傳感器技術(shù)與應(yīng)用課程報(bào)告(終)

1、傳感器技術(shù)與應(yīng)用課程報(bào)告1.概述在科技高度發(fā)達(dá)的今天，自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)在人們的日常生活和工業(yè)控制所占的比例也越來越重，使人們的生活越來越舒適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來越高。而傳感器是自動(dòng)控制中的重要組成部件，是信息采集系統(tǒng)的重要部件，通過傳感器將感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測(cè)的信號(hào)（一般為電信號(hào)），冉利用計(jì)算機(jī)或者電路設(shè)備對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理從而達(dá)到自動(dòng)控制的功能，由于傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般都比較短， 所以可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。紅外傳感器是傳感器中常見的一類，由于紅外傳感器是檢測(cè)紅外輻射的一類傳感器，而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定高于絕對(duì)零度都將對(duì)外輻射紅外能量，所以

2、紅外傳感器稱為非常實(shí)用的一類傳感器，利用紅外傳感器可以設(shè)計(jì)出很多實(shí)用的傳感器模塊，如紅外測(cè)溫儀，紅外成像儀，紅外人體探測(cè)報(bào)警器，自動(dòng)門控制系統(tǒng)等。2.紅外傳感器應(yīng)用紅外技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防、醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。紅外測(cè)濕技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)，以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。由于紅外光是人的肉眼看不到的，因此不能采用普通相機(jī)攝取紅外圖像。紅外圖像傳感器可以利用紅外熱成像技術(shù)將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，還可以利用計(jì)算機(jī)

3、系統(tǒng)對(duì)紅外熱圖像進(jìn)行分析處理，完成存儲(chǔ)和打印輸出；利用熱釋電效應(yīng)可以制成熱釋電紅外傳感器，如車輛計(jì)數(shù)器、人體探測(cè)器，以及探測(cè)環(huán)境溫度的高溫計(jì)（在高爐、熔化玻璃或熱損失評(píng)估中使用的非接觸式溫度計(jì)）和輻射計(jì)（測(cè)量輻射源產(chǎn)生的功率）。3.教室燈光控制系統(tǒng)3.13.1 設(shè)計(jì)背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，導(dǎo)致用電負(fù)荷的加劇，又由于世界性的能源危機(jī)，能源缺乏已成為世界所面臨的嚴(yán)峻問題。而此問題對(duì)我國來說尤為嚴(yán)重。隨著各類大、中專院校的擴(kuò)招，教室的擴(kuò)建，教室照明的需求也越來越多，而教室照明的管理不到位，往往造成電能的巨大浪費(fèi)，這樣，提高教室用電效率就成為首要考慮的問題。目前對(duì)燈

4、光的智能控制，國內(nèi)外己經(jīng)開始采用，但對(duì)教室燈光的控制，尤其是我國教室燈光的智能控制尤為缺乏和不完善，依然是傳統(tǒng)式的人工管理。各類大、中專院校不斷擴(kuò)招，教室不斷擴(kuò)建，教室的用電負(fù)荷不斷加大，教室用電管理不善，造成學(xué)校電能浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失，這種的浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)約能源理念相違背。再者，現(xiàn)代自動(dòng)化程度不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，燈光的管理也在朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。例如樓道燈光的自動(dòng)控制等等。所有這些使得教室燈光控制也應(yīng)該朝著智能的方向發(fā)展。于是，開發(fā)簡(jiǎn)便、實(shí)用的教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.23.2 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制單元是以單片機(jī)主控模塊為核心，其它外圍電路主要包括：ISPISP

5、下載線模塊、系統(tǒng)供電模塊、硬件時(shí)鐘模塊、看門狗模塊、燈光驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示模塊、環(huán)境光模塊、EEPROEEPRO 而儲(chǔ)模塊、人體存在傳感器模塊、超時(shí)報(bào)警模塊，具結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-13-1 所示：3.2.13.2.1 環(huán)境光采集電路光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。在無光照時(shí)三極管的穿透電流很小，為暗電流 IceoIceo 有光照時(shí)，產(chǎn)生的 IbIb 增大，成為光電流 IeIe。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。因此光敏三極管靈敏度高，而且體

6、積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具外形電路圖環(huán)境光采集電路原理圖如圖 3-43-4 所示。當(dāng)自然光強(qiáng)大于一定程度時(shí)，光敏三極管D6D6 呈現(xiàn)低阻狀態(tài)1 1 千歐，三極管 Q12Q12 的基極電壓升高，Q12Q12 管飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平。當(dāng)自然光強(qiáng)小于一定程度時(shí)，光敏三極管 D6D6 呈現(xiàn)高阻狀態(tài),100,100千歐，使三極管 Q12Q12 截止，集電極輸出高電平。其中可變電阻 R26R26 可調(diào)節(jié)，調(diào)R26R26 阻值的大小，使 Q12Q12 三極管受環(huán)境光影響在適當(dāng)?shù)牧炼认聦?dǎo)通。形符號(hào)如圖 3-33-3。圖 3-33-33.2.23.2.2 人體

7、存在傳感器模塊自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的紅外線，利用紅外傳感器可對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外傳感器也稱熱釋電紅外傳感器或被動(dòng)紅外傳感器。與量子型相比，響應(yīng)的紅外線波長(zhǎng)范圍較寬，價(jià)格便宜，并可在常溫下工作。量子型與熱型的特點(diǎn)相反，而且要求冷卻條件。本系統(tǒng)采用的是熱釋電紅外傳感器，人體存在傳感器主要采用了紅外傳感器的原理，它是目前在防盜報(bào)警、火災(zāi)檢測(cè)、自動(dòng)門、自動(dòng)水龍頭、自動(dòng)電梯、自動(dòng)照明等場(chǎng)合，及非接觸溫度測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。其原因?yàn)椋罕粶y(cè)對(duì)象自身發(fā)射紅外線，可不必另設(shè)光源；大氣對(duì) 2-2.61Lm,

