【正文】 Flash 存儲器 3． 1000 次擦寫周期 4． 全靜態(tài)操作： 0HZ~24HZ 5． 三級程序存儲器鎖定 6． 32 個可編程 I/O 口線 7． 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 8． 五個中斷器 9． 可編程串行通道 10． 低功耗空閑和掉電模式 11． 看門狗定時器 傳感器的選擇 傳感器的紅外輻射與紅外探測的原理結構 熱釋電 傳感器是利用紅外輻射與紅外測溫的原理來探測的 ,紅外測溫屬非接觸式測溫，是測溫技術中的主要手段，其特點是測溫范圍廣，響應速度快和不明顯破壞被測對象溫度場，因而廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領域。 非接觸紅外測溫有以下幾點優(yōu)點： ，不影響溫場分布，從而具有較高的測溫準確度。 。 ，反應速度快，易于快速與動態(tài)測量。 ，操作方便。 。 非接觸測溫技術的意義是顯而易見的。隨著工農(nóng)業(yè)、國防事業(yè)、醫(yī)學的發(fā)展，對溫度測量越 來越迫切。在某些場合，溫度測量逐步上升為主要矛盾，引起了各方面的普遍重視。 通常將電磁波譜間隔在 ～ 1000μ m的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)，紅外傳感器是一種新型的傳感器，能夠探測物體輻射的紅外線。 熱釋電元件的工作原理是基于熱釋電效應，即在強電介質溫度變化Δ P 的自然極化的存在，此時傳感器有電信號輸出，晶體的這種性質被稱為熱釋電極或熱釋電效應。 有些熱釋電晶體，他們的自發(fā)極化方向能用外電場來改變，這些晶體稱作熱釋電— 鐵電體。例如： LiTaO2(鉭酸鋰 )和 BaTiO2(鈦酸鋇 )等。為了使傳感器能夠長期穩(wěn)定地工作 ，提高靈敏度，增強抗干擾能力，這里選用了 TGS 晶體制作的雙型探測器。 紅外測原理 紅外測溫是通過探測物體表面發(fā)射的能量來測量其溫度，由物理學可知，處于絕對溫度（－ ℃）以上的任何物體，都要釋放熱能，而紅外輻射溫度計測量其中與溫度有關波長范圍內(nèi)的熱能，并將其轉換與溫度成比例的電信號，由此測出其溫度。 據(jù)斯蒂芬－波茲曼常數(shù)，絕對黑體其溫度 T于與輻射能之間的關系為： 433 450 152 ThC KE ??? ?? 其中：σ為蒂芬－波茲曼常數(shù)，其值為 1012 w/cm2 ， k4－為黑體的溫度； E0－為黑體輻射能。 實際中大多數(shù)物體為非黑體，其熱輻射公式為： E=εE0 其中： E為物體在一定溫度下的輻射能力； E0為與 E 在同一溫度下的黑體輻射能力；ε為黑度系數(shù)，表示物體的發(fā)射能力接近黑體的情況，其值在 0～ 1之間。 由上可知，任何物體只要溫度不是絕對零度都不斷地發(fā)射紅外輻射，物體的溫度越高，輻射的功率就越大，只要知道物體的溫度和它的比輻射率，就可算出它所發(fā)射的輻射功率。所以如果能量出物體的輻射功率，則可確定它的溫度。 熱釋紅外傳感器的結構 紅外探測器是紅外熱釋傳感器的重要組 成部分。它可以分成熱釋電探測器和光子探測器兩大類：其中，熱釋電探測器是電效應工作的探測器，其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，因此其應用領域廣，容易使用。常用的熱釋電探測器如： LiTaO2(鉭酸鋰 )探測器、 BaTiO2(鈦酸鋇 ) 探測器等。 如圖 21為熱釋電紅外傳感器的電路圖。傳感器的敏感元為 PZT，在上下兩面做上電極，并在表面加一層黑色氧化膜以提高其轉化效率。它的等效電路是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓信號又極其 微弱，故在管內(nèi)附有 JFET 及厚膜電阻，以達到阻抗變大的目的。在管殼的頂部設有慮光鏡。 圖 21 熱釋電紅外傳感器的電路圖 熱釋電體的自發(fā)極化強度與溫度有關。隨著溫度升高，自發(fā)極化強度下降。溫度升高到 Tc 時，自極化消失，此溫度稱為居里溫度。溫度超過居里溫度，鐵電體發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強度變?yōu)榱恪? 由于自發(fā)極化，在與極化軸相垂直的晶體兩外表面上出現(xiàn)正負極化強度。但是這些面束縛電荷常常被晶體內(nèi)部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來。因此不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所 需的時間很長，因晶體自發(fā)極化的弛豫時間很短，約 10－ 12s，因此當晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時其體內(nèi)的自由電荷和外部雜散電荷便來不及中和變化著的面束縛電荷，因此可在動態(tài)條件下測量自發(fā)極化。 如果在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應的電荷量為： Q=APS 當紅外輻射照射時，熱釋電晶體溫度升高，自發(fā)極化電晶體溫度升高，自發(fā)極化強度降低，因此電極表面上感應電荷減少，這相當于“釋放”了一部分電荷，因此稱之為熱釋電現(xiàn)象。 如圖 22 所示的電路連接負載，則在紅外輻射時，就有電流流過負載經(jīng)放大后 成為輸出信號。 圖 22 熱釋電傳感器的電路連接 若沒有經(jīng)過調制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個新的平衡值，那么電極表面的感應電荷也變化到新的平衡值，不再“釋放”電荷，也就不再輸出信號。因此，熱釋電探測器與其他熱釋探測器不同，它只存在溫度升降的過程中才有信號輸出。所以利用熱釋電探測器探測的紅外輻射必須經(jīng)過調制。 如果用調制頻率為 f的紅外線照射熱釋電晶體，則晶體的溫度自發(fā)極化強度（ PS）及其引起的面束縛作電荷密度均以頻率 f作周期變化。