【文章內容簡介】 信號加以放大 、比較整形后輸送給單片機使其 驅動各種控制電路。 圖 24示為熱釋電紅外傳感器的內部電路框圖： G N D偏 置電 阻SD電 容場 效 應 管傳 感 器封 裝 內 部 電 路光 學 透 鏡 圖 24 熱釋電紅外傳感器的內部電路圖 （ 1） PIR 的原理特性： 熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)制成的探測元件，在每個 探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，來 抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元 件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。 人體輻射的紅外線中心波 長為 9—10um，而探測元件的波長靈敏度在 —20um 范圍內 ， 幾乎 是 穩(wěn)定不變 的。 傳感器頂端有 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 7—10um，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，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是 由于 兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也 不同 ，這樣就 不能抵消， 產生電壓差值，這個差值 經信號處理而輸出電壓信號。熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小。要經過放大、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) [5]。下圖 25 是控制電路的結構框圖： 低 頻 放 大 比 較 整 形V i V o 圖 25 控制電路結構框圖 6 本設計所用的熱釋感器就采用雙探測元的結構。 其工作電路原理及設計電路如圖 26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，電荷信號經過 FET 放大后，經過 C2， R1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再經過 NPN 的轉化，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 26 熱釋電紅外傳感器原理圖 （ 2） 菲涅爾透鏡 ： 目前人體驗知系統(tǒng)中的光調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) (如圖 27 所示 )。這樣，當人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內運動時，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。 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， 傳感器 加裝了菲涅爾透鏡后可以有效增加傳感器的檢測范圍 ，菲涅爾透鏡的實物圖如附圖 1 所示 。 另外， 需要說明的是 ：傳感器模塊 在每次接通電源時，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預熱”時間，在這段時期內該傳感器不起作用。 菲涅爾透鏡的示意圖如下圖所示： 7 圖 27 菲涅爾透鏡示意圖 （ 3） 本設計采用 HCSR501 模塊，如附錄 一圖 13 所示。該模塊是基于紅外線檢測技術的自動控制模 塊，采用德國原裝進口 LHI778 紅外感應 探頭設計，感應部分應用菲涅爾透鏡對感應范圍進行放大，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式， 廣泛應用于各類自動感應電氣設備，尤其是干電池供電的自動控制產品。 HCSR501 人體感應模塊電氣特性： ① 工作電壓范圍：直流電壓 ； ② 靜態(tài)電流： 50uA； ③ 電平輸出：高 ； ④ 觸發(fā)方式： L（不可重復觸發(fā)） /H（重復觸發(fā)）； ⑤ 感應角度： 100 度錐角； ⑥ 工作溫度： 15—+70 攝氏度； ⑦ 觸發(fā)時間： 5200S(可調 )可制作范圍零 點幾秒 — 幾十分鐘。 HCSR501 模塊功能參數(shù)： ① 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關閉高電平，輸出低電平。 ② 兩種觸發(fā)方式（可跳線選擇）： a、不可重復觸發(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成低電平； b、可重復觸發(fā)方式 ： 即感應輸出高電平后，在延時時間段內，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 )。 ③ 封鎖時間 (默認設置 ： 封鎖時間 )：感應模塊在每一次感應輸出后（高電平變成 8 低電平），可以緊跟著設置一個封鎖時間段，在此時間段內感應器不接受任何感應信號。此功能可以實現(xiàn) “ 感應 ” 。 溫度傳感器單元 為了滿足本設計需要， 該單元 選用的是 DS18B20 智能溫度傳感器。它是美國 DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，在其內部使用了在板 （ ONB0ARD） 專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電 路內。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 （ 1） DS18B20 的特點 ： DS18B20 內部結構主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的外形及管腳排列如圖 28 所示： DALLAS18B20PR35封 裝GND DQ VDD1 2 3 圖 28 DS18B20 外形及引腳排列圖 （ 2） DS18B20 引腳定義： ① DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端。 ② GND 為電源地。 ③ VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 新型數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的測溫效果。 （ 3） DS18B20 的性能特點如下： ① 適應電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 ② 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條接口線即可實現(xiàn) 9 微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 ③ DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 ④ DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。 ⑤ 溫范圍 － 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177?！?。 ⑥ 可編程的分辨率為 9～ 12 位 ，對應的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫。 ⑦ 在 9 位分辨率時最多在 內把溫度轉換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在 750ms內把溫度值 轉換為數(shù)字，速度更快。 ⑧ 測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 ⑨ 負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。 DS18B20 有寄生電源供電方式和外部電源供電方式，本設計采用外部電源供電方式。在外部電源供電方式下， DS18B20 工作電源由 VDD 引腳接入，此時 I/O 線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度。在外部 供電的方式下， DS18B20 的 GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是 85℃ [4]。 本設計中采用外部電源供電方式，其與單片機的接口電路如下圖 29 所示 123D S 18 B 20V C CR5R e s 2P 圖 29 DS18B20 與 STC89C52 單片機 引腳 連線 DS18B20 溫度傳感器 與單片機的接口電路非常簡單。 DS18B20 只有三個引腳，一個接地，一個接電源，一個數(shù)字輸入輸出引腳接單片機的 I/O 口，電源與數(shù)字輸入輸出腳間需要接一個 的電阻。 系統(tǒng)中的溫度傳感器可用于檢測環(huán)境溫度，通過溫度值的變化來 預測 火災的發(fā)生。例如當溫度高于 50 度時，啟動聲光報警電路，提示用戶進行處理。 10 單片機控制模塊 單片機是整個報警系統(tǒng)的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的信號，另一方面要對信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，然后送 LCD顯示，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機 有較快的運算速度。同時，在保證 報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠盡可能降低 成本，縮小體積。 如今市面上單片機的種類很多，許多廠家都有自己的單片機系列產品。本設計中 只是對 各種傳感器的 采集 數(shù)據(jù)進行處理，在 LCD 上顯示并產生聲光報警，功能不是特別復雜，實時性不太強，運算量不是太大，因此選用 8 位單片機。該應用還應該考慮單片機的功耗。滿足這兩個條件的單片機種類很多，考慮到價格，本人已有的單片機集成開發(fā)環(huán)境和仿真器等因素，最終選用宏晶公司生產的 STC89C52 型號的單片機。 STC89C52 單片機主要性能及結構 STC89C52 單片機完全兼容 MCS51 系列單片機的所有功能， 并且本身帶有 2K 的內存儲器，可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上， 它 比人們常 用的 8031CPU 外加 EPROM 為核心的單片機系統(tǒng)在硬件上具有更加簡單方便等優(yōu)點，具體如下： STC89C52 單片機是最早期也最典型的產品， 具有低功耗、高性能的特點，是 采用CHMOS 工藝的 8 位單片機。它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與 Intel 80C3X 單片機完全相同，在應用中可直接替換。在 STC89C52 內部有 FLASH 程序存儲器，不僅能 用常規(guī)的編程器編程，也可 在線使之處于編程狀態(tài)對其編程。編程速度很快，擦除時也 無需紫外線，非常方便。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本 、低功耗 的解決方案 [6]。 （ 1） 主要特性介紹如下： ① 與 MCS51 產品指令系統(tǒng)完全兼容 。 ② 封裝： PDIP40（見圖 210） 。 ③ 8K 的 EEPROM 功能 。 ④ 三個程序存儲器保密位 。 ⑤ 2568 字節(jié)的內部 RAM。 ⑥ 用戶應用程序空間 32K 字節(jié) 。 ⑦ 工作溫度范圍： 0—75℃ /40/—+85℃ 。 ⑧ 全靜態(tài)設計，時鐘頻率范圍為 0～ 24MHz、 33MHz。 ⑨ 低功耗的待機工 作模式和掉電工作模式 。 ⑩ 3 個可工作于 4 種模式的 16 位定時 /計數(shù)器中斷 。 11 ? 片內集成 8KB 的 FLASH 存儲器，可反復編程 /擦除 1000 次 。 ? 工作電壓： （ 5V 單片機） /（ 3V 單片機） 。 ? 共 3 個 16 位定時器 / 計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當成 2 個 8 位定時器使用 。 ? 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 。 ? 通用異步串行口 (UART)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART。 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 010P 3. 111P 3. 212P 3. 313P 3. 414P 3. 515P 3. 616P 3. 717X T A L 218X T A L 119V S S20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E30EA31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40U2S T C 89 C 54 R D + + 圖 210 STC89C52 引腳圖 （ 2） 管腳說 明： VCC： 供電電壓。 GND：接地。 P0 口 ： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 “1”時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FLASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口 ： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時， 將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口 ： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為 12 輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存 器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 ST89C52 的一些特殊功能口 ， P3 口管腳備選功能 如下 ： （串行輸入口）； （串行輸出口）； （外部中斷 0）； （外部中斷 1）； （計時器 0 外部輸入）； （計時器 1 外部輸入）； （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）； （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）； P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。