基于單片機(jī)的智能傳感器系統(tǒng)方案

1、 PAGE12 / NUMPAGES16編號(hào)：傳感器實(shí)訓(xùn) (論文)說明書題 目：基于熱釋電紅外傳感器的人體測試儀院 (系)： 應(yīng)用科技學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生： 兆平 學(xué) 號(hào)： 0701130113 指導(dǎo)教師： 保忠、卜波濤 2010年 07 月 10 日摘 要熱釋電紅外線傳感器是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線或入射紅外線的能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如用于電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)測等。利用熱釋電紅外線傳感器,設(shè)計(jì)進(jìn)行人體探測的應(yīng)用日益廣泛。本文討論了熱釋電紅外

2、傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后通過LM324將電壓信號(hào)放大、比較電路，從而控制報(bào)警電路來工作，從而實(shí)現(xiàn)人體探測功能。 關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；LM324；菲涅爾透鏡；人體探測AbstractPyroelectric infrared sensor 80 is the 20th century developed a new type of high sensitivity detection of components.It can detect a non-contact form of infrared radiation the human bo

3、dy or changes in the incident infrared energy and convert it into a voltage signal output.This voltage signal will be amplified, can drive a variety of control circuits, such as for power switch control, security fire alarm, automatic monitoring.Use of pyroelectric infrared sensors, the design of hu

4、man exploration is widely used.This article discusses the pyroelectric infrared sensor can detect the human form of non-contact infrared radiation, and convert it into voltage signal, then the voltage signal amplified by LM324, comparison circuits, to control alarm circuit to work, in order to achie

5、ve human explorationfunction.Key words：Pyroelectric infrared sensor; LM324; Fresnel lens; human exploration目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc266501386引言 PAGEREF _Toc266501386 h 1HYPERLINK l _Toc2665013871 系統(tǒng)硬件介紹 PAGEREF _Toc266501387 h 1HYPERLINK l _Toc2665013881.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述 PAGEREF _Toc266501388 h 1

6、HYPERLINK l _Toc2665013891.2系統(tǒng)元件介紹 PAGEREF _Toc266501389 h 1HYPERLINK l _Toc2665013901.2.1熱釋電紅外傳感器 PAGEREF _Toc266501390 h 1HYPERLINK l _Toc2665013911.2.2菲涅爾透鏡 PAGEREF _Toc266501391 h 3HYPERLINK l _Toc2665013921.2.3 LM324 PAGEREF _Toc266501392 h 3HYPERLINK l _Toc2665013931.2.4三端穩(wěn)壓集成電路7805 PAGEREF _T

7、oc266501393 h 4HYPERLINK l _Toc2665013942 系統(tǒng)電路說明 PAGEREF _Toc266501394 h 5HYPERLINK l _Toc2665013952.1系統(tǒng)原理介紹 PAGEREF _Toc266501395 h 5HYPERLINK l _Toc2665013962.2系統(tǒng)原理圖分析 PAGEREF _Toc266501396 h 5HYPERLINK l _Toc2665013972.2.1信號(hào)檢測放大模塊 PAGEREF _Toc266501397 h 5HYPERLINK l _Toc2665013982.2.2信號(hào)電壓比較模塊和報(bào)警

8、顯示模塊 PAGEREF _Toc266501398 h 6HYPERLINK l _Toc2665013993 電路裝配和調(diào)試 PAGEREF _Toc266501399 h 8HYPERLINK l _Toc2665014004 實(shí)訓(xùn)心得體會(huì) PAGEREF _Toc266501400 h 8HYPERLINK l _Toc266501401辭 PAGEREF _Toc266501401 h 10HYPERLINK l _Toc266501402參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc266501402 h 11HYPERLINK l _Toc266501403附錄 PAGEREF _Toc26

9、6501403 h 12引言傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是現(xiàn)實(shí)現(xiàn)代化測量和自動(dòng)控制（包括遙感、遙測、遙控）的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時(shí)刻留意那些不速之客。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和性，因此可以利用人體探測儀在防盜、警戒等安保裝置中得到使用。1 系統(tǒng)硬件介紹1.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述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10um左右的紅外線，而且紅外線具有熱效應(yīng)，人體溫度越高的地方，熱釋電紅外線便越多，顏色越接近紅色. 熱釋電

