【正文】 感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對(duì)人體而言就是移動(dòng)。 （ 4）濾光窗 制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材 料，它的探測(cè)波長(zhǎng)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(xué) 物理工程學(xué)院 畢業(yè)論文 20 ～ 20μ m。為了對(duì)某一波長(zhǎng)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(zhǎng)以外的紅外線。例如， SCA021 對(duì) ~14um波長(zhǎng)的紅外線的穿透量為 70%，在 處時(shí)下降為 65%，而在 處時(shí)陡降為 %； P2288 的響應(yīng)波長(zhǎng)為 6~14um，中心波長(zhǎng)為 10um。 物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿足λ m*T=2989（ ）（其中λ m 為最大波 長(zhǎng)， T 為絕對(duì)溫度）。人體的正常體溫為 36~℃，即309~，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為λ m=2989/ （ 309~ ）=~，中心波長(zhǎng)為 。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（ 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(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR 上，第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)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(hào)。 當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離 A 區(qū)或中距離 B 區(qū)或近距離 C 區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)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(qiáng) 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(hào)（以年號(hào) +系列號(hào)命名），鏡片主要參數(shù)： 一、外觀描述 ——外觀形狀（長(zhǎng)、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。 二、探測(cè)范圍 ——指鏡片能探測(cè)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(diǎn)為單位。長(zhǎng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對(duì)準(zhǔn)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(diǎn)對(duì) 7—14um的紅外波長(zhǎng)特別敏感的 TO—5 材料連接著場(chǎng)效管。 圖 310 信號(hào)產(chǎn)生輸出示意圖 鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)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(bǔ)技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)輸出。動(dòng)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(bǔ) 平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號(hào)輸出，見圖 310。當(dāng)人對(duì)著探頭呈垂直狀態(tài)運(yùn)動(dòng)， Sa=Sb 不產(chǎn)生差值，雙源很難產(chǎn)生信號(hào)輸出。 由于熱釋電傳感器輸出的信號(hào)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(hào) ,因此傳感器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過一個(gè)專門的信號(hào)處理電路 ,使得傳感器輸出信號(hào)的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于 單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)以上要求 ,人體熱釋電檢測(cè)電路組成框圖如圖 311 所示。 圖 311 熱釋電檢測(cè)電路組成框圖 信號(hào)處理電路 本設(shè)計(jì)采用 BIS0001 來完成對(duì)熱釋電傳感器輸出信號(hào)的處理。 它主要由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器 及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成。 圖 312 中 ,熱釋電傳感器 S 極輸出信號(hào)送入 BIS0001 的 14 腳 ,經(jīng)內(nèi)部第一級(jí)運(yùn)算放大器放大后 ,由 C3 耦合從 12 腳輸入至內(nèi)部第二級(jí)運(yùn)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(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器 ,最后從 12 腳輸出信號(hào) (Vo ) 送入單片機(jī)進(jìn)行照明控制。 圖 312 熱釋電傳感器信號(hào)處理電路圖 檢測(cè)對(duì)象 菲涅爾透鏡 信號(hào)處理電路熱釋電紅外傳感器 Vo鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)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(hào)比較電路 當(dāng)被動(dòng)紅外探頭感應(yīng)到人體信號(hào)后，運(yùn)算放大器的“ 2 腳”或“ 5 腳”的電壓降為 ；當(dāng)被動(dòng)紅外探頭在沒有感應(yīng)人體紅外信號(hào)時(shí)，“ 2 腳”或“ 5 腳”的電壓降為 。探頭故障斷路時(shí)，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(huì)根據(jù)有無人體信號(hào)在“ 2腳”產(chǎn)生 或 兩種電壓信號(hào)。 （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(huì)產(chǎn)生一種電壓信號(hào) 0V。 具體的比較結(jié)果如下表 31 所示。 表 31 探頭采集信號(hào)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(shí)被動(dòng)紅外探頭的對(duì)外界人體紅外信號(hào)的采集，而且也實(shí)現(xiàn)了僅通過被動(dòng)紅外探頭的兩根電源線同時(shí)也傳輸了鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院 畢業(yè)論文 23 所采集的周圍環(huán)境的紅外信號(hào)，一舉兩得。 