【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是在沒(méi)有外電場(chǎng)作用時(shí) ,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(qiáng)度。它是一個(gè) 矢量 ,用 P 表示 ,其單位為 C/m2。 熱釋電體的自發(fā)極化強(qiáng)度 隨著溫度升高 自發(fā)極化強(qiáng)度 而 下降。 當(dāng) 溫度升高到Tc 時(shí)，自極化消失，此 時(shí)的 溫度稱為居里溫度。 當(dāng) 溫度超過(guò) 這一 溫度 時(shí) ，鐵電體 便會(huì) 發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強(qiáng)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(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 電荷所屏蔽， 當(dāng)紅外輻射照射時(shí) ，晶體受熱，熱釋電晶體溫度升高在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)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(yīng)。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(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，晶體自發(fā)極化值就會(huì)發(fā)生變化，在晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡。 如圖 26 所示的電路連接負(fù)載，則在紅外輻射時(shí)，就有電流流過(guò)負(fù)載經(jīng)放大后成為輸出信號(hào)。 圖 電路連接負(fù)載輸出信號(hào) 沒(méi) 有經(jīng)過(guò) 調(diào)制的 紅外輻射熱釋電晶體，使 晶體表面的 溫度 達(dá) 到一個(gè)新的平衡值，電極表面的感應(yīng)電荷也變化到新的平衡值， 晶體表面就不會(huì)消耗電荷 ，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(guò)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(guò)調(diào)制。 若 紅外線照射熱釋電晶體 的調(diào)制頻率為 f 的 ，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 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(shí)間，那么在垂直于自發(fā)極強(qiáng)度（ PS） 的晶體的兩個(gè)端面之間就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路電壓。如果用負(fù)載電阻 R 把兩個(gè)電極連接起來(lái)，就會(huì)有熱釋電電流 Is 通過(guò)負(fù)載。 [7]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 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 所示。 圖 等 效電路 圖 電流源的電流強(qiáng)度為 Is 為： dTdAPItS)(?? 式中 :p 為 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 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(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(cè)距離遠(yuǎn)。 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見(jiàn)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)”（如圖 所示）。 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，從而強(qiáng)其能V Y G’ C’ XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 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，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過(guò)這些齒紋，可以達(dá)到對(duì)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(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)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(yīng)用于 自動(dòng)門、自動(dòng)水龍頭、 防盜報(bào)警、自動(dòng)燈、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)電梯、 非接觸觸溫度測(cè)量等領(lǐng)域。[4] 圖 人體紅外由盲區(qū)進(jìn)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(cè)信號(hào)很小。要經(jīng)過(guò)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)。下圖 是控制電路的結(jié)構(gòu)框圖： 0 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 控制電路結(jié)構(gòu)圖 LM324 是四則運(yùn)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(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖 2 所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“ +” 、“ ” 代表 兩個(gè)信號(hào)輸入端，“ VCC” 、“ GND” 分別 正、負(fù)電源端，“ Vo” 為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， “ ” 為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反； “ +” 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(jiàn)圖 。 圖 LM324 電壓參考 電路圖 圖 管腳連接 及其功能 LM324 的特點(diǎn)： 1 真差動(dòng)輸入級(jí)； 2 可單電源工作： 3V32V ； 3 短路保護(hù)輸出； 4 低偏置電流：最大 100nA ； 5 每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器； 6 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列； 7 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽?8 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源； 9 輸入端具有靜電保護(hù)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(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛 的 應(yīng)用在各種電路 當(dāng) 中。 [6] 防火探測(cè)器電路設(shè)計(jì) 溫度探測(cè)器使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 , 5V 直流電壓供電。 DS18BZO 的測(cè)溫原理是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變 化的關(guān)系，把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)受溫度影響的振蕩器周期的計(jì)數(shù)可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。