lián)的。當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。 當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域 內(nèi)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線光能 能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能 圖2 雙探測(cè)元熱釋電紅

4、外傳感器量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號(hào)輸出。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。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.014um波長(zhǎng)以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波長(zhǎng)為9.65um，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)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

5、光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測(cè)元輸出的是電荷信號(hào)，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高達(dá)104M，接成共漏極形式來完成阻抗變換。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號(hào)輸出。對(duì)于移動(dòng)速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個(gè)電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110Hz)，即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對(duì)它們不敏感，因而無輸出。被動(dòng)式紅外報(bào)警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大

6、、信號(hào)處理和報(bào)警電路等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而加強(qiáng)其能量幅度。熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3 報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖是將待測(cè)目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時(shí)的

7、工作原理示意圖。人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為910um，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.220um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過光的波長(zhǎng)范圍為710um，正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。如圖4所示。 BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器，廣泛用于 圖4 人體通過傳感器產(chǎn)生的信號(hào)安防、自控等領(lǐng)域能。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

8、封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，內(nèi)部電路如圖5 所示。使用時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)放OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)放OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(0.5VDD)后，將輸出信號(hào)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(hào)Vs。由于VH0.7VDD、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VcV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。

9、當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，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)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 圖5BISS0001內(nèi)部電路圖 BISS0001的典型應(yīng)用電路如圖6所示。運(yùn)算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由C3耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。R3為光敏電阻，用來檢測(cè)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

10、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)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(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Tx24576xR9C7；觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，值為Ti24xR10C6。 圖6BISS0001典型應(yīng)用電路下面說下具體的應(yīng)用及注意的地方：人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10m左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10m左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10m 左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感

11、應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。(1)這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10m 左右的紅外輻射必須非常敏感。(2)為了僅僅對(duì)紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。(3)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。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出。(4)一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦

12、，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。(5)菲涅爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距(感應(yīng)距離)，從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：容易受各種熱源、光源干擾被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。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。抗干擾性能： 防小動(dòng)物干擾探測(cè)器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警?？闺姶鸥蓴_探測(cè)器的抗電磁波

13、干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)?？篃艄飧蓴_探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。紅外線熱釋電傳感器的安裝要求：紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系，正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào), 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 紅外線熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 紅外線熱釋電傳感器不要直對(duì)窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有

14、強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。熱釋電紅外傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感, 而對(duì)于橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動(dòng)則最為敏感. 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡概述：菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。菲涅爾透鏡可按照光學(xué)設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用；二是將探測(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

15、體能以溫度變化的形式在PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器）上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。菲涅爾透鏡作用：菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。菲涅爾透鏡，簡(jiǎn)單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看

16、看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。菲涅耳透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級(jí)探測(cè)器的光敏面上，菲涅爾透鏡不能用任何有機(jī)溶液(如酒精等)擦拭，除塵時(shí)可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。（二）LCD12864顯示屏下圖7為L(zhǎng)CD12864的管腳 圖7 LCD12864液晶（三）A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的概述將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)

17、換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。 如圖8 所示圖8A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法1、逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖9所示。基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。

18、逐次逼近法 轉(zhuǎn)換過程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量i進(jìn)行比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的 o再與i比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。圖9逐次逼近法2、雙積分法采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖10所示?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分法A/D轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時(shí)間的正向積分，時(shí)間到后，開關(guān)再接通與i極性相反的基準(zhǔn)電壓F，將F輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時(shí)停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