信息与通信工程学院毕业论文34322.doc

人体感应显示器信息与通信工程学院 一、 引言目前，人体红外感应已经有很多应用实例，例如人体感应节能开关，人体感应吹风机，人体感应门等等，但是人体感应显示器至今应用甚少，较具代表的是飞利浦225p1。本作品的作用对象是博物馆里的纸质文物，人体感应的显示器可避免光照对纸质文物的破坏。我们都有这样一些生活常识:一件常穿在外的衣服与一件深埋箱底的衣服，其色彩与新旧均有明显的区别，常穿着的衣服会有褪色现象，这是因为光对衣服产生作用的缘故。光照会使纸质上的水彩和墨水褪色，使含高木质素的纸张发黑。大量光照加上较高的湿度会加速藏品的腐化。光照是造成藏品褪色和化学损坏的原因，对纸质文物的伤害尤显严重。 光照主要有自然光照和人造光照。相对自然光而言，博物馆藏品较多受影响的是来自灯光照明的危害。库房里的照明以及展示空间的照明，都会对纸质文物造成伤害。光照对纸质文物的影响是累积的。纸质文物过多暴露于光照之中，都会加速纸张的化学反应速度，从而导致纸质文物的损害或退化。最有效的保护就是让纸质文物一直藏于黑暗封闭的空间，但对于具有宣传、研究职能的博物馆来说这是不可能的事情。最折中的办法就是制作一个具备人体感应的照明及宣传显示器的系统，本作品是其中的一个子系统具有人体感应的显示器。二、 解决方案人体感应显示器，最基本的功能是人体感应，该功能由红外感应模块完成。当感应到人时，模块会输出高电平，然后经整个系统最重要的模块c8051f020单片机的a/d转换功能进行模数转换。转换结束后将数据用rs232总线传输到计算机上，同时计算机的人机界面判断是否有人到来，并作出相应动作，人机界面由delphi制作。 开始有人？红外感应输出低电平输出高电平a/d转换a/d转换关闭显示器播放视频rs-232输出0输出1rs-232图一 工作流程图三、 模块设计1) 人体感应模块本模块采用cd-208红外线人体感应模块，模块主要由热释电红外传感器、biss0001、捏菲尔透镜组成。其结构框图如图二所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。图三所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。待测目标光学系统（捏菲尔透镜）热释电红外传感器biss0001输出电平图二 模块结构图图三 人体通过传感器时产生的信号cd-208红外线人体感应模块灵敏度高，可靠性强，当有人进入其感应范围内时输出高电平，人离开时输出低电平。感应模块感应到人的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点。biss0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。图二biss0001外引线连接图图三biss0001内部框图图三为bis0001红外传感器信号处理器的内部框图。外界元件由使用者根据需要选择。由图可见biss0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。 我们先以图3所示的不可重复触发工作方式下的各点波形，来说明biss0001的工作过程。 图四 不可重复触发工作方式下各点的波形图五 可重复触发工作方式下各点的波形首先，由使用者根据实际需要，利用运算放大器op1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器op2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为vm（0.5 vdd）后，送到有比较器cop1和cop2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号vs。由于vh0.7 vdd、vl0.3 vdd，所以，当vdd=5v时，可有效地抑制1v的噪声干扰，提高系统的可靠性。cop3是一个条件比较器。输入电压vcvr（0.2 vdd）时，cop3输出为低电平封住了与门u2，禁止触发信号vs向下级传递；而当vcvr时，cop3输出为高电平，打开与门u2，此时若有触发信号vs的上跳边沿来到，则可启动延时时间定时器，同时vo端输出为高电平，进入延时周期。当a端接“0”电平时，在tx时间内任何v2的变化都被忽略，直至tx时间结束，即所谓不可重复出发工作方式。当tx时间结束时，vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期ti。在ti周期内，任何v2的变化都不能使vo为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 下面再以图4所示可重复触发工作方式下各点的波形，来说明biss0001在此状态下的工作过程。 在vc=“0”、a=“0”期间，vs不能触发vo为有效状态。在vc=“1”、a=“1”时，vs可重复触发vo为有效状态， 并在tx周期内一直保持有效状态。 在tx时间内， 只要有vs得上跳变，则vo将从vs上跳变时刻算起继续延长一个tx周期；若vs保持为“1”状态，则vo一直保持有效状态；若vs保持为“0”状态，则在tx周期结束后vo恢复为无效状态，并且在封锁时间ti时间内，任何vs的变化都不能触发vo为有效状态。图六 热释电红外开关电路原理图2) 热释电红外传感器热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用)因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104m故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式（即源极跟随器）来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图七是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时 端接电源正极， 端接电源负极，端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上， 从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为。 