【文章內(nèi)容簡介】 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 范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂 端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為 710um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對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。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，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)信號處理 后輸出電壓信號。 在該探測技術(shù)中，所謂 “被動 ”是指探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外報警器的特點是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移 動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。 結(jié)構(gòu)特性及安裝 圖 22 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖 22 是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時 D 端接電源正極， G 端接電源負(fù)極， S 端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、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。它利用兩個極 7 性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對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 后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為 。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。 當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號通過一個由C C R R2 組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為 16Hz，下限截止頻率為 。 由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有１ mV 左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為 左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行放大。本設(shè)計運用集成運算放大器LM324 來進(jìn)行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。 本設(shè)計所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結(jié)構(gòu)。 其工作電路原理及設(shè)計電路如 圖 2 所示 , 在 VCC 電源端利用 C1 和 R2 來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當(dāng) 檢測到人體移動信號時，電荷信號經(jīng)過場效應(yīng)管FET 放大后，經(jīng)過 C2， R1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再?jīng)過三極管 Q2 的轉(zhuǎn)化，輸出 OUT 為低電平。 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 圖 23 熱釋電紅外傳感器原理圖 8 圖 24 紅外傳感器結(jié)構(gòu)單元 被動紅外探測器光學(xué)系統(tǒng)的類型： 被動紅外探測器光學(xué)系統(tǒng)包括菲涅爾透鏡、拋物面反射鏡、遮擋片三種類型。 圖 25 雙元紅外傳感器示意圖 菲涅耳透鏡 菲涅耳透鏡片相當(dāng)于熱釋感應(yīng)傳感器的 “眼鏡 ”，它和人的眼睛一樣的作用，配用得當(dāng)與否直 接影響到使用的功效，配用不當(dāng)產(chǎn)生錯誤的動作，致使用戶或者開發(fā)者對其失去信心。它的作用是有效的將探測到空間的紅外線集中到傳感器 9 上，菲涅耳透鏡根據(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，視場越多，控制越嚴(yán)密。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的 “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，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。 菲涅爾透鏡作用有兩 個：一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號折射（反射）在 PIR 上；第二個作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)。 菲涅爾透鏡是凸透鏡，將物體的紅外影像投射在熱電元件表面。 熱釋電紅外傳感器其熱釋電器件及前置放大電路封裝在圓型金屬帽內(nèi)，金屬帽頂部方型開孔鑲嵌有抗冷白光的硅紅外濾光片，底部有金屬引腳，分別為電源引腳，地線引腳，熱電信號輸出腳。 集成電路內(nèi)部芯片 BISS0001 是一款傳感信號處理集成電路，只要熱釋感應(yīng)器把紅外線接收到信號傳輸?shù)?BISS0001 里進(jìn)行信號處理，它本身靜 態(tài)電流極小，工作電壓在3V—5V 之間，當(dāng)工作電壓為 5V 時輸出的驅(qū)動電流為 10MA。配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式熱釋電紅外傳感器，廣泛用于安防，自控等一些領(lǐng)域，它是有 16 個管腳 組成的一種集成塊。如圖 26 所示為 BISS000集成芯片的內(nèi)部框圖，管腳功能說明如表 1 所示。 圖 26 BISS0001 內(nèi)部框圖 10 引腳 名稱 I/O 功能說明 1 A I 可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng) A 為 “1”時，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸發(fā) 2 VO O 控制信號輸出 端。由 VS 的上跳前沿觸發(fā)，使 Vo 輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間 Tx 之外和無 VS的上跳變時， Vo 保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 輸出延遲時間 Tx 的調(diào)節(jié)端 4 RC1 輸出延遲時間 Tx 的調(diào)節(jié)端 5 RC2 觸發(fā)封鎖時間 Ti 的調(diào)節(jié)端 6 RR2 觸發(fā)封鎖時間 Ti 的調(diào)節(jié)端 7 VSS 工作電源負(fù)端，一般接 0V 8 VRF I 參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接 VCC，當(dāng)接 “0”時可使定時器復(fù)位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當(dāng) Vc＞ VR 時允許觸發(fā) (VR≈) 10 IB 運算放大器偏置電流設(shè)置端， 經(jīng) RB 接 VSS 端， RB 取值為 1M左右。 11 VCC 工作電源正端，范圍為 3~5V 12 2OUT O 第二級運算放大器的輸出端 13 2IN I 第二級運算放大器的反相輸入端 14 1IN+ I 第一級運算放大器的同相輸入端 15 1IN I 第一級運算放大器的反相輸入端 16 1OUT O 第一級運算放大器的輸出端 表 1：管腳說明圖 由圖可見 BISS0001 由運算放大器、電壓 比較器和狀態(tài)控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器即參考電壓等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。