【正文】 系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器 3． 1000次擦寫周期 4． 全靜態(tài)操作： 0HZ~24HZ 5． 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 6． 32個(gè)可編程 I/O口線 7． 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 8． 五個(gè)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(shí)器 傳感器的選擇 傳感器的紅外輻射與紅外探測(cè)的原理結(jié)構(gòu) 熱釋電 傳感器是利用紅外輻射與紅外測(cè)溫的原理來探測(cè)的 ,紅外測(cè)溫屬非接觸式測(cè)溫，是測(cè)溫技術(shù)中的主要手段，其特點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，響應(yīng)速度快和不明顯破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。 非接觸紅外測(cè)溫有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： ，不影響溫場(chǎng)分布，從而具有較高的測(cè)溫準(zhǔn)確度。 。 ，反應(yīng)速度快，易于快速與動(dòng)態(tài)測(cè)量。 ，操作方便。 。 非接觸測(cè)溫技術(shù)的意義是顯而易見的。隨著工農(nóng)業(yè)、國防事業(yè)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量越 來越迫切。在某些場(chǎng)合，溫度測(cè)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(cè)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(yīng)，即在強(qiáng)電介質(zhì)溫度變化Δ P的自然極化的存在，此時(shí)傳感器有電信號(hào)輸出，晶體的這種性質(zhì)被稱為熱釋電極或熱釋電效應(yīng)。 有些熱釋電晶體，他們的自發(fā)極化方向能用外電場(chǎng)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(qiáng)抗干擾能力，這里選用了 TGS晶體制作的雙型探測(cè)器。 紅外測(cè)原理 紅外測(cè)溫是通過探測(cè)物體表面發(fā)射的能量來測(cè)量其溫度，由物理學(xué)可知，處于絕對(duì)溫度（－ ℃）以上的任何物體，都要釋放熱能，而紅外輻射溫度計(jì)測(cè)量其中與溫度有關(guān)波長范圍內(nèi)的熱能，并將其轉(zhuǎn)換與溫度成比例的電信號(hào)，由此測(cè)出其溫度。 據(jù)斯蒂芬－波茲曼常數(shù)，絕對(duì)黑體其溫度 T于與輻射能之間的關(guān)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(shí)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(duì)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(jié)構(gòu) 紅外探測(cè)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(cè)器和光子探測(cè)器兩大類：其中，熱釋電探測(cè)器是電效應(yīng)工作的探測(cè)器，其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣，容易使用。常用的熱釋電探測(cè)器如： LiTaO2(鉭酸鋰 )探測(cè)器、 BaTiO2(鈦酸鋇 ) 探測(cè)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(zhuǎn)化效率。它的等效電路是一個(gè)在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓信號(hào)又極其微 弱，故在管內(nèi)附有 JFET及厚膜電阻，以達(dá)到阻抗變大的目的。在管殼的頂部設(shè)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(qiáng)度與溫度有關(guān)。隨著溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度下降。溫度升高到 Tc 時(shí)，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(qiáng)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(fù)極化強(qiáng)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(cè)量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需 的時(shí)間很長，因晶體自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約 10－ 12s，因此當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時(shí)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(dòng)態(tài)條件下測(cè)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(yīng)的電荷量為： Q=APS 當(dāng)紅外輻射照射時(shí)，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(qiáng)度降低，因此電極表面上感應(yīng)電荷減少，這相當(dāng)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(fù)載，則在紅外輻射時(shí)，就有電流流過負(fù)載經(jīng)放大后成為輸出信號(hào)。 圖 22 熱釋電傳感器的電路連接 若沒有經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個(gè)新的平衡值，那么電極表面的感應(yīng)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(hào)。因此，熱釋電探測(cè)器與其他熱釋探測(cè)器不同，它只存在溫度升降的過程中才有信號(hào)輸出。所以利用熱釋電探測(cè)器探測(cè)的紅外輻射必須經(jīng)過調(diào)制。 如果用調(diào)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(qiáng)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(shí)間，那么在垂直于 PS的 晶體的兩個(gè)端面之間就會(huì)產(chǎn)生開路電壓。如果用負(fù)載電阻 Rg把兩個(gè)電極連接起來，就會(huì)有熱釋電電流 Is 通過負(fù)載。熱釋電晶體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化，使電極表面感應(yīng)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(qiáng)度為 Is為： dTdAPItS)(?? 式中： p 一自發(fā)極化強(qiáng)度對(duì)溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)。 菲涅爾透鏡 目前人體驗(yàn)知系統(tǒng)中的光調(diào)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(diào)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(shí)際是一個(gè)透鏡組，每個(gè)單元一般都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)，且相鄰的視場(chǎng)既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個(gè)盲區(qū) (如圖 24所示 )。這樣，當(dāng)人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(hào)，或者說，人體在監(jiān)控范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，進(jìn)人一個(gè)視場(chǎng)后，又走出這個(gè)視場(chǎng)，再進(jìn)人另一視 場(chǎng)對(duì)傳感器而言，相當(dāng)于一會(huì)兒看到人，一會(huì)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(gè)又一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)。 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(shí)，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預(yù)熱”時(shí)間，在這段時(shí)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(cè)信號(hào)很小。要經(jīng)過放大、比較等幾個(gè)環(huán)節(jié)才能輸出控制信號(hào)。使電路 執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。熱釋電紅外傳感器控制電路就是根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和輸出信號(hào)的要求，完成上述功能的電路。本套系統(tǒng)采用通用原件構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖： 圖 25控制電路的結(jié)構(gòu)框圖 LM324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(chǎng)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 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(fù)電源， 因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖 27 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(diǎn)： 單電源工作： 3V32V ：最大 100nA 。 。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 低頻帶通放大電路 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)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(jìn)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(duì)可靠性和靈敏度有重要影響，帶寬窄，噪聲小誤動(dòng)作率低；帶寬寬，噪 聲大，誤動(dòng)作率高！ 如圖 31所示，本系統(tǒng)采用 LM324中的兩個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成低頻帶通放大電路， LM324內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的高增益運(yùn)算放大器，其電流?。ǖ湫椭?Is=），且與所加電源電壓的大小無關(guān)，頻率補(bǔ)償及偏置電流均采用了溫度補(bǔ)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(yùn)放輸出電壓有較大的動(dòng)態(tài)范圍。靜態(tài)下應(yīng)將輸出端電位設(shè)在 1/2處，方法是： ICA外接 R R10分壓器，將 1/2VCC引至運(yùn)放的同相輸入端，這相當(dāng)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(yùn)放輸出電壓有較大的動(dòng)態(tài)范圍，同樣設(shè)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(gè)模擬電壓與一個(gè)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(yīng)用 LM324 剩余的兩個(gè)集成運(yùn)算比較器構(gòu)成一個(gè)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(zhǔn)電壓分別由 (R6+R14)和 R14分壓提供。當(dāng)輸入電壓 VO16 引腳電壓時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)