10、紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個(gè)探測器裝入一個(gè)或兩個(gè)探測元件，并將兩個(gè)探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米圍人的行動(dòng)。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前

11、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，從而增強(qiáng)其能量幅度。人體輻射的紅外線中心波長為910um，而探測元件的波長靈敏度在0.220um圍幾乎穩(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圍為710um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對(duì)其它波長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人體輻射的紅外線傳感器。1.2系統(tǒng)元件介紹1.2.1熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器是由一種高熱電系數(shù)的材料，如

12、鋯鈦酸鉛系瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個(gè)探測器裝入一個(gè)或兩個(gè)探測元件，并將兩個(gè)探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測出1020米圍人的行動(dòng)。圖1.1是一個(gè)雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)端接電源正極，端接電源負(fù)極，端

13、為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在部相互抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。圖1.1 熱釋電紅外傳感器的部結(jié)構(gòu)人體輻射的紅外線中心波長為910-um，而探測元件的波長靈敏度在0.220-um圍幾乎穩(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圍為710-um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對(duì)其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一

14、種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(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。環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈?？垢蓴_性能：防小動(dòng)物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測圍地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警?？闺姶鸥蓴_：探測器的抗電磁波干擾性能符合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_：探測器在正常靈敏度的圍，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對(duì)人體的敏感程度還和人的

15、運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(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)、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。1.2.2菲涅爾透鏡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)于紅外線與可見光的凸透鏡，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)：一是聚用；二是將探測區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一

16、是聚用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測區(qū)域分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。菲涅爾透鏡,簡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（被動(dòng)紅外線探測器）。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，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

17、）。1.2.3 LM324LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算 HYPERLINK :/baike.baidu /view/907765.htm t _blank 放大器可用圖1所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反

18、相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位一樣。LM324的引腳排列見圖1.2所示。圖1.2 LM324引腳圖1.2.4三端穩(wěn)壓集成電路7805電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 系列和負(fù)電壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱與調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、

19、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。引腳如圖1.3所示：圖1.3 三端穩(wěn)壓集成電路78052 系統(tǒng)電路說明2.1系統(tǒng)原理介紹被動(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、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2.1所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號(hào)不斷變化的特性；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)

20、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2.2所示的是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時(shí)的工作原理示意圖。圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2.2人體通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)2.2系統(tǒng)原理圖分析本系統(tǒng)可以分解成為信號(hào)檢測放大模塊、比較模塊和報(bào)警模塊三大部分組成，而放大和比較模塊可以直接使用LM324來完成。2.2.1信號(hào)檢測放大模塊人體熱釋電紅外線檢測部分，主要由菲涅耳透鏡和熱釋電紅外傳感器，四運(yùn)算放大器(LM324)等組成。當(dāng)人體進(jìn)入傳感器監(jiān)測的圍時(shí)，透鏡將紅外能量“聚焦”送入IC1A同相低通放大器， C9、C

21、10為高頻濾波電容，C4和C5為紅外線信號(hào)提供低頻交流通道。ICIB為反相放大器，通過R5、R6與分壓將IC1B的同相端偏置在1/2電源電壓，以放大交流信號(hào)，C6為高頻濾波電容，其兩級(jí)放大器中的R11、R2、R3、R4決定其放大增益，如圖2.3所示。圖2.3人體通過傳感器時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)2.2.2信號(hào)電壓比較模塊和報(bào)警顯示模塊IC1C組成比較器，10腳通過R5、R15分壓設(shè)置了約39V的參考電壓，此參考電壓還同時(shí)作為IC1D單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路的觸發(fā)閾值電平，1CIC的10腳比較電壓信號(hào)，由IC1B經(jīng)R6輸出，IC1B的輸出高電平信號(hào)經(jīng)R9、RG分壓仍比IC1C的同相端電平低，IC1C輸出高電平，D1反

22、偏截止。IC1D單穩(wěn)電路無觸發(fā)信號(hào)輸出高電平，SCR皆截止，燈不亮。使IC1C輸出低電平，D1導(dǎo)通對(duì)C14放電，IC1D輸出低電平，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，LED等熄滅。在人離去后或者人靜止后，8腳又恢復(fù)高電平，D1又截止，電源經(jīng)W1對(duì)C9重新充電，經(jīng)延時(shí)，當(dāng)C9上的電壓高于6腳39V時(shí)，單穩(wěn)電路IC1D又翻轉(zhuǎn)輸出高電平，蜂鳴器不響，LED重新亮起。如圖2.4、圖2.5所示。圖2.4電壓比較模塊圖2.5顯示報(bào)警模塊3 電路裝配和調(diào)試 雖然本系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，但是還是需要調(diào)整前端兩個(gè)增益來讓系統(tǒng)更加靈敏。現(xiàn)在用到LM324信號(hào)進(jìn)行放大，再采用多級(jí)三極管放大后得到直流驅(qū)動(dòng)晶體管Q1，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，

