【文章內(nèi)容簡介】 “ 555”時基集成電路 A1 與外圍元件構(gòu)成了自激多諧振 蕩器 ,其振蕩頻率約為 30kHz,占空比為 1:10?遠紅外線的功能簡介。 紅外輻射 紅外輻射是波長介于可見光與微波之間的電磁波 (電磁輻射 )。 1666 年，英國物理學家 ，太陽光經(jīng)過三棱鏡后分裂成彩色光帶──紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。 1800 年，英國天文學家 光譜的熱效應時，發(fā)現(xiàn)熱效應最顯著的部位不在彩色光帶內(nèi)，而在紅光之外。因此，他認為在紅光之外存在一種不可見光。后來的實驗證明，這種不可見光與可見光具有相同的物理性質(zhì) ,遵守相同的規(guī)律 ,所不同的只是一個物理參數(shù)──波長 。這種不可見光稱為紅外輻射，又稱紅外光、紅外線。 17～ 18 世紀，許多物理學家認為，光 (包括紅外光和紫外光 )具有波動的性質(zhì) ,有一定的傳播速度 ,波長是它的特征參數(shù)并可以測量?？梢姽獾牟噬煌?，反映了它們的波長不同。紫光的波長最短，紅光的波長最長，紅外輻射的波長則更長，紫外光的波長比紫光更短。 1864 年，英國物理學家 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 6 總結(jié)了當時已有的電磁學規(guī)律 ,提出了存在電磁波的可能性 ,它的傳播速度可用純電學量計算出來。后來的實際測量證明，其傳播速度就是光速。因而猜想，光波就是電磁波。 1887 年，德國科學 家 。已知帶電體受到擾動就發(fā)射出電磁波。擾動越強烈，發(fā)射出電磁波的能量就越大，波長就越短。 紅外輻射原理 在某些應用現(xiàn)場，檢測器要接觸被測物是不實際或者是不可能的。而紅外檢測器可以在短時間內(nèi)遠距離測量溫度，因此在某些情況下它是非常實用的。輻射原理 所有的物體都是由不斷震動的原子構(gòu)成的，高能量的原子震動頻率越高。所有微粒的震動，包括這些原子，生成電磁波譜。物體的溫度越高，它的震動就越快，因此光譜的輻射能量就越高。結(jié)果，所有物體都不停的以自身的波長頻率向外輻射，而其波長和頻率又取決 于物體自身的溫度和它的光譜比輻射率。視覺范圍比率和到直徑距離的比率 視覺范圍是指儀器操作的角度，它是由該個體的視度所決定的。視覺范圍是儀器和目標物距離與目標物直徑的比率。目標物越小，你就應該靠它更近一些。當目標物的直徑很小時，那么將溫度計靠目標物近一些就顯得很重要，這樣可以確保只是在測量該目標物，而不包括周圍環(huán)境。視度操作 D： S是指視點直徑距離的比率，它包括目標物前面最大限度接受輻射的 90%。激光可視激光點是用來顯示測量區(qū)域的點，而不是散發(fā)出某種東西要測量。 紅外技術(shù) 紅外技術(shù)定義 紅外技術(shù)是研究紅外輻射的 產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測量及其應用的技術(shù)科學。紅外技術(shù)的內(nèi)容包含四個主要部分： 1. 紅外輻射的性質(zhì)，其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性 反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等。 2. 紅外元件、部件的研制，包括輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光電等。 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 7 3. 把各種紅外元、部件構(gòu)成系統(tǒng)的光學、電子學和精密機械。 4. 紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟中的應用。由此可見，紅外技術(shù)的研究涉及的范圍相當廣泛，既有目標的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材 料問題，又有應用問題。與紅外線相關(guān)的技術(shù)還有：探測技術(shù) 。精確制導技術(shù) 。光電子技術(shù)；先進材料技術(shù)。 紅外技術(shù)的影響 物理學的研究告訴我們，在自然界中，任何溫度高于絕對零度 (0176。 K 或273℃ )的物體都在向外輻射各種波長的紅外線，物體的溫度越高，其輻射紅外線的強度也越大。我們根據(jù)各類目標和背景輻射特性的差異，就可以利用紅外技術(shù)在白天和黑夜對目標進行探測、跟蹤和識別，以獲取目標信息。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，獲取戰(zhàn)場信息的優(yōu)勢已經(jīng)成為掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)的關(guān)鍵，紅外技術(shù)是從空中和空間獲取戰(zhàn)場信息的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，許多國家均投入 很大的人力和物力去研究紅外技術(shù)，并將其廣泛地應用于軍事領(lǐng)域，并產(chǎn)生巨大影響。 紅外技術(shù)已成為軍事目標的偵察、監(jiān)視、預警與跟蹤的重要手段。一切軍事目標，如海洋中的艦船、地面部隊行動及各種裝備、空中的飛機、導彈，都散發(fā)熱量，發(fā)出大量的紅外輻射。利用紅外技術(shù)裝備，就可以從空中和空間對這些目標進行偵察、監(jiān)視與跟蹤。如偵察衛(wèi)星依靠紅外成像設(shè)備和多光譜儀可以白天黑夜地獲取大量的軍事情報。裝有紅外探測器的導彈預警衛(wèi)星從 70 年代以來，一直監(jiān)視著世界各國的彈道導彈發(fā)射，為國家及軍事指揮部門提供警報，如目前美國國防支援計劃中的 預警衛(wèi)星在幾十秒鐘內(nèi)，就可以鑒別來襲導彈的發(fā)射和方向，據(jù)說將來美國的天基紅外系統(tǒng)可在 20 秒內(nèi)，提供有關(guān)導彈發(fā)射和方向方面的精確信息，為攔截來襲導彈提供寶貴的預警時間。 