【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 快速PWM模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高頻操作特性使得快速 PWM 模式十分適合于功率調(diào)節(jié)，整流和DAC應(yīng)用。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本[9]。工作于快速 PWM 模式時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值一直增加到MAX，然后在后面的一個(gè)時(shí)鐘周期清零?？焖?PWM 模式時(shí)序圖如下圖。圖中柱狀的 TCNT0 表示這是單邊斜坡操作。方框圖同時(shí)包含了普通的PWM輸出以及方向PWM輸出。TCNT2斜坡上的短水平線表示OCR2和TCNT2的比較匹配。計(jì)時(shí)器數(shù)值達(dá)到MAX時(shí)T/C溢出標(biāo)志TOV2置位。如果中斷使能，在中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序可以更新比較值。工作于快速PWM模式時(shí)，比較單元可以在OC2引腳上輸出PWM波形。設(shè)置COM21:0為2可以產(chǎn)生普通的PWM信號(hào)；為3則可以產(chǎn)生反向PWM波形。要想在引腳上得到輸出信號(hào)還必須將OC2的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。產(chǎn)生PWM波形的機(jī)理是OC2寄存器在OCR2與TCNT2匹配時(shí)置位(或清零)，以及在計(jì)數(shù)器清零(從MAX變BOTTOM)的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期清零(或置位)。輸出的PWM頻率可以通過(guò)如下公式(31)計(jì)算得到： (21)變量N代表分頻因子(3612256或1024)。OCR2寄存器為極限值時(shí)表示快速PWM模式的一些特殊情況。若OCR2A等于BOTTOM，輸出為出現(xiàn)在第MAX+1個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的窄脈沖；OCR2為MAX時(shí)，根據(jù)COM21:0的設(shè)定，輸出為高電平或低電平。通過(guò)設(shè)定OC2在比較匹配時(shí)進(jìn)行邏輯電平取反(COM21:0 = 1)，可以得到占空比為50%的周期信號(hào)。OCR2為0時(shí)信號(hào)有最高頻率 。這個(gè)特性類似于CTC模式下的OC2取反操作，不同之處在于快速PWM模式具有雙緩沖。圖23 快速 PWM 模式時(shí)序圖3 傳感器的選擇及功能介紹傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)電路，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)起著重要的作用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB766587對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。可以用不同的觀點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ：傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。 按照其用途，傳感器可分類為： 壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 數(shù)字傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。 開關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。 現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強(qiáng)度。傳感器開發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器。 集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。 薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上。 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠凝膠等)生產(chǎn)[15]。傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化△y對(duì)輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度S是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。當(dāng)傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時(shí)，靈敏度可理解為放大倍數(shù)。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。但靈敏度愈高，測(cè)量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。也就是說(shuō)，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。只有當(dāng)輸入量的變化超過(guò)分辨力時(shí)，其輸出才會(huì)發(fā)生變化。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相相關(guān)性。遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸出一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值△MAX與滿量程輸出FS的百分比表示。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成。本次設(shè)計(jì)智能節(jié)能利用的傳感器是熱釋電紅外傳感器。傳感器在電路中起著很大的作用，要利用它采集回來(lái)的信號(hào)去對(duì)燈光進(jìn)行控制。熱釋電紅外傳感器本身采集到的信號(hào)是很微弱的，感應(yīng)的范圍也很小，但是在它正面加上一個(gè)菲涅爾透鏡以后，它的信號(hào)采集范圍可以增大到20米左右。本次設(shè)計(jì)對(duì)熱釋電紅外傳感器的性能要求比較高，因?yàn)樗杉貋?lái)的信號(hào)將直接影響燈光控制電路的控制行為。首先，這種傳感器要對(duì)人體發(fā)出的紅外線感應(yīng)很靈敏，而對(duì)其他的小動(dòng)物發(fā)出的紅外線不起作用。其次是能夠感應(yīng)較遠(yuǎn)距離的紅外信號(hào)，這就需要借助于菲涅爾透鏡的聚焦作用。下面開始詳細(xì)介紹熱釋電紅外傳感器的工作原理以及工作特性。圖31 熱釋電紅外傳感器實(shí)物圖圖32 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部電路圖熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)[20]。熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。人體都有恒定的體溫，一般在37176。C左右，會(huì)發(fā)出10mm左右特定波長(zhǎng)的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生電壓信號(hào)。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)的熱釋電元件，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(wú)信號(hào)輸出[21]。不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：信號(hào)幅度小，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；被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。（1）防止小動(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。（2）抗電磁干擾：，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。（3）抗燈光干擾：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^(guò)玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。經(jīng)過(guò)前面的介紹，對(duì)熱釋電紅外傳感器有了充分的了解，包括它的工作原理以及各種抗干擾特性。它的各種特性都滿足本次智能節(jié)能臺(tái)燈對(duì)傳感器的要求，特別是它對(duì)人體發(fā)出的紅外特別敏感的特性很符合需要。利用它的這一特性還可以把它運(yùn)用到日常安全防盜系統(tǒng)中去，因?yàn)榉辣I報(bào)警系統(tǒng)所針對(duì)的采集對(duì)象也是人體發(fā)出的紅外線。菲涅爾透鏡在本次設(shè)計(jì)中的作用是輔助熱釋電紅外傳感器采集人體發(fā)出的紅外線，它可以把較遠(yuǎn)距離的人體發(fā)出的微弱的紅外線信號(hào)光聚集起來(lái)，熱釋電傳感器在它的作用下可以探測(cè)到較遠(yuǎn)距離人的活動(dòng)。菲涅爾透鏡在傳感器信號(hào)處理電路中起著重要的作用，在它的輔助之下才能采集到較好的輸入信號(hào)。下面介紹一下菲涅爾透鏡的組成結(jié)構(gòu)及工作原理。圖33 菲涅爾透鏡實(shí)物圖菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。菲涅爾透鏡在很多時(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。多用于對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡、紅外探測(cè)器等。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(guò)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。菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，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(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,可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)。菲涅爾透鏡