探測(cè)器中 DS18B20 采用寄生電源供電方式，保證在有效的DS18B2O 時(shí)鐘周期內(nèi)能提供足夠的電流，圖 MOSFET 管和 MCU 的 I/O 口來(lái)完成對(duì) DS18B2O 的總線上拉，然后通過(guò)另一 I/O 對(duì) DS18B2O 進(jìn)行控制并取得溫度值。 圖 溫度探測(cè)器電路 系統(tǒng)微處理器采用美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51 采用 COMS 工藝，是一種低功耗、高性 能的，與 INTEL 8051 系列單片機(jī)完全兼容的 8 位微控制器。 AT89C51 內(nèi)部具有 4K 字節(jié)的 Flash （閃速）存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫，在設(shè)計(jì)程序時(shí)可反復(fù)修改原程序、編譯、并燒寫到單片機(jī)，適合單片機(jī)最小系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制。 [7] XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 3 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89C51 是一種帶有 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， 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。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)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(nèi)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(gè)硬件復(fù)位。 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 單片機(jī)最小系統(tǒng) ,或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng) ,是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì) 51 系列單片機(jī)來(lái)說(shuō) ,單片機(jī) +晶振電路 +復(fù)位電路 ,便組成了一個(gè)最小系統(tǒng)。但是一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)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(jī)主要擅長(zhǎng)系統(tǒng)控制，而不適合做復(fù)雜的數(shù)據(jù) 處理，在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)時(shí) 通常選用 AT89C5l、 AT89C5 AT89S5AT89S52（ S 系列芯片支持 ISP 功能）等型號(hào)的 8 位 DIP40 封裝的單片機(jī)作為MCU，一個(gè)典型的單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤電路、顯示電路等部分組成，有時(shí)也外擴(kuò)有片外 RAM 和 ROM 以及外部擴(kuò)展接口等電路。圖 為單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 [8] 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖 如下圖 所示，單片機(jī)的電源采用 5V 供電，時(shí)鐘電路也就是振蕩電路采用 晶振，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。圖中的電容起穩(wěn)定作用。其復(fù)位電路采用混合復(fù)位電路，在上電的時(shí)候會(huì)自動(dòng)復(fù)位，也可手動(dòng)復(fù)位。方便在單片機(jī)死機(jī)的時(shí)候進(jìn)行重啟。 外部 RAM 顯示 51 單片機(jī) 鍵盤 系統(tǒng)時(shí)鐘 復(fù)位電路 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 時(shí)鐘電路模塊設(shè)計(jì) 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(guān)閉情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302 由 Vcc1 或Vcc2 兩者中較大者供電。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1+ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。反之當(dāng) Vcc2 小于 Vcc1 時(shí)， DS1302 由 Vcc1 供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線，通過(guò)把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)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(dāng) RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì) DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳送過(guò)程中 RSTS 置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài) 。上電動(dòng)行時(shí)，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(shí)，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(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 圖 DS1302 的引腳圖 DS1302 與單片機(jī)的連接也僅需要 3 條線： CE 引腳、 SCLK 串行時(shí)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(jì)時(shí)脈沖。 圖 DS1302 與單片機(jī)的連接原理圖 溫度采集模塊設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)換及輸出先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通行，最高 12 位分辨率。 具有測(cè)量精度高， 精度可達(dá)土 攝氏度耐磨耐碰。積小，附加功能強(qiáng)大，使用方便，分裝形式多樣， 僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用Ｐ 與 DS18B20的 I/O 口連接加一個(gè)上拉電阻 ,Vcc 接電源 ,Vss 接地。 XXX：基于 AT89C51 家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 圖 DS18B20 溫度采集 DS18B20 測(cè)量溫度時(shí)使用其內(nèi)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(hào)；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(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng) 內(nèi)部 計(jì)數(shù)門打開(kāi)時(shí)， DS18B20 開(kāi)始 計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開(kāi)通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)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(hào)位擴(kuò)展成高 8 位，所以最后以 16 位補(bǔ)碼形式讀出。 [10]DS18B20 工作過(guò)程一般遵循以下協(xié)議：初始化 ROM 操作命令 存儲(chǔ)器操作命令 處理數(shù)據(jù) 。 圖 DS18B20 的封裝及引腳排列