紅外技術(shù)的發(fā)展趨勢 紅外技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于紅外材料的研制、紅外設(shè)備的制冷、紅外設(shè)備向更長波段發(fā)展、紅外焦平面陣列器件的研制和紅外設(shè)備與數(shù)據(jù)處理設(shè)備的結(jié)合等。紅外技術(shù)的發(fā)展以紅外探測器的發(fā)展為標志，可以從紅外探測器的發(fā)展來推斷其發(fā)展趨勢。 1. 紅外焦平面器件發(fā)展到高密度、快響應、元數(shù)達到 106— 108元以上的大青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 8 規(guī)模集成器件，由二維向三維多層次 結(jié)構(gòu)發(fā)展，在應用上就可以實現(xiàn) 高 清晰度熱像儀，極大地縮小整機體積，增強功能。 2. 雙色、多色紅外器件的發(fā)展使整機可同時實現(xiàn)不同波長的多光譜成像探測，成倍擴大系統(tǒng)信息量，成為目標識別和光電對抗的有效手段。 3. 探測器在焦平面上實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，按程序進行邏輯處理，使紅外整機實現(xiàn)智能化。 4. 提高探測器工作溫度，高性能室溫紅外探測器和焦平面器件是發(fā)展重點之一，不需要制冷器，將會使整機更精巧、更可靠，從而實現(xiàn)全固體化。 5. 提高成品率，降低價格。 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 紅外探測器 紅外探測器 紅外探測器是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn) 變成電信號輸出的器件。要察覺這種輻射的存在并測量其強弱，必須把它轉(zhuǎn)變成可以察覺和測量的其他物理量。一般說來，紅外輻射照射物體所引起的任何效應，只要效果可以測量而且足夠靈敏，均可用來度量紅外輻射的強弱?，F(xiàn)代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應和光電效應。這些效應的輸出大都是電量，或者可用適當?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量。一個紅外探測器至少有一個對紅外輻射產(chǎn)生敏感效應的物體，稱為響應元。此外，還包括響應元的支架、密封外殼和透紅外輻射的窗口。有時還包括致冷部件、光學部件和電子部件等。 從目前應用的情況來看，紅外探測有如下幾個優(yōu) 點：環(huán)境適應性優(yōu)于可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；隱蔽性好，一般都是被動接收目標的信號，比雷達和激光探測安全且保密性強，不易被干擾；由于是目標和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻射特性進行探測，因而識別偽裝目標的能力優(yōu)于可見光；與雷達系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低；由于紅外探測技術(shù)有其獨特的優(yōu)點從而使其在軍事國防和民用領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應用，尤其是在軍事需求的牽引和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的推動下，作為高新技術(shù)的紅外探測技術(shù)在未來的應用將更加廣泛，地位更加重要。紅外探測器是將不可見的紅外輻 射能轉(zhuǎn)變成其它易于測量的能量形式的能量轉(zhuǎn)化器，作為紅外整機系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，紅外探測器的研究始終是紅外物理與技術(shù)發(fā)展的中心。 紅外探測器原理及分類 紅外探測器原理 紅外探測器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器，主要用于將接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為便于測量或觀察的電能，熱能等其他形式的能量。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，紅外探測器青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 10 可分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器的工作機理是基于入射輻射的熱效應引起探測器某一電特性的變化，而光子探測器是基于入射光子流與探測材料相互作用產(chǎn)生的光電效應，具體表現(xiàn)為探測器響應元自由載流子 (即電子和 /或 空穴 )數(shù)目的變化。由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，光子探測器的響應正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測器的響應正比與所吸收的能量。熱探測器的換能過程包括：熱阻效應，熱伏效應，熱氣動效應和熱釋電效應。光子探測器的換能過程包括：光生伏特效應，光電導效應，光電磁效應和光發(fā)射效應。探測器已經(jīng)有了 20 多年的發(fā)展歷史，但是基于探測器本身的原理，目前還存在很多不盡人意的地方。例如，被動紅外探測器受外界環(huán)境的影響就比較大，當外界溫度較高，接近人體溫度時，就容易發(fā)生誤報現(xiàn)象；而當溫度較低時，探測器則可能因為感應不到人體的存在 又發(fā)生漏報的情況；另外被動紅外入侵探測器還無法分清人的移動、微風、空調(diào)的運轉(zhuǎn)以及小動物的活動，容易發(fā)生誤報現(xiàn)象。 紅外探測器分類 紅外探測器制備涉及物理、材料、化學、機械、微電子、計算機等多學科，是一門綜合科學。