【文章內(nèi)容簡介】 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來改變，這些晶體稱作熱釋電 —— 鐵電體。例如： LiTaO2(鉭酸鋰 )、 BaTiO2(鈦酸鋇 )和 TGS（硫酸三甘酞）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器。 紅外測溫原理 紅外測溫是通過探測物體 表面發(fā)射的能量來測量其溫度，由物理學(xué)可知，處于絕對溫度（－ ℃）以上的任何物體，都要釋放熱能，而紅外輻射溫度計測量其中與溫度有關(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，由此測出其溫度。 實(shí)際中大多數(shù)物體為非黑體，其熱輻射公式為： E=εE0 （式 ） 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器和光子探測器兩大類：其中，熱釋電探測器是電效應(yīng)工作的探測器，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。常用的熱釋電探測器如： LiTaO2(鉭酸鋰 )探測器、BaTiO2(鈦酸鋇 )探測器和 TGS（硫酸三甘酞）探測器等。 如圖 所示為熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖、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在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 信號。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（ TO－ 5 封裝）。圖 為熱釋電傳感器的實(shí)物照片。 圖 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖和電路圖 圖 熱釋電傳感器實(shí)物圖 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，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。但是西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 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)條件下測量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需的時間很長，因晶體自發(fā)極化的弛豫時間很短，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，因此可在動態(tài) 條件下測量自發(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 （式 ） 當(dāng)紅外輻射照射時，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 所示的電路連接負(fù)載，則在紅外輻射時，就有電流流過負(fù)載經(jīng)放大后成為輸出信號。 圖 電路連接負(fù)載 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。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(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間，那么在垂直于 PS 的晶體的兩個端面之間就會產(chǎn)生開路電西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 壓。如果用負(fù)載電阻 Rg 把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流 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 所示。 圖 熱釋電紅外等效圖 電流源的電流強(qiáng)度為 Is 為： dTdAPItS)(?? （式 ） 式中， P為自發(fā)極化強(qiáng)度對溫度變化率，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。加裝菲涅爾透鏡可使傳感器的探測半徑從不足 2m 提高到至少 8m 范圍。菲涅爾透鏡實(shí)際是一個透鏡組，每個單元一般都只有一個不大的視場，且相鄰的視場既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個盲區(qū)。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)動時，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，或者說，人體在監(jiān)控范圍內(nèi)活動時，進(jìn)人一個視場后，又走出這個視場，再進(jìn)人另一視場對傳感器而言，相當(dāng)于一會兒看到人，一會兒又看不到人，人體的紅外線輻射不斷改變傳感器的溫度，使之有一個又一個相應(yīng)的電信號，如圖 所示為菲涅爾透鏡。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 圖 菲涅爾透鏡 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，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預(yù)熱”時間，在這段時期內(nèi)該傳感器不起作用。 熱釋電紅外感應(yīng)模塊電氣參數(shù) 表 P1 熱釋電紅外感應(yīng)模塊電氣參數(shù) 電氣參數(shù) DYPME003 人體感應(yīng)模塊 工作電壓范圍 DC 靜態(tài)電流 50uA 電平輸出 高 /低 0V 觸發(fā)方式 L不可重復(fù) 觸發(fā) /H重復(fù)觸發(fā) 延時時間 5S(默認(rèn) )可制作范圍零點(diǎn)幾秒 幾十分鐘 封鎖時間 (默認(rèn) )可制作范圍零點(diǎn)幾秒 幾十秒 電路板外形尺寸 32mm*24mm 感應(yīng)角度 100度錐角 感應(yīng)距離 7米以內(nèi) 工作溫度 15+70度 感應(yīng)透鏡尺寸 直徑 :23mm(默認(rèn) ) 熱釋電紅外感應(yīng)模塊功能特點(diǎn)及使用說明 ? 功能特點(diǎn)： 全自動感應(yīng) :人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 關(guān)閉高電平，輸出低電平。 光敏控制：可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時不感應(yīng)。 溫度補(bǔ)償：在 夏天當(dāng)環(huán)境溫度升高至 30～ 32℃ ，探測距離稍變短，溫度補(bǔ)償可作一定的性能補(bǔ)償。 兩種觸發(fā)方式： :即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間段一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖剑? ：即感應(yīng)輸出高電平后，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，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點(diǎn) )。 