8、3-51Lm,8-141Lm2-2.61Lm,3-51Lm,8-141Lm 三個(gè)被稱為“大氣窗口”的特定光通量的紅外線吸收甚少，可非常容易被檢測(cè)；中、遠(yuǎn)紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進(jìn)行檢測(cè)。人體存在傳感器的熱釋電紅外探頭的工作原理及特性如下人體都有恒定的體溫，一般在 3737 度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng) 10NM10NM 左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就靠探測(cè)人體發(fā)射的 1010NMNM 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10NM10NM 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，

9、后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生由人體存在的信號(hào)。1 1）這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為 10NM10NM 左右的紅外輻射非常敏感。2 2）為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。3 3）人體存在的探測(cè)，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出。4 4）一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被人體存在傳感器的熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能

10、抵消，經(jīng)信號(hào)處理而輸出有人體存在的信號(hào)。5 5）菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密人體傳感器透鏡的信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖如圖圖 3-53-5 信號(hào)采集敏感區(qū)示意圖有人進(jìn)入時(shí)，移動(dòng)人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感器接收，則人體存在被感應(yīng)，并輸出高電平。若人體進(jìn)入最不敏感移動(dòng)方向時(shí)，則人體傳感器所體現(xiàn)的信號(hào)就會(huì)不理想，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以要特別注意人體傳感器的安裝方向。3.33.3 軟件設(shè)計(jì)在單片機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件有著密切的關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件及輸入輸出方法的確定后

11、，程序軟件就可以完全獨(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)。本控制軟件的模塊主要包括： 系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊、 數(shù)據(jù)采集模塊及系統(tǒng)功能鍵。系統(tǒng)監(jiān)控主程序監(jiān)控主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，其外圍模塊一般都需要經(jīng)過監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)其在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用。監(jiān)控主程序接受和分析來自鍵盤的命令，進(jìn)而把控制轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理子程序的入口，起引導(dǎo)作用。本系統(tǒng)監(jiān)控主程序模塊包括對(duì)系統(tǒng)外圍器件輸入、輸出參數(shù)的初始化自檢，看門狗的激活，多任務(wù)操作模塊的調(diào)用，實(shí)時(shí)中斷處理等。具監(jiān)控主程序流程圖如圖 3-83-8 所示最不敏感移動(dòng)方向最敏感移動(dòng)方向圖 3-83-8數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)考慮到環(huán)境觀足夠亮?xí)r，無論有否人體存在都不應(yīng)該開燈；而

12、環(huán)境光不夠亮?xí)r，有人體存在才開燈， 無人體存在不開燈。 本系統(tǒng)邏輯定義為環(huán)境光亮?xí)r為二進(jìn)制的“0 0”，暗時(shí)為“1 1”，人體存在為“1 1”，人體不存在為“0 0”，開燈為“0 0”，關(guān)燈為“0 0”，那么環(huán)境光與人體存在可以有以下的邏輯關(guān)系表 4.1o4.1o表 4.14.1 環(huán)境與人的關(guān)系環(huán)境光參數(shù)人體存在參數(shù)教室燈狀態(tài)010000111100上表數(shù)據(jù)表明可將環(huán)境光參數(shù)與人體存在參數(shù)相與門操作，又由于繼電器是低平驅(qū)動(dòng)，所以要將采集處理后的信號(hào)進(jìn)行非操作，才可以驅(qū)動(dòng)繼電器工作，即可得到教室燈的狀開始環(huán)境光處理任務(wù)人體傳感器任務(wù)態(tài)。.結(jié)論本系統(tǒng)對(duì)適合應(yīng)用于教室燈光控制系統(tǒng)部分進(jìn)行了研究。以環(huán)

13、境光、人體存在狀況等外界環(huán)境為控制器的輸入?yún)?shù)，比單純的人員管理教室燈光更合理更有效的降低教室燈光的資源費(fèi)用，同時(shí)還加入時(shí)間控制參數(shù)，使教室燈光的控制更加符合學(xué)校的作息時(shí)間。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于各類大、中專院校的教師燈光管理具有重要的意義，也使用于各類辦公室的燈光控制。該教室燈光系統(tǒng)的控制是以 AT89C205AT89C205 俾片機(jī)主控單元為核心，通過相關(guān)電腦的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)備（燈光）的控制，采用一個(gè)二極管閃爍顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室燈光的自動(dòng)開燈、關(guān)燈控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能化控制的同時(shí)還設(shè)置了手動(dòng)和遙控器控制，這樣在系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)故障時(shí)，可采用手動(dòng)操縱，不至于影響教室燈光的正常使用。在保證系統(tǒng)與已有的教室燈光配套使用時(shí)，不需要對(duì)原有設(shè)備電路進(jìn)行大的改動(dòng)，以降低成本實(shí)現(xiàn)教室燈光的智能控制。.總結(jié)本文應(yīng)用熱釋電傳感器， 光敏三極管及單片機(jī)控制技術(shù)， 設(shè)計(jì)出教室照明控制系統(tǒng)，達(dá)到了省電節(jié)能、操作方便、人性化控制的效果。本設(shè)計(jì)不僅可用于教室的照明系統(tǒng)，還可對(duì)風(fēng)扇、空調(diào)等用