基于单片机的智能传感器系统.doc

编号： 传感器 实训 (论文)说明书题 目：基于热释电红外传感器的人体测试仪院 (系)： 应用科技学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 蒋兆平 学 号： 0701130113 指导教师： 张保忠、卜波涛 2010年 07 月 10 日第 2 页 共2页 摘 要热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线或入射红外线的能量变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如用于电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。利用热释电红外线传感器,设计进行人体探测的应用日益广泛。本文讨论了热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，然后通过LM324将电压信号放大、比较电路，从而控制报警电路来工作，从而实现人体探测功能。 关键词：热释电红外传感器；LM324；菲涅尔透镜；人体探测AbstractPyroelectric infrared sensor 80 is the 20th century developed a new type of high sensitivity detection of components.It can detect a non-contact form of infrared radiation the human body or changes in the incident infrared energy and convert it into a voltage signal output.This voltage signal will be amplified, can drive a variety of control circuits, such as for power switch control, security fire alarm, automatic monitoring.Use of pyroelectric infrared sensors, the design of human exploration is widely used.This article discusses the pyroelectric infrared sensor can detect the human form of non-contact infrared radiation, and convert it into voltage signal, then the voltage signal amplified by LM324, comparison circuits, to control alarm circuit to work, in order to achieve human explorationfunction.Key words：Pyroelectric infrared sensor; LM324; Fresnel lens; human exploration 第 1 页 共1页 目 录引言11 系统硬件介绍11.1 硬件整体设计概述11.2系统元件介绍11.2.1热释电红外传感器11.2.2菲涅尔透镜31.2.3 LM32431.2.4三端稳压集成电路780542 系统电路说明52.1系统原理介绍52.2系统原理图分析52.2.1信号检测放大模块52.2.2信号电压比较模块和报警显示模块63 电路装配和调试84 实训心得体会8谢 辞10参考文献11附 录12第 12 页 共12页 引言传感器是信息采集系统的首要部件，是现实现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此可以利用人体探测仪在防盗、警戒等安保装置中得到使用。1 系统硬件介绍1.1 硬件整体设计概述人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10um左右的红外线，而且红外线具有热效应，人体温度越高的地方，热释电红外线便越多，颜色越接近红色. 热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。1.2系统元件介绍1.2.1热释电红外传感器热释电红外传感器是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。图1.1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。图1.1 热释电红外传感器的内部结构人体辐射的红外线中心波长为910-um，而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。被动式热释电红外探头的优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：容易受各种热源、光源干扰，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。抗干扰性能：防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。1.2.2菲涅尔透镜菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。