23、壓電蜂鳴器鳴笛報(bào)警。當(dāng)檢測到人體移動(dòng)時(shí)，壓電蜂鳴器就鳴笛報(bào)警。傳感器接收到的信號(hào)經(jīng)交流放大器LM324放大，利用電容濾波和電阻分壓后得到直流驅(qū)動(dòng)晶體管Q1，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，壓電蜂鳴器鳴笛報(bào)警。在幾HZ附近電路中放大器的增益需要70dB左右，單級(jí)放大器不夠時(shí)，可采用多級(jí)放大以確保必要的增益。本系統(tǒng)就用了兩級(jí)放大電路。4 實(shí)訓(xùn)心得體會(huì)通過這次為期兩周的傳感器實(shí)訓(xùn)，我感覺收獲蠻多，對(duì)傳感器的了解、硬件電路的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試等各個(gè)方面的能力有了進(jìn)一步的提高，把課本上的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐，整個(gè)過程受益匪淺。在選擇題目的時(shí)候，選擇自己比較感興趣的熱釋電紅外傳感器的題目。在上網(wǎng)和圖書館查閱資料后，了解到熱釋電紅外

24、傳感器的工作原理以與人體探測儀電路的原理，即通過將傳感器探測到的信號(hào)進(jìn)行放大、比較，并且通過三極管9014來控制蜂鳴器的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的探測報(bào)警。根據(jù)課本上面提供的原理圖，完成了電路板的制作，但是在前期調(diào)試過程中，無論人體是否經(jīng)過傳感器的測試區(qū)，都不能夠顯示引起報(bào)警。從電路后級(jí)的比較電路向前級(jí)電路的電壓值進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)根本沒有信號(hào)進(jìn)入，最后直接測量傳感器S端的電壓基本都是維持在0.25V到0.35V之間沒有規(guī)律地跳變。多次查閱傳感器資料得知，S端的電壓的變化應(yīng)該是有規(guī)律，并且是明顯的。后來經(jīng)過老師的指導(dǎo)，才意識(shí)到缺少了熱釋電傳感器最重要的配件：菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡并沒有集成在傳感器里面，而

25、是需要單獨(dú)加入使用的。加入菲涅爾透鏡后，在測量時(shí)S端的電壓有了明顯的變化。蜂鳴器也能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警。在進(jìn)一步的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)變化總是反應(yīng)比較慢，甚至下一個(gè)動(dòng)作到來后才反應(yīng)上個(gè)動(dòng)作的情況，并報(bào)警。再次深入研究電路，發(fā)現(xiàn)是最后一個(gè)電壓比較端的原因，也就是R17和C14組成的延時(shí)電路影響，把R17阻值調(diào)低，問題得以解決。這個(gè)問題解決后，電路依然沒有達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。電路的靈敏度仍然非常低，需要人體運(yùn)動(dòng)速度較慢時(shí)或者幅度較大時(shí)才可以探測到，速度太快系統(tǒng)根本無法識(shí)別。分析電路后發(fā)現(xiàn)R11、R13分別控制電路前端兩級(jí)增益放大，可以將他們阻值調(diào)小從而提高增益，系統(tǒng)能夠更加精確地完成識(shí)別。最后系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能是，只要有人經(jīng)過探測區(qū)域，蜂鳴器可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，或者人體在探測區(qū)域揮動(dòng)手臂等動(dòng)作，系統(tǒng)也都可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別，完全符合題目的要求。但是該系統(tǒng)的依然存在一些不足，而這些不足是由于熱釋電紅外傳感器本身的性質(zhì)造成的。比如說，無法探測到敏感區(qū)域靜止的人體存在，在探測人體運(yùn)動(dòng)時(shí)蜂鳴器發(fā)出的響聲不是一直連續(xù)直到人體不在敏感期區(qū)，前者是由于傳感器的熱紅外線