可廣泛應(yīng)用于多種傳感器和延時控制器。 首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器 OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器 OP2，再進(jìn)行第二級放大，同時將直流電位抬高為 VM(≈)后，將輸出信號 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 Vs。 由于 VH≈、 VL≈，所以，當(dāng) VDD=5V時，可有效抑制 177。1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個條 件比較器。當(dāng)輸入電壓 Vc＞ VR 11 時， COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時周期。 當(dāng) A端接 “0”電平時，在 Tx時間內(nèi)任何 V2的變化都被忽略，直至 Tx時間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng) Tx時間結(jié)束時， Vo 下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進(jìn)入封鎖周期 Ti。在 Ti時間內(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。而可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在 Vc=“0”、 A=“0”期間，信號 Vs不能觸發(fā) Vo為有效狀態(tài)。在 Vc=“1”、 A=“1”時， Vs可重復(fù)觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)， 并可促使 Vo 在 Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。 在 Tx時間內(nèi)，只要 Vs發(fā)生上跳變，則 Vo 將從 Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若 Vs保持為 “1”狀態(tài)，則 Vo 一直保持有效狀態(tài)；若 Vs保持為 “0”狀態(tài)，則在 Tx周期結(jié)束后 Vo 恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間 Ti時間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā) Vo 為有效狀態(tài)。 12 第 3 章 整體電路設(shè)計 就此設(shè)計的核心模塊來說，單片機(jī)就是設(shè)計的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片 機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入 /輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、在線調(diào)試等幾個階段，就本設(shè)計來說也包括這些過程。它們的進(jìn)程框圖如圖 31 所示。 圖 31 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計過程框圖 開始 確定設(shè)計方案 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計 聯(lián)機(jī)仿真調(diào)試 排除故障 系統(tǒng)運行 硬件制作 完成設(shè)計 13 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電路原理框圖 31 所示。 圖 32 電路原理框圖 該部分可分 為：紅外感應(yīng)部分、 STC89C52 單片機(jī)、報警系統(tǒng)三大部分。 、鍵盤控制、報警等模塊子函數(shù)。 、報警器、單片機(jī)控制電路、LED 控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。用戶終端完成信息采集、處理、數(shù)據(jù)傳送、功能設(shè)定、本地報警等功能。終端由中央處理器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、功能設(shè)定模塊等部分組成。 電源模塊 本系統(tǒng)電壓為 5v 左右，可直接接 3 個 的直流干電池提供電源，然后用導(dǎo)線連接電源接口模塊。還有這種設(shè)置就是為 了濾波提高電源質(zhì)量，加一個LED 指示燈，當(dāng)電路接通時 LED 指示燈就亮了，可以清楚看到板子是否供電。 圖 33 電源原理圖 信號檢測電路 時鐘電路 STC89C52 單片機(jī) 復(fù)位 電路 LED 指示燈 報警電路 按鍵控制 14 信號采集處理模塊 圖 34 信號處理模塊 本電路是將人體輻射的紅外線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。熱釋紅外感應(yīng) 2 腳輸入到前置放大器 OP1 進(jìn)行放大，然后由 C4 耦合給運算放大器 OP2 進(jìn)行第二級放大。再經(jīng)過電壓比較器 COP1 和 COP2 構(gòu)成雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延時時間定時器輸出信號在經(jīng)過 R3 進(jìn)入單片機(jī)部分進(jìn)行處理。延時周期可通過 R12 來調(diào)節(jié)輸出，在延時時間內(nèi)只要 Vs 發(fā)生上跳變， Vo 就會從 Vs 上跳變時刻起繼續(xù)延長一個周期，而電路中的電容為了能夠更好的控制了芯片內(nèi)的定時器，若 Vs 一直保持為高電平，這樣就可以通過 P10 傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)進(jìn)行下一步處理。而根據(jù)不同的距離要求來調(diào)節(jié) R13，最大可以調(diào)節(jié)到 7 米左右。圖中BISS0001 中 1 腳用跳線連連接住一個接高電平可觸發(fā)工作另一個接低電平不可觸發(fā)工作 ,可重復(fù)觸發(fā)方式就是感應(yīng)到高電平后，在延時時間段內(nèi)如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才將高電平變?yōu)榈碗娖剑倦娐吩O(shè)計就是可 觸發(fā)方式。 按鍵控制電路模塊 本電路的設(shè)計就是為了控制電路中布防和緊急狀態(tài)下不同的工作形式，當(dāng) 按 15 下布防按鍵后， 10 秒后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)有人靠近時，熱釋紅外感應(yīng)到信號，傳回給單片機(jī)，單片機(jī)馬上進(jìn)行報警。當(dāng)遇到特殊緊急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進(jìn)行報警。 手工按鍵停止報警中斷服務(wù)程序工作流程圖，如下 圖 35 所示； 圖 35 中斷服務(wù)程序工作流程圖 報警電路 在單片機(jī)的 I/O 里會輸出高低電平 ,在 P21 和 P23 分別接上 LED 指示燈而P25 接上蜂鳴器而蜂鳴器外界個 9012 的三極管起到開關(guān)作用，當(dāng)三極管達(dá)到飽和狀態(tài)下就驅(qū)動了蜂鳴器工作了 。 圖 36 報警電路原理圖 關(guān)中斷、保護(hù)現(xiàn)場 中斷源發(fā)出中斷申請 中斷返回 恢復(fù)現(xiàn)場、關(guān)中斷 INTO/端有輸入信號關(guān)閉報警 16 控制單元 最小系統(tǒng) 控制電路設(shè)計中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)）。 STC89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件。 STC89C52 單片機(jī)管腳說明如下：