1.2.3 LM324LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图1.2所示。图1.2 LM324引脚图1.2.4三端稳压集成电路7805电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。引脚如图1.3所示：图1.3 三端稳压集成电路78052 系统电路说明2.1系统原理介绍被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图2.1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2.2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。图2.1 系统结构框图图2.2人体通过传感器时产生的信号2.2系统原理图分析本系统可以分解成为信号检测放大模块、比较模块和报警模块三大部分组成，而放大和比较模块可以直接使用LM324来完成。2.2.1信号检测放大模块人体热释电红外线检测部分，主要由菲涅耳透镜和热释电红外传感器，四运算放大器(LM324)等组成。当人体进入传感器监测的范围内时，透镜将红外能量“聚焦”送入IC1A同相低通放大器， C9、C10为高频滤波电容，C4和C5为红外线信号提供低频交流通道。ICIB为反相放大器，通过R5、R6与分压将IC1B的同相端偏置在1/2电源电压，以放大交流信号，C6为高频滤波电容，其两级放大器中的R11、R2、R3、R4决定其放大增益，如图2.3所示。图2.3人体通过传感器时产生的信号2.2.2信号电压比较模块和报警显示模块IC1C组成比较器，10脚通过R5、R15分压设置了约39V的参考电压，此参考电压还同时作为IC1D单稳态延时电路的触发阈值电平，1CIC的10脚比较电压信号，由IC1B经R6输出，IC1B的输出高电平信号经R9、RG分压仍比IC1C的同相端电平低，IC1C输出高电平，D1反偏截止。IC1D单稳电路无触发信号输出高电平，SCR皆截止，灯不亮。使IC1C输出低电平，D1导通对C14放电，IC1D输出低电平，蜂鸣器发出报警，LED等熄灭。在人离去后或者人静止后，8脚又恢复高电平，D1又截止，电源经W1对C9重新充电，经延时，当C9上的电压高于6脚39V时，单稳电路IC1D又翻转输出高电平，蜂鸣器不响，LED重新亮起。如图2.4、图2.5所示。图2.4电压比较模块图2.5显示报警模块 3 电路装配和调试 虽然本系统电路结构相对比较简单，但是还是需要调整前端两个增益来让系统更加灵敏。现在用到LM324信号进行放大，再采用多级三极管放大后得到直流驱动晶体管Q1，当Q1导通时，压电蜂鸣器鸣笛报警。当检测到人体移动时，压电蜂鸣器就鸣笛报警。传感器接收到的信号经交流放大器LM324放大，利用电容滤波和电阻分压后得到直流驱动晶体管Q1，当Q1导通时，压电蜂鸣器鸣笛报警。在几HZ附近电路中放大器的增益需要70dB左右，单级放大器不够时，可采用多级放大以确保必要的增益。本系统就用了两级放大电路。4 实训心得体会通过这次为期两周的传感器实训，我感觉收获蛮多，对传感器的了解、硬件电路的设计、分析和调试等各个方面的能力有了进一步的提高，把课本上的知识应用到实践，整个过程受益匪浅。在选择题目的时候，选择自己比较感兴趣的热释电红外传感器的题目。在上网和图书馆查阅资料后，了解到热释电红外传感器的工作原理以及人体探测仪电路的原理，即通过将传感器探测到的信号进行放大、比较，并且通过三极管9014来控制蜂鸣器的电压来实现对人体的探测报警。根据课本上面提供的原理图，完成了电路板的制作，但是在前期调试过程中，无论人体是否经过传感器的测试区，都不能够显示引起报警。从电路后级的比较电路向前级电路的电压值进行测量，发现根本没有信号进入，最后直接测量传感器S端的电压基本都是维持在0.25V到0.35V之间没有规律地跳变。多次查阅传感器资料得知，S端的电压的变化应该是有规律，并且是明显的。后来经过老师的指导，才意识到缺少了热释电传感器最重要的配件：菲涅尔透镜。菲涅尔透镜并没有集成在传感器里面，而是需要单独加入使用的。加入菲涅尔透镜后，在测量时S端的电压有了明显的变化。蜂鸣器也能够实现报警。在进一步的调试过程中，发现系统对人体的运动变化总是反应比较慢，甚至下一个动作到来后才反应上个动作的情况，并报警。再次深入研究电路，发现是最后一个电压比较端的原因，也就是R17和C14组成的延时电路影响，把R17阻值调低，问题得以解决。这个问题解决后，电路依然没有达到最佳的工作状态。电路的灵敏度仍然非常低，需要人体运动速度较慢时或者幅度较大时才可以探测到，速度太快系统根本无法识别。分析电路后发现R11、R13分别控制电路前端两级增益放大，可以将他们阻值调小从而提高增益，系统能够更加精确地完成识别。最后系统可以实现的功能是，只要有人经过探测区域，蜂鸣器可以实现报警，或者人体在探测区域内挥动手臂等动作，系统也都可以实现识别，完全符合题目的要求。但是该系统的依然存在一些不足，而这些不足是由于热释电红外传感器本身的性质造成的。比如说，无法探测到敏感区域内静止的人体存在，在探测人体运动时蜂鸣器发出的响声不是一直连续直到人体不在敏感期区内，前者是由于传感器的热红外线切割来感应的原理造成的，而后者是由于传感器输出的电压信号是个小幅度的模拟脉冲，而不是一直存在的电压值。所以，如果能够使用单片机进行控制，可以让该系统更加智能、方便和人性化。经过这次实训，对电路的分析能力有了很大的提高。在调试过程中，同学们之间相互切磋学习，对于