熱探測器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以使探測材料產(chǎn)生溫差電動勢、電阻率變化，自發(fā)極化強度變化，或者氣體體積與壓強變化等，測量這些物理性能的變化就可以測定被吸收的紅外輻射能量或功率。分別利用上述不同性能可制成多種熱探測器： 1. 液態(tài)的水銀溫度計及氣動的高萊池 (Golay cell)：利用了材料的熱脹 冷縮效應。 2. 電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產(chǎn)生溫差電動勢的溫差電效應。 3. 石英共振器非制冷紅外成像列陣：利用共振頻率對溫度敏感的原理來實現(xiàn)紅外探測。 4. 測輻射熱計：利用材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應 — 輻射引起溫升改變材料電阻 — 用以探測熱輻射。因半導體電阻有高的溫度系數(shù)而應用最多，測溫輻射熱計常稱“熱敏電阻”。另外，由于高溫超導材料出現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻陡變的超導探測器引起重視。如果室溫超導成為現(xiàn)實，將是 21 世紀最引人注目的一類探測器； 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 11 5. 熱釋電探測器：有些晶體，如硫酸三甘酞 、鈮酸鍶鋇等，當受到紅外輻射照射溫度升高時，引起自發(fā)極化強度變化，結(jié)果在垂直于自發(fā)極化方向的晶體兩個外表面之間產(chǎn)生微小電壓，由此能測量紅外輻射的功率。 6. 光子探測器：光子探測器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起內(nèi)光電效應和外光電效應等光子效應，從光子效應的大小可以測定被吸收的光子數(shù)。 7. 光電導探測器：又稱光敏電阻。半導體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而使半導體電導率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。利用光電導效應制成的光電導探測器分為多晶薄膜型和單晶型兩種。 8. 光伏探測器：主要利用 pn 結(jié)的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結(jié)電場使空穴進入 p區(qū)，電子進入 n 區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差，外電路就有電壓或電流信號。與光電導探測器比較，光伏探測器背景限探測率大 40%，不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。 9. 光發(fā)射 Schottky 勢壘探測器：金屬和半導體接觸，形成 Schottky 勢壘，紅外光子透過 Si層被 PtSi 吸收，使電子獲得能量躍遷至費米能級，留下空穴越過勢壘進入 Si 襯底， PtSi 層的電子被收集，完成紅外探 測。 10. 量子阱探測器 (QWIP)：將兩種半導體材料用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢能阱內(nèi)，從而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。因入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。 青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 12 第 4 章 主要元器件介紹 單片機 AT89C2051 圖 41 AT89C2051單片機 如 圖 41 所示， AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含 2k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器 (PEROM)和 128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C2051 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。同時AT89C2051 的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有 RAM、定時 /計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚 醒后即進入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復位方可繼續(xù)運行。 1. 程序保密： 89C2051 設(shè)計有 2 個程序保密位，保密位 1 被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，保密位 2被編程之后，程序不能被讀出。 2. 軟硬件的開發(fā)： 89C2051 可以采用下面 2種方法開發(fā)應用系統(tǒng)。 (1) 由于 89C2051 內(nèi)部程序存貯器為 Flash，所以修改它內(nèi)部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程 89C2051 的編程器即可。調(diào)試人員可以采用程序編輯 編譯 固化 插到電路板中試驗這樣反復循環(huán)的方法，對于熟練的 MCS51程序員來說，這種調(diào)試方法并不十分困難。 (2) 將普通 8031/80C31 仿真器的仿青島理工大學畢業(yè)設(shè)計 13 真插頭中 ～ 和 ～ 引出來仿真 205T，這種方法可以運用單步、斷點的調(diào)試方法，但是仿真不夠真實，比如， 2051 的內(nèi)部模擬比較器功能， P1口、 P3 口的增強下拉能力等等。 電源電路 固定三端穩(wěn)壓器 如