【導讀】的蹤跡，臺燈已是千家萬戶的必需生活用品，當夜晚來臨時，人們摸黑去開燈，非常不方便，而當離開時，人們又經常忘記關燈而造成巨大的能源浪費。和單片機組成的紅外傳感控制電路。夜摸燈的麻煩；當人離開臺燈傳感器檢測范圍，自動感應關燈。警報，燈光變亮。其特點是自動開關燈，節(jié)約能源；且能糾正坐姿，防止近視。然后介紹設計中用到的單片機的功能以及傳感器的選擇。

　　

【正文】 后再描述相關的專用集成電路處理技術 [20]。 熱釋電紅外傳感器工作原理 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。熱 釋電效應是指當一些晶體受熱時，在晶體兩端產生數(shù)量相等而符號相反的電荷，由天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 16 于熱變化產生的電極化現(xiàn)象。通常，晶體自發(fā)極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。 熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有 ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷 ΔQ，即在兩電極之間產生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷 ΔQ 會跟空氣中的離子所結合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產生 ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。 人體都有恒定的體溫，一般在 37176。C 左右，會發(fā)出 10mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。紅外線 通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經檢測處理后就能產生電壓信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出 [21]。 熱釋電紅外傳感器的優(yōu)缺點 不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。 但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：信號幅 度小，容易受各種熱源、光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。 熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能 （ 1）防止 小動物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內地面上地小動物，一般不產生報警 。 （ 2） 抗電磁干擾：探測器的抗電磁波干擾性能符合 GB10408 中 要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。 （ 3） 抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內，受 3 米外 H4 鹵素燈透過玻璃天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 17 照射，不產生報警。 熱釋電紅外傳感器的應用前景 隨著相關信號處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應用于各種自動化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測器，又可適用于防盜報警、來客告知及非接觸開關等紅外領域。除了在眾所周知的摟道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。 小結 經過前 面的介紹，對熱釋電紅外傳感器有了充分的了解，包括它的工作原理以及各種抗干擾特性。它的各種特性都滿足本次智能節(jié)能臺燈對傳感器的要求，特別是它對人體發(fā)出的紅外特別敏感的特性很符合需要。利用它的這一特性還可以把它運用到日常安全防盜系統(tǒng)中去，因為防盜報警系統(tǒng)所針對的采集對象也是人體發(fā)出的紅外線。 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡在本次設計中的作用是輔助熱釋電紅外傳感器采集人體發(fā)出的紅外線，它可以把較遠距離的人體發(fā)出的微弱的紅外線信號光聚集起來，熱釋電傳感器在它的作用下可以探測到較遠距離人的活動。菲涅爾透鏡在傳感器信號處 理電路中起著重要的作用，在它的輔助之下才能采集到較好的輸入信號。下面介紹一下菲涅爾透鏡的組成結構及工作原理。 概述 圖 33 菲涅爾透鏡實物圖 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 18 菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm 左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠。 菲涅爾透鏡在很多時 候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。 菲涅爾透鏡的工作原理 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區(qū) ”和 “高靈敏區(qū) ”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從 “盲區(qū) ”進入 “高靈敏區(qū) ”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而 增 強其能量幅度。 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 上產生變化熱釋紅外信號。 菲涅爾透鏡的優(yōu)點 菲涅爾透鏡 ,簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋 .通過這些齒紋 ,可以達到對指定光譜范圍的光帶通 (反射或者折射 )的作用 .傳統(tǒng)的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是 PIR（被動紅外線探測器）。 PIR 廣泛的用在警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現(xiàn)在每個 PIR 上都有個塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋 。