为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外， 还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。图七 双探测元热释电红外传感器3) 单片机模块本模块由c8051f020单片机组成，主要负责a/d转换和串口通信。a/d转换由c8051f020的ad0子系统完成，它包括一个 9 通道的可编程模拟多路选择器（amux0） ，一个可编程增益放大器（pga0）和一个 100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型 adc，adc中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器（见图八的原理框图） 。amux0、pga0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过图八所示的特殊功能寄存器来控制。只有当 adc0 控制寄存器中的 ad0en 位被置1时 adc0 子系统（adc0、跟踪保持器和pga0）才被允许工作。当 ad0en位为0时，ad0c 子系统处于低功耗关断方式。图八 12位adc0功能框图串口通信中，c8051f020具有硬件实现的spi、smbus/ 和2个uart串行接口 ,都可以进行数据的串行通信，本模块采用uart0口进行数据串行通信。 c8051f020的 uart0 口是一个具有帧错误检测和地址识别硬件的增强型串行口。uart0可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式 ,并且支持多处理器通信。接收数据被暂存于一个保持寄存器中 ,这就允许uart0 在软件尚未读取前一个数据字节的情况下开始接收第 2 个输入数据字节。一个接收覆盖位用于指示新的接收数据已被锁存到接收缓冲器 ,而前一个接收数据尚未被读取。对uart0 的控制和访问是通过相关的特殊功能寄存器即串行控制寄存器(scon0)和串行数据缓冲器(sbuf0)来实现的。一个 sbuf0 地址可以访问发送寄存器和接收寄存器。读操作将自动访问接收寄存器 ,而写操作自动访问发送寄存器。uart0 可以工作在查询或中断方式。uart0有2个中断源：一个发送中断标志 ti0 (scon011)(数据字节发送结束时置位)和一个接收中断标志ri0(scon010) (接收完一个数据字节后置位)。当cpu 转向中断服务程序时硬件不清除 uart0 中断标志，中断标志必须用软件清除。这就是允许软件查询uart0 中断的原因(发送完成或接收完成)。uart0 提供4种工作方式(一种同步方式和 3种异步方式) 。通过设置 scon0 寄存器中的配置位选择。这4种方式提供不同的波特率和通信协议。表一概述了这4种方式。表一 uart0的工作方式本模块采用方式1进行通信，方式 1 提供标准的异步、全双工通信，每个数据字节共使用 10 位：一个起始位、8 个数据位（lsb 在先）和一个停止位。数据从 tx0引脚发送，在 rx0 引脚接收。在接收时，8 个数据位存入 sbuf0，停止位进入 rb80（scon0.2）。当执行一条向 sbuf0 寄存器写入一个字节的指令时开始数据发送。在发送结束时（停止位开始）发送中断标志 ti0（scon0.1）置位。在接收允许位 ren0（scon0.4）被设置为逻辑 1 之后任何时间都可以开始数据接收。收到停止位后如果满足下述条件则数据字节将被装入接收寄存器 sbuf0：ri0 为逻辑 0，并且如果 sm20 为逻辑 1 则停止位必须为 1。 如果这些条件满足，则 8 位数据被存入 sbuf0，停止位被存入 rb80，ri0 标志被置位。如果这些条件不满足，则不装入 sbu0f 和 rb80，ri0 标志也不被置 1。如果中断被允许，在ti0 或 ri0 置位时将产生一个中断。图九uart0方式1时序图图十 uart0方式1连接图4) 通信程序串行通信有异步通信和同步通信2种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况 , 其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在 5019200bps之间 ,是比较常用的传送方式。串行通信前 , 发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率(通信协议) 。单片机与 pc串行通信程序包括2方面：一方面是 c8051f020单片机的通信程序 ,另一方面为 pc机的通信程序。在编写程序之前 ,制定其双方通信协议是十分重要的 , 否则将无法保证通信数据的可靠性 , 从而失去通信的意义。本作品设置了9600bps为串口通信波特率。c8051f020程序下载的硬件硬件如图十一，图十一 硬件设置单片机与计算机通信流程图如图十二，开始设置波特率和串口通信方式接收请求准备好?发送数据判断是否有人来并做动作是否接受完？nynya/d转换图十二 单片机与计算机通信流程图5) 计算机模块本模块主要由人机界面组成，有delphi制作而成。delphi 是 borland 公司推出的面向对象的可视化编程工具，它拥有功能强大的集成开发环境（ide）和世界上速度极快的编译器，并且兼具 visual c+的强大功能和visual basic易学易用的特点。目前，利用 delphi实现串口通信的常用的方法有 3种：一是利用控件，如 mscomm控件和 spcomm控件；二是使用 api函数；三是调用其他串口通信程序。本模块利用mscomm控件进行通信，该控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。mscomm是microsoft公司提供的简化windows下串行通信编程的activex控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动(eventdriven)方法，一是查询法。l 事件驱动方式 事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。在许多情况下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者 carrier detect (cd) 或 request to send (rts) 线上一个字符到达或一个变化发生时。在这些情况下，可以利用