【文章內容簡介】 是在沒有外電場作用時 ,鐵電晶體或鐵電陶瓷中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化 ,稱為自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上 ,單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為自發(fā)極化強度。它是一個 矢量 ,用 P 表示 ,其單位為 C/m2。 熱釋電體的自發(fā)極化強度 隨著溫度升高 自發(fā)極化強度 而 下降。 當 溫度升高到Tc 時，自極化消失，此 時的 溫度稱為居里溫度。 當 溫度超過 這一 溫度 時 ，鐵電體 便會 發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強度 則 變?yōu)榱恪?在 一般情況下，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的表面束縛電荷被吸附在晶體表面上的自由 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 12 電荷所屏蔽， 當紅外輻射照射時 ，晶體受熱，熱釋電晶體溫度升高在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的 自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結構中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡。 如圖 26 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 電路連接負載輸出信號 沒 有經(jīng)過 調制的 紅外輻射熱釋電晶體，使 晶體表面的 溫度 達 到一個新的平衡值，電極表面的感應電荷也變化到新的平衡值， 晶體表面就不會消耗電荷 ，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。 若 紅外線照射熱釋電晶體 的調制頻率為 f 的 ，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 性的變化。如果 1/f 小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于自發(fā)極強度（ 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 R 把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流 Is 通過負載。 [7]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 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 13 所示。 圖 等 效電路 圖 電流源的電流強度為 Is 為： dTdAPItS)(?? 式中 :p 為 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 菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) ，又名螺紋透鏡，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，它的紋理是根據(jù)光的干涉及擾射以及相對靈敏度和接收角度要求來設計的。透鏡的要求很高。一片優(yōu)質的透鏡必須表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在 1mm 左右，特性為面積大、厚度薄及偵測距離遠。 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡在很多時候相當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。多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，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)”進入“高靈敏區(qū)”（如圖 所示）。 這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能V Y G’ C’ XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 14 量幅度。 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在 PIR 上，第二個作用是將探測區(qū)域內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變 化的形式在 PIR 上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通 (反射或者折射 )的作用。傳統(tǒng)的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。 因此， 配有菲涅爾透鏡的熱 型紅外傳感器被廣泛應用于 自動門、自動水龍頭、 防盜報警、自動燈、火災監(jiān)測、自動電梯、 非接觸觸溫度測量等領域。[4] 圖 人體紅外由盲區(qū)進入高靈敏區(qū) 熱釋電紅外傳感器控制電路芯片選擇 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)。下圖 是控制電路的結構框圖： 0 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 15 圖 控制電路結構圖 LM324 是四則運算 放 大 集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，如圖 所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖 2 所示的符號來表示，它有 5個引出腳，其中“ +” 、“ ” 代表 兩個信號輸入端，“ VCC” 、“ GND” 分別 正、負電源端，“ Vo” 為輸出端。兩個信號輸入端中， “ ” 為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相反； “ +” 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 。 圖 LM324 電壓參考 電路圖 圖 管腳連接 及其功能 LM324 的特點： 1 真差動輸入級； 2 可單電源工作： 3V32V ； 3 短路保護輸出； 4 低偏置電流：最大 100nA ； 5 每封裝含四個運算放大器； 6 行業(yè)標準的引腳排列； 7 具有內部補償?shù)墓δ埽?8 共模范圍擴展到負電源； 9 輸入端具有靜電保護功能。由于 LM324 具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可輸入 低頻放大 比較整形 輸出 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 16 單電源使用，價格低廉等優(yōu)點， 被廣泛 的 應用在各種電路 當 中。 [6] 防火探測器電路設計 溫度探測器使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 , 5V 直流電壓供電。 DS18BZO 的測溫原理是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變 化的關系，把溫度信號直接轉換為串行數(shù)字信號，通過內部計數(shù)器對受溫度影響的振蕩器周期的計數(shù)可實現(xiàn)溫度測量。探測器中 DS18B20 采用寄生電源供電方式，保證在有效的DS18B2O 時鐘周期內能提供足夠的電流，圖 MOSFET 管和 MCU 的 I/O 口來完成對 DS18B2O 的總線上拉，然后通過另一 I/O 對 DS18B2O 進行控制并取得溫度值。 圖 溫度探測器電路 系統(tǒng)微處理器采用美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機。 AT89C51 采用 COMS 工藝，是一種低功耗、高性 能的，與 INTEL 8051 系列單片機完全兼容的 8 位微控制器。 AT89C51 內部具有 4K 字節(jié)的 Flash （閃速）存儲器，可反復擦寫，在設計程序時可反復修改原程序、編譯、并燒寫到單片機，適合單片機最小系統(tǒng)的開發(fā)與研制。 [7] XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 17 3 硬件設計 單片機最小系統(tǒng) AT89C51 是一種帶有 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 18 單片機最小系統(tǒng) ,或者稱為最小應用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對 51 系列單片機來說 ,單片機 +晶振電路 +復位電路 ,便組成了一個最小系統(tǒng)。但是一般我們在設計中總是喜歡把按鍵輸入、顯示輸出等加到上述電路中 ,成為小系統(tǒng)。單片機主要擅長系統(tǒng)控制，而不適合做復雜的數(shù)據(jù) 處理，在設計單片機最小系統(tǒng)時 通常選用 AT89C5l、 AT89C5 AT89S5AT89S52（ S 系列芯片支持 ISP 功能）等型號的 8 位 DIP40 封裝的單片機作為MCU，一個典型的單片機最小系統(tǒng)一般由時鐘電路、復位電路、鍵盤電路、顯示電路等部分組成，有時也外擴有片外 RAM 和 ROM 以及外部擴展接口等電路。圖 為單片機最小系統(tǒng)結構框圖。 [8] 圖 單片機最小系統(tǒng)機構框圖 如下圖 所示，單片機的電源采用 5V 供電，時鐘電路也就是振蕩電路采用 晶振，向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。圖中的電容起穩(wěn)定作用。其復位電路采用混合復位電路，在上電的時候會自動復位，也可手動復位。方便在單片機死機的時候進行重啟。 外部 RAM 顯示 51 單片機 鍵盤 系統(tǒng)時鐘 復位電路 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 19 圖 單片機最小系統(tǒng) 時鐘電路模塊設計 圖 顯示的是 DS1302 的引腳排列，其中 Vcc1 為后備電源， Vcc2 為主電源。在主電源關閉情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 DS1302 由 Vcc1 或Vcc2 兩者中較大者供電。當 Vcc2 大于 Vcc1+ 時， Vcc2 給 DS1302 供電。反之當 Vcc2 小于 Vcc1 時， DS1302 由 Vcc1 供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復位 /片選線，通過把 RST 輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST 接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當 RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302 進行操作。如果在傳送過程中 RSTS 置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài) 。上電動行時，在 Vcc 大于等于 之前， RST 必須保持低電平。中有在 SCLK 為低電平時，才能將 RST 置為高電平， I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入端（雙向）。 SCLK始終是輸入端。 [9] XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 20 圖 DS1302 的引腳圖 DS1302 與單片機的連接也僅需要 3 條線： CE 引腳、 SCLK 串行時鐘引腳、I/O 串行 數(shù)據(jù)引腳， Vcc2 為備用電源，外接 晶振，為芯片提供計時脈沖。 圖 DS1302 與單片機的連接原理圖 溫度采集模塊設計 如圖 所示。采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20，它是數(shù) 字式溫度傳感器，具有全數(shù)字溫度轉換及輸出先進的單總線數(shù)據(jù)通行，最高 12 位分辨率。 具有測量精度高， 精度可達土 攝氏度耐磨耐碰。積小，附加功能強大，使用方便，分裝形式多樣， 僅需要一條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，使用Ｐ 與 DS18B20的 I/O 口連接加一個上拉電阻 ,Vcc 接電源 ,Vss 接地。 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報警系統(tǒng)設計 21 圖 DS18B20 溫度采集 DS18B20 測量溫度時使用其內部的低溫度系數(shù)振蕩器 的振蕩頻率受溫度的影響很小 能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；高溫度系數(shù)振蕩器 隨溫度變化 其震蕩頻率明顯改變， 將被測溫度轉換成頻率信號。當 內部 計數(shù)門打開時， DS18B20 開始 計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下溫度 寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，由于其 符號位擴展成高 8 位，所以最后以 16 位補碼形式讀出。 [10]DS18B20 工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化 ROM 操作命令 存儲器操作命令 處理數(shù)據(jù) 。 圖 DS18B20 的封裝及引腳排列