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到 10 微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。 成本很低。 小結 通過前面對菲涅爾透鏡組成材料和在工作過程中起的作用可以知道，菲涅爾透鏡是利用透鏡的特殊光學原理，對人體發(fā)出紅外線信號進行聚集，類似于凸透鏡的聚焦原理。菲涅爾透鏡價格也比較低廉，考慮到我們的智能節(jié)能臺燈針對的是廣大的普通用戶，成本要比較低，才能適合廣大的消費者。所以在本次設計中所使用的元件都盡量考慮物美價廉的。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 19 光敏電阻 光敏電阻的重要特性是它的阻值大小隨著環(huán)境光的改變而改變，當環(huán)境光比較強時， 它的阻值減小，相反當環(huán)境光較弱時，它的阻值就會增大，這是跟它本身的制作材料有關的。本文的智能節(jié)能臺燈設計也是利用了光敏電阻的這一特性，用它來感應環(huán)境光的強度。若是環(huán)境光較強的時候，比如白天時，光敏電阻的阻值就很小，傳感器信號處理電路會根據它的阻值進行相應的處理；相反當環(huán)境光較弱的時候，比如晚上或者陰天時，它的電阻值就會變大，同時熱釋電紅外傳感器要是檢測到有人在附近時，傳感器信號處理電路就會把這些信號經過處理傳到單片機控制電路，從而啟動點亮臺燈。所以光敏電阻對環(huán)境光的檢測在電路中也很重要。對光敏電阻要求也很高 ，要對環(huán)境光比較敏感，及時把信號傳送到信號處理檢測電路。要了解光敏電阻是如何工作的，先要對它的組成材料和內部構造有一定的了解，下面介紹光敏電阻的一些特性。 概述 圖 34 光敏電阻實物圖 光敏電阻器（ photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。通常，光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時， 半導體片（光敏層）內就激發(fā)出電子 — 空穴對，參與導電，使電路中電流增強。 光敏電阻工作原理 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子 —空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 20 由光子激發(fā)產生的電子 —空穴對將逐漸復合，光敏電 阻的阻值也就逐漸恢復原值。 光敏電阻的分類 根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線；紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業(yè)生產中；可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自 動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和 “位置檢測器 ”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。 光敏電阻的主要參數(shù) 光敏電阻的主要參數(shù)有亮電阻，暗電阻，光電特性 光譜特性，頻率特性，溫度特性。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現(xiàn)光電轉換。沒有極性，純粹是個電阻期間，使用時可加直流也可以加交流。 光敏電阻的制作材料 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬 的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子 —空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子 —空穴對將逐漸 復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。 本章小結 在所有的電子設計系統(tǒng)中，傳感器的選擇是非常重要的。本章首先介紹了傳感器的概念、分類以及它們的工作特性。其次對本文設計需要用到的熱釋電紅外傳感器工作原理極其工作特性等方面進行詳細的介紹。菲涅爾透鏡作為熱釋電紅外傳感器的信號采集的輔助工具，也對其進行簡單的介紹。最后闡述主要用于檢測環(huán)境光的光敏電阻的工作原理及在電路中的作用 。 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 21 4 硬件電路設計及原理 人體熱釋電電路 熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉換成 電信號輸出。早在 1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用開發(fā)。近年來，伴隨著 集成電路 技術的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相關的專用集成電路處理技術也迅速增長。 BISS0001是一款高性能的被動式熱釋電紅外線傳感信號處理器 . 它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。 BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接 元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明 和報警系統(tǒng)。 圖 41BISS0001實物圖 天津職業(yè)技術師范大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 22 的管腳結構和工作原理 圖 42 BISS0001引腳圖 BISS0001引腳功能： 引腳 1 (A) :可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端 . 當設為“ 1”時 ,允許重復觸發(fā) 。反之 ,不可重復觸發(fā) . 引腳 2 (VO ) :控制信 號輸出端 . 由有效觸發(fā)的上跳變沿觸發(fā) ,使 VO 輸出從低電平跳變到高電平視為有效觸發(fā) . 在輸出延遲時間外和無有效觸發(fā)時 , VO保持低電平 . 引腳 4 (RR RC1) : 輸出延遲時間 Tx 調節(jié)端 . 引腳 6 (RC RR2 ) : 觸發(fā)封鎖時間 Ti 調節(jié)端 . 引腳 1 7 (VDD、 VSS ) :工作電源正、負端 . 引腳 8 (VRF /RESET) : 參考電壓及復位輸入端 . 通常接 VDD ,當接“ 0”時 ,可使定時器復位 . 引腳 9 (VC ) :觸發(fā)禁止端 . 當 VC 0. 2VDD時 ,禁止觸發(fā) 。反之 ,允許觸發(fā) . 引腳 10 ( IB ) :運算放大器偏置電流設置端端 . 引腳 1 12 ( 2 IN 、 2 OUT) :第 2級運算放大器反向輸入端、輸出 . 引腳 1 1 16 (1 IN +、 1 IN