如果 1/f 小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于 PS的晶體的兩個端面之間就會產(chǎn)生開路電壓。如果用負載電阻 Rg 把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流 Is 通過負載。熱釋電晶體自發(fā)極化強度隨溫度變化，使電極表面感應電荷發(fā)生變化，其等效電路如圖 23所示。 圖 23 熱釋電傳感器 等效電路 電流源的電流強度為 Is為： dTdAPItS)(?? 式中： p 一自發(fā)極化強度對溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)。 菲涅爾透鏡 目前人體驗知系統(tǒng)中的光 調制器一般都采用多元陣列式菲涅爾透鏡，它起到紅外輻射收集器和調制器的雙重作用。熱釋電傳感器只有與菲涅爾透鏡配合使用才能發(fā)揮最大作用。菲涅爾透鏡實際是一個透鏡組，每個單元一般都只有一個不大的視場，且相鄰的視場既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個盲區(qū) (如圖 24 所示 )。這樣，當人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)運動時，人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡傳到傳感器上，形成一個不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)，使得敏感單元的溫度不斷變化，傳感器從而輸出信號，或者說，人體在監(jiān)控范圍內(nèi)活動時，進人一個視場后，又走出這個視場，再進人另 一視場對傳感器而言，相當于一會兒看到人，一會兒又看不到人，人體的紅外線輻射不斷改變傳感器的溫度，使之有一個又一個相應的電信號。 圖 24菲涅爾透鏡外形圖 菲涅爾透鏡不僅可以形成亮區(qū)和盲區(qū)，而且還有聚焦作用，其焦距一般在 5cm 左右菲涅爾透鏡一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明狀。需要說明的是 :在每次接通電源時，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預熱”時間，在這段時期內(nèi)該傳感器不起作用。 熱釋電紅外傳感器控制電路芯片的選擇 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小。要經(jīng)過放大、比較等幾個環(huán)節(jié)才能輸出控制信號。使 電路執(zhí)行相關動作。熱釋電紅外傳感器控制電路就是根據(jù)檢測信號的特點和輸出信號的要求，完成上述功能的電路。本套系統(tǒng)采用通用原件構成熱釋電紅外傳感器的控制系統(tǒng)。如圖 25是控制電路的結構框圖： 圖 25控制電路的結構框圖 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 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。共模輸入范圍包括負電源 ，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖 27所示的符號來表示，它有 5個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、負電源端，“ Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見圖 27。 圖 26放大器 低頻放大 比較整 形 Vi Vo 圖 27 LM324 的引腳圖 LM324 的特點： ： 3V32V ：最大 100nA 。 。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 低頻帶通放大電路 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小，僅 1mV 左右，頻率為 ~10HZ，需經(jīng)高增益、低噪聲低頻放大器放大后，才能進一步處理，一般來講，要求放大器的增益為 60~70dB,帶寬 ~7HZ。放大器的帶寬對可靠性和靈敏度有重要影響，帶寬窄，噪聲小誤動作率低；帶寬寬， 噪聲大，誤動作率高！ 如圖 31 所示，本系統(tǒng)采用 LM324 中的兩個集成運算放大器構成低頻帶通放大電路， LM324 內(nèi)部集成了四個獨立的高增益運算放大器，其電流?。ǖ湫椭?Is=），且與所加電源電壓的大小無關，頻率補償及偏置電流均采用了溫度補償措施，性能穩(wěn)定。采用單電源供電。 圖 31低頻帶通放大電路 放大器要求： 增益： 60~70DB 帶寬： ~7HZ 工作原理： 放大電路的電壓增益為： A=1+2π fR12C4/(1+2π fR7C4)(1+2π fR12C4) 一般要求放大電路的增益為 65DB。 電路的上下限截至頻率為： FH=1/R12C7,FL=1/R7C4 在單電源供電的情況下，外加電壓分壓器后，可保證運放輸出電壓有較大的動態(tài)范圍。靜態(tài)下應將輸出端電位設在 1/2 處，方法是： ICA 外接 R R10 分壓器，將 1/2VCC引至運放的同相輸入端，這相當于將輸入偏置電壓墊高 1/2VCC,從而使輸出電壓的靜態(tài)電位定在 1/2VDD 處。與 ICA 一樣， ICB 為了保證運放輸出電壓有較大的動態(tài)范圍，同樣設置了分壓器。 電壓比較整形電路 圖 32 門限電路 電壓比較器的作用是將一個模擬電壓與一個 參考電壓相比較。在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生越變。本系統(tǒng)應用 LM324 剩余的兩個集成運算比較器構成一個雙限電壓比較器。 雙限電壓比較器的工作原理 : 如圖 32 所示：基準電壓分別由 (R6+R14)和 R14分壓提供。當輸入電壓 VO16 引腳電壓時，比較器輸出高電平