DS12887 時(shí)鐘芯片接口電路設(shè)計(jì) 本 次系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中， 燈光設(shè)計(jì)有以時(shí)間作為基準(zhǔn)信號(hào)，故 采用了 DALLAS 公司的 DS12887 芯片。 DS12887 為 DALLAS 公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，除具有實(shí)時(shí)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(shí)鐘芯片備份鋰電池，而且它與目前應(yīng)用廣泛的時(shí)鐘芯片 MC146818B 和DS1287 管腳兼容。采用 DS12887 芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路無需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機(jī)接口。 DS12887 芯片具有微功耗，外圍接口簡(jiǎn)單，精度高，工作穩(wěn)定可 靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)中。 分控制器采用 低檔型的 AT89C2051 單片機(jī)作為微處理器， AT89C2051 也是美國(guó) ATMEL 公司 生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 2K bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，具有 15 線可編程 I/O 口，該單片機(jī)具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高等特點(diǎn)。 分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、可控硅控制電路、零點(diǎn)檢測(cè)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(xué) 物理工程學(xué)院 畢業(yè)論文 24 時(shí)鐘芯片的接口設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)利用單片機(jī) 89C2051 和時(shí)鐘芯片 DS1302 進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，讀取和寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于定時(shí)控制照明燈具的啟停。 DS1302 是美國(guó) Dallas 公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加 31 字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā) 方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM 數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小于 31日時(shí)可自動(dòng)調(diào)整。 DS1302 與單片機(jī)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(shí)，選中該芯片，可對(duì)其進(jìn)行操作。串行數(shù)據(jù)線 I/O 與串行時(shí)鐘線 SCLK 分別接在 和 上，所有的單片機(jī)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(shí)鐘脈沖、尋址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)等，而從器件則相應(yīng)接收數(shù)據(jù)、送出數(shù)據(jù)。對(duì) DS1302 的每一次讀寫需 16 個(gè)時(shí)鐘 脈沖，前 8 個(gè)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(shí)向芯片寫入數(shù)據(jù)，為 1 時(shí)從芯片讀出數(shù)據(jù)； 位 6～位 1 選定芯片中的地址。后 8 個(gè)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(yùn)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(shí)間 信息以及數(shù)據(jù)。 DS1302 由兩者中的較大者供電。當(dāng) VCC1 大于 VCC2+ 時(shí)， VCC1給 DS1302 供電。當(dāng) VCC1 小于 VCC2 時(shí)， DS1302 由 VCC2 供電。 零點(diǎn)檢測(cè)與可控硅控制電路 的設(shè)計(jì) 這部分 電 路的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的 I/O口灌電流的方法控制可控硅實(shí)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(dòng)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離。光電耦合器 M0C3021 通過一個(gè)非門與 89C2051 的 口連接， 當(dāng)此腳輸出高電平時(shí)，將會(huì)封鎖住 MOC3021，使雙向可控硅 BT131 不導(dǎo)通，這樣就會(huì)使照明燈關(guān)閉；當(dāng) 腳輸出低電平時(shí)，使光電耦合器 MOC3021 打開驅(qū)動(dòng)雙向可控硅 ，從而將雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，這樣就開啟了所要控制的照明燈。對(duì)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(jiǎn)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(hào)，當(dāng)輸出脈沖周期一定時(shí)，輸出脈沖的占空比越大相對(duì)應(yīng)的輸出有效電壓越大。在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖寬度（導(dǎo)通時(shí)間） 為 T1，周期為 T，波形如圖 315 所示。 鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)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(shí)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(dāng)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?chǔ)恋拇笮【涂梢愿淖冚敵鲭妷旱钠骄?，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(dǎo)通角成比例，這樣通過調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比來控制可控硅的導(dǎo)通角 。因此占空比越大，燈泡就越亮，當(dāng)占空比α =1 時(shí)，燈泡的亮度最高。 由于 89C2051 單片機(jī)沒有 PWM 信號(hào)輸出功能，所以在這里采用單片機(jī)定時(shí)器配合軟件的方法