【正文】 感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對人體而言就是移動。 （ 4）濾光窗 制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材 料，它的探測波長范圍為圖 37 傳感器頂 圖 38 傳感器低 圖 39 傳感器側(cè) 鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 20 ～ 20μ m。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，通常在傳感器上加裝了一塊干涉濾光窗。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除 ~14um波長以外的紅外線。例如， SCA021 對 ~14um波長的紅外線的穿透量為 70%，在 處時下降為 65%，而在 處時陡降為 %； P2288 的響應(yīng)波長為 6~14um，中心波長為 10um。 物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強波長和溫度的關(guān)系滿足λ m*T=2989（ ）（其中λ m 為最大波 長， T 為絕對溫度）。人體的正常體溫為 36~℃，即309~，其輻射的最強的紅外線的波長為λ m=2989/ （ 309~ ）=~，中心波長為 。因此，人體輻射的最強的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長（ 7~14um）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽 光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。 （ 5） 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR 上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動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。 當人進入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離 A 區(qū)或中距離 B 區(qū)或近距離 C 區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。 鏡片主要有三種顏色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。二、白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強 光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。 每一種鏡片有一型號（以年號 +系列號命名），鏡片主要參數(shù)： 一、外觀描述 ——外觀形狀（長、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。 二、探測范圍 ——指鏡片能探測的有效距離（米）和角度。 三、焦距 ——指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點為單位。長形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對準探頭窗口。 鏡片與探頭的配合應(yīng)用 ——我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內(nèi)部有兩點對 7—14um的紅外波長特別敏感的 TO—5 材料連接著場效管。 圖 310 信號產(chǎn)生輸出示意圖 鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 21 BIS00019101112131415123456782MR410KR5R6C410uFC3DSGPIR1MR247KR747uFC51KR347KR1C11MR8200KR91KR10C647nFC7Vo+5V 靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補技術(shù)，不會產(chǎn)生電信號輸出。動態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被 A 源或被 B 源感應(yīng)， SaSb 或SaSb 產(chǎn)生差值，雙源失去互補 平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號輸出，見圖 310。當人對著探頭呈垂直狀態(tài)運動， Sa=Sb 不產(chǎn)生差值，雙源很難產(chǎn)生信號輸出。 由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值小 (小于 1 mV) ,不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號 ,因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路 ,使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于 單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求 ,人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖 311 所示。 圖 311 熱釋電檢測電路組成框圖 信號處理電路 本設(shè)計采用 BIS0001 來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。 它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器 及封鎖時間定時器等構(gòu)成。 圖 312 中 ,熱釋電傳感器 S 極輸出信號送入 BIS0001 的 14 腳 ,經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大后 ,由 C3 耦合從 12 腳輸入至內(nèi)部第二級運算放大器放大 ,再經(jīng)電壓比較器構(gòu)成的鑒幅器處理后 ,檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器 ,最后從 12 腳輸出信號 (Vo ) 送入單片機進行照明控制。 圖 312 熱釋電傳感器信號處理電路圖 檢測對象 菲涅爾透鏡 信號處理電路熱釋電紅外傳感器 Vo鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 22 6+572+13C530KR26 3KR912JP4Header 2V+12300R34VCCR20R23VCC 比較電路 比較電路如圖 313所示。 圖 313 人體信號比較電路 當被動紅外探頭感應(yīng)到人體信號后，運算放大器的“ 2 腳”或“ 5 腳”的電壓降為 ；當被動紅外探頭在沒有感應(yīng)人體紅外信號時，“ 2 腳”或“ 5 腳”的電壓降為 。探頭故障斷路時，則“ 2 腳”或“ 5 腳”的電壓降為 0V。 “ 1 腳”的電壓恒定為 ，“ 2腳”的電壓有 1V或是 兩種狀態(tài)， “ 6 腳”的電壓恒定為 ，“ 5腳”的電壓與“ 2 腳”的電壓保持一致。 探頭將會根據(jù)有無人體信號在“ 2腳”產(chǎn)生 或 兩種電壓信號。 （由于故障或沒有安裝探頭） “ 1 腳”的電壓恒定為 ，“ 2腳”的電壓為 0V， “ 6 腳”的電壓恒定為 ，“ 5 腳”的電壓為 0V。 探頭將只會產(chǎn)生一種電壓信號 0V。 具體的比較結(jié)果如下表 31 所示。 