具有感應(yīng)封鎖時間 (默認(rèn)設(shè)置 :無封鎖時間 )：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸 出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間段，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號。此功能可以實(shí)現(xiàn) “ 感應(yīng)輸出時間 ” 和 “ 封鎖時間 ” 兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 (此時間可設(shè)置在零點(diǎn)幾秒 ) 工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓 。 微功耗 :靜態(tài)電流 50 微安，特別適合干電池供電的自動控制產(chǎn)品。 輸出高電平信號：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對接。 ? 使用說明： 感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出 03次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 應(yīng)盡量避免燈光等干擾源近距離直射模塊表面的透鏡，以免引進(jìn)干擾信號產(chǎn)生誤動作；使用環(huán)境盡量避免流動的風(fēng)，風(fēng)也會對感應(yīng)器造成干擾。 感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（ A元 B元）位于較長方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達(dá)雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保 證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng)。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)，安裝時仍須盡量 按以上要求。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 總體設(shè)計思路 本設(shè)計硬件 模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、報警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：熱釋電紅外傳感器、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。 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)計等幾個階段。 從設(shè)計的要求來分析該設(shè)計須包含如下結(jié)構(gòu)：熱釋電紅外傳感探頭電路、報警電路、單片機(jī)、復(fù)位電路及相關(guān)的控制管理軟件組成；它們之間的構(gòu)成框圖如 圖 所示： 圖 總體設(shè)計框圖 處理器采用 51 系列單片機(jī) AT89S52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件 控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點(diǎn)上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經(jīng)放大電路送至AT89S52單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時發(fā)出入侵報警狀態(tài)控制信號。驅(qū)動電路將控制信號放大并推動聲光報警設(shè)備完成相應(yīng)動作。當(dāng)報警延遲 10s 一段時間后自動解除，也可人工手動解除報警信號，當(dāng)警情消除后復(fù)位電路使系統(tǒng)復(fù)位，或者是在聲光報警 10s 鐘后有定時器實(shí)現(xiàn)自動消除報警。 具體電路模塊設(shè)計 系統(tǒng)完整的電路原理圖和 PCB 圖見附錄一和附錄二所示。 AT89S52 復(fù)位電路 信號檢測電路 報警執(zhí)行電路 LED 發(fā)光顯示 放大 驅(qū)動 驅(qū)動 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 如圖 所示為單片機(jī) 的最小系統(tǒng)電路圖。 單片機(jī) 9 腳接復(fù)位電路，可按復(fù)位按鈕 S1給單片機(jī)復(fù)位。 晶振采用 12MHZ。 由于單片機(jī)只訪問片內(nèi) Flash ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，因此單片機(jī)的 31 腳接高電平 VCC。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 熱釋電紅外感應(yīng)模塊電路 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 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 FET 放大后，經(jīng)過C2， R1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢唬俳?jīng)過 NPN 的轉(zhuǎn)化，輸出 OUT 為低電平。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 圖 熱釋電紅外 感應(yīng)模塊電路 放大電路的設(shè)計 如圖 所示 為最基本的放大電路， Vi 是輸入電壓信號， Vo 是輸出放大的電壓信號。 Q29014R1210KR1110KC547uC447uVCCC647uVoVi 圖 放大電路 圖 聲音報警器的設(shè)計 如圖 所示，用一個 Speaker 和三極管、電阻接到單片機(jī)的 TXD 引腳上，構(gòu)成聲音報警電路 。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 圖 聲音報警電路 LED 報警電路 如圖 所示為 LED 報警電路。按下布防按鍵 S2后， 1分鐘后進(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 S3，蜂鳴器進(jìn)行報警。 圖 LED 報警電路 報警溫度設(shè)定按鍵電路 如圖 所示為報警溫度設(shè)定按鍵電路。 S2 為布防鍵， S3 為緊急報警鍵。 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 圖 報警溫度設(shè)定按鍵電路 西安文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 本設(shè)計通過利用 Protel 仿