【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。 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構 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工作的探測器，其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，因此其應用領域廣，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構圖、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院本科畢業(yè)設計（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，以達到阻抗變大的目的。在管殼的頂部設有慮光鏡（ TO－ 5 封裝）。圖 為熱釋電傳感器的實物照片。 圖 熱釋電紅外傳感器結構圖和電路圖 圖 熱釋電傳感器實物圖 熱釋電體的自發(fā)極化強度與溫度有關。隨著溫度 升高，自發(fā)極化強度下降。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)正負極化強度。但是西安文理學院本科畢業(yè)設計（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)極化在電極上感應的電荷量為： Q=APS （式 ） 當紅外輻射照射時，熱釋電晶體溫度升高，自發(fā)極化電晶體溫度升高，自發(fā)極化強度降低，因此電極表面上感應電荷減少，這相當于“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 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院本科畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 壓。如果用負載電阻 Rg 把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流 Is 通過負載。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 所示。 圖 熱釋電紅外等效圖 電流源的電流強度為 Is 為： dTdAPItS)(?? （式 ） 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 目前人體驗知系統(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，當人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)運動時，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，進人一個視場后，又走出這個視場，再進人另一視場對傳感器而言，相當于一會兒看到人，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的電信號，如圖 所示為菲涅爾透鏡。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（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。 熱釋電紅外感應模塊電氣參數(shù) 表 P1 熱釋電紅外感應模塊電氣參數(shù) 電氣參數(shù) DYPME003 人體感應模塊 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 觸發(fā) /H重復觸發(fā) 延時時間 5S(默認 )可制作范圍零點幾秒 幾十分鐘 封鎖時間 (默認 )可制作范圍零點幾秒 幾十秒 電路板外形尺寸 32mm*24mm 感應角度 100度錐角 感應距離 7米以內(nèi) 工作溫度 15+70度 感應透鏡尺寸 直徑 :23mm(默認 ) 熱釋電紅外感應模塊功能特點及使用說明 ? 功能特點： 全自動感應 :人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 17 頁 關閉高電平，輸出低電平。 光敏控制：可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。 溫度補償：在 夏天當環(huán)境溫度升高至 30～ 32℃ ，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。 兩種觸發(fā)方式： :即感應輸出高電平后，延時時間段一結束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖剑? ：即感應輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應范圍活動，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K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 )。 具有感應封鎖時間 (默認設置 :無封鎖時間 )：感應模塊在每一次感應輸 出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設置一個封鎖時間段，在此時間段內(nèi)感應器不接受任何感應信號。此功能可以實現(xiàn) “ 感應輸出時間 ” 和 “ 封鎖時間 ” 兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 (此時間可設置在零點幾秒 ) 工作電壓范圍寬：默認工作電壓 。 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現(xiàn)對接。 ? 使用說明： 感應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，一分鐘后進入待機狀態(tài)。 應盡量避免燈光等干擾源近距離直射模塊表面的透鏡，以免引進干擾信號產(chǎn)生誤動作；使用環(huán)境盡量避免流動的風，風也會對感應器造成干擾。 感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（ A元 B元）位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，當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，因此感應不靈敏或不工作；所以安裝感應器時應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。為了增加感應角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 18 頁 使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下兩個方向感應范圍大、靈敏度強，安裝時仍須盡量 按以上要求。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 第 4 章 系統(tǒng)硬件電路設計 總體設計思路 本設計硬件 模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、報警等子模塊。電路結構可劃分為：熱釋電紅外傳感器、報警器、單片機控制電路、 LED 控制電路及相關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、功能設定、本地報警等功能。 就此設計的核心模塊來說，單片機就是設計的中心單元，所以此系統(tǒng)也是 單片機應用系統(tǒng)的一種應用。單片機應用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入 /輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機應用系統(tǒng)的研制過程包括總體設計、硬件設計、軟件設計等幾個階段。 從設計的要求來分析該設計須包含如下結構：熱釋電紅外傳感探頭電路、報警電路、單片機、復位電路及相關的控制管理軟件組成；它們之間的構成框圖如 圖 所示： 圖 總體設計框圖 處理器采用 51 系列單片機 AT89S52。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件 控制下工作的。設置在監(jiān)測點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。在單片機內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識別判決等環(huán)節(jié)實時發(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備完成相應動作。當報警延遲 10s 一段時間后自動解除，也可人工手動解除報警信號，當警情消除后復位電路使系統(tǒng)復位，或者是在聲光報警 10s 鐘后有定時器實現(xiàn)自動消除報警。 具體電路模塊設計 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 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 20 頁 單片機最小系統(tǒng)電路 如圖 所示為單片機 的最小系統(tǒng)電路圖。 單片機 9 腳接復位電路，可按復位按鈕 S1給單片機復位。 晶振采用 12MHZ。 由于單片機只訪問片內(nèi) Flash ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，因此單片機的 31 腳接高電平 VCC。 圖 單片機最小系統(tǒng)電路 熱釋電紅外感應模塊電路 本設計所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結構。其工作電路原理及設計電路如圖 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?，再?jīng)過 NPN 的轉(zhuǎn)化，輸出 OUT 為低電平。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（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 感應模塊電路 放大電路的設計 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 聲音報警器的設計 如圖 所示，用一個 Speaker 和三極管、電阻接到單片機的 TXD 引腳上，構成聲音報警電路 。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（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分鐘后進入監(jiān)控狀態(tài)，當有人靠近時，熱 釋紅外感應到信號，傳回給單片機，單片機馬上進行報警。當遇到特殊緊急情況時，可按下緊急報警鍵 S3，蜂鳴器進行報警。 圖 LED 報警電路 報警溫度設定按鍵電路 如圖 所示為報警溫度設定按鍵電路。 S2 為布防鍵， S3 為緊急報警鍵。 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 23 頁 圖 報警溫度設定按鍵電路 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文） 第 24 頁 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 本設計通過利用 Protel 仿