表 31 探頭采集信號輸出狀態(tài)表 探頭工作狀態(tài) “ 1 腳” 電壓 “ 2 腳”或“ 5腳”電壓 “ 6 腳” 電壓 正常 工作 無人狀態(tài) 1 1 有人狀態(tài) 0 1 斷路或故障 0V 1 0 通過比較電路，不僅解決了不同工作狀態(tài)時被動紅外探頭的對外界人體紅外信號的采集，而且也實現(xiàn)了僅通過被動紅外探頭的兩根電源線同時也傳輸了鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 23 所采集的周圍環(huán)境的紅外信號，一舉兩得。 DS12887 時鐘芯片接口電路設(shè)計 本 次系統(tǒng) 設(shè)計中， 燈光設(shè)計有以時間作為基準信號，故 采用了 DALLAS 公司的 DS12887 芯片。 DS12887 為 DALLAS 公司生產(chǎn)的實時時鐘芯片，除具有實時鐘功能外，它還具有 114 字節(jié)的通用 RAM，采用 CMOS 技術(shù)制成，具有內(nèi)部晶振和時鐘芯片備份鋰電池，而且它與目前應(yīng)用廣泛的時鐘芯片 MC146818B 和DS1287 管腳兼容。采用 DS12887 芯片設(shè)計的時鐘電路無需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機接口。 DS12887 芯片具有微功耗，外圍接口簡單，精度高，工作穩(wěn)定可 靠等優(yōu)點，可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘系統(tǒng)中。 分控制器采用 低檔型的 AT89C2051 單片機作為微處理器， AT89C2051 也是美國 ATMEL 公司 生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 2K bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，具有 15 線可編程 I/O 口，該單片機具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性價比較高等特點。 分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、實時時鐘芯片、可控硅控制電路、零點檢測電路、看門狗電路 、通信接口電路 等組成。 分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖 314 所示。 圖 314 分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖 30pF30pF1 2 M H zR S T / V pp1R X D / P 2T X D / P 3X T A L 24X T A L 15I N T 0/ P 6I N T 1/ P 7T 0/ P 8T 1/ P 9GND10V C C20P 19P 18P 17P 16P 15P 14P 13P 12P 1189 C 20 51V C C 1R S TS C L KI / OV C C 2X1X2GNDD S 1 3 0 2+ 5V20pF20pF3 2 . 7 6 8 K H z+ 5V330Ω330Ω39Ω0 . 0 1 u F100Ω+ 5 V7404M O C 3 0 2 11246~ 2 2 0 VB T 1 3 1B A T T E R Y3 . 6 VW D OR E S E TW D IMRV C CGNDM A X 8 1 3 L+ 5VD220nFVIVOGND220nFL M 7 8 0 5123V C C+ 5 V~ 2 2 0 VD1D210V+1 K Ω+ 5 VD3D41 .5 K Ω+ 5 VL M 3 1 1鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 24 時鐘芯片的接口設(shè)計 本系統(tǒng)利用單片機 89C2051 和時鐘芯片 DS1302 進行串行數(shù)據(jù)通信，讀取和寫入實時數(shù)據(jù)，用于定時控制照明燈具的啟停。 DS1302 是美國 Dallas 公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加 31 字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā) 方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM 數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小于 31日時可自動調(diào)整。 DS1302 與單片機的連接僅需要 3 根線，即 SCLK、 I/O、 RST。 RST 接在 上，此引腳為高電平時，選中該芯片，可對其進行操作。串行數(shù)據(jù)線 I/O 與串行時鐘線 SCLK 分別接在 和 上，所有的單片機地址、命令及數(shù)據(jù)均通過這兩條線傳輸。在本系統(tǒng)中， 89C2051 為主器件， DS1302 為從器件，主器件在總線上產(chǎn)生時鐘脈沖、尋址信號、數(shù)據(jù)信號等，而從器件則相應(yīng)接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)。對 DS1302 的每一次讀寫需 16 個時鐘 脈沖，前 8 個脈沖輸入操作地址和讀寫命令。其中位 7 必須為 1；位 0 為 0 時向芯片寫入數(shù)據(jù)，為 1 時從芯片讀出數(shù)據(jù)； 位 6～位 1 選定芯片中的地址。后 8 個脈沖寫入或讀出數(shù)據(jù)。 DS1302 采用雙電源系統(tǒng)供電， VCC1 在雙電源系統(tǒng)中提供主電源，在這種運用方式下 VCC2 連接到備份電源，以便在沒有主電源的情況下能保存 時間 信息以及數(shù)據(jù)。 DS1302 由兩者中的較大者供電。當 VCC1 大于 VCC2+ 時， VCC1給 DS1302 供電。當 VCC1 小于 VCC2 時， DS1302 由 VCC2 供電。 零點檢測與可控硅控制電路 的設(shè)計 這部分 電 路的設(shè)計采用單片機的 I/O口灌電流的方法控制可控硅實現(xiàn)開關(guān)與調(diào)光控制， 用光電耦合器 M0C3021 作為可控硅的驅(qū)動器，同時實現(xiàn)強、弱電的隔離。光電耦合器 M0C3021 通過一個非門與 89C2051 的 口連接， 當此腳輸出高電平時，將會封鎖住 MOC3021，使雙向可控硅 BT131 不導通，這樣就會使照明燈關(guān)閉；當 腳輸出低電平時，使光電耦合器 MOC3021 打開驅(qū)動雙向可控硅 ，從而將雙向可控硅觸發(fā)導通，這樣就開啟了所要控制的照明燈。對于照明燈的亮度調(diào)節(jié)，這里采用 PWM（ Pulse Width Modulation） 方式 ,即脈沖寬度調(diào)制的簡稱， PWM 是一種周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號，當輸出脈沖周期一定時，輸出脈沖的占空比越大相對應(yīng)的輸出有效電壓越大。在一個周期內(nèi)的脈沖寬度（導通時間） 為 T1，周期為 T，波形如圖 315 所示。 鄭州大學 物理工程學院 畢業(yè)論文 25 T 1T 2T 圖 315 脈沖波形圖 則輸出電壓的平均值為： U=VCC179。 T1/T=α VCC 其中α =T1/T（正脈沖的持續(xù)時間與脈沖周期的比值）稱為占空比，α的變化范圍為 0≤α≤ 1， VCC 為電源電壓 。 當電源電壓 VCC 不變的情況下，輸出電壓的平均值 U取決與占空比α的大小，改變α的大小就可以改變輸出電壓的平均值 ，這就是 PWM 的工作原理。燈泡的亮度與加在燈泡兩端的電壓成比例 ，而燈泡兩端的電壓與可控硅的導通角成比例，這樣通過調(diào)節(jié) PWM 信號的占空比來控制可控硅的導通角 。因此占空比越大，燈泡就越亮，當占空比α =1 時，燈泡的亮度最高。 由于 89C2051 單片機沒有 PWM 信號輸出功能，所以在這里采用單片機定時器配合軟件的方法