紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1.緒論1 1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及意義隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平得到很大的提高，對(duì)私有財(cái)產(chǎn)的保護(hù)意識(shí)在不斷的增強(qiáng)，因而對(duì)防盜措施提出了新的要求。本設(shè)計(jì)就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計(jì)的家庭式電子防盜系統(tǒng)。就目前市面上裝備主要有壓力觸發(fā)式防盜報(bào)警器、開關(guān)電子防盜報(bào)警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報(bào)警器等各種報(bào)警器，但這幾種比較常見的報(bào)警器都存在一些缺點(diǎn)。而本設(shè)計(jì)中所使用的紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。這種火焰紅外傳感器能以非接觸形式可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760納米1100納米范圍內(nèi)的光源，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。1.2

2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 技術(shù)現(xiàn)狀紅外探測(cè)技術(shù)目前主要分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三種研究領(lǐng)域。其中，中紅外探測(cè)技術(shù)由于中紅外線的高強(qiáng)度和高穿透性，應(yīng)用最為廣泛，研究也最為成熟，甚至可以分析物質(zhì)的分子組成；遠(yuǎn)紅外的主要優(yōu)點(diǎn)就是其穿透性，可用于探測(cè)、加熱等，應(yīng)用也比較廣泛。只有近紅外，由于其強(qiáng)度小，穿透力一般，故長(zhǎng)期以來沒有引起重視，只是近些年來才成為研究熱點(diǎn)，因?yàn)橛媒t外技術(shù)可以做某些成分的定量檢測(cè)，最關(guān)鍵的是還不必破壞試樣。1）技術(shù)優(yōu)勢(shì)紅外技術(shù)有四大優(yōu)點(diǎn)：環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和惡劣天候下的工作能力優(yōu)于可見光；隱蔽性好，不易被干擾；由于是靠目標(biāo)和背景之間、目標(biāo)各部分的溫度和發(fā)射率差形成的紅外輻射

3、差進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低。（2）制約因素目標(biāo)的光譜特性；探測(cè)系統(tǒng)的性能；目標(biāo)和探測(cè)口之間的環(huán)境和距離這三大因素是紅外技術(shù)發(fā)展過程中需要解決的主要問題。例如：為充分利用大氣窗口，探測(cè)器光譜響應(yīng)從短波紅外擴(kuò)展到長(zhǎng)波紅外，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室溫目標(biāo)的探測(cè)；探測(cè)器從單元發(fā)展到多元，從多元發(fā)展到焦平面，上了兩大臺(tái)階，相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)源探測(cè)到目標(biāo)熱成象的飛躍；系統(tǒng)從單波段向多波段發(fā)展；發(fā)展了種類繁多的探測(cè)器，為系統(tǒng)應(yīng)用提供了充分的選擇余地。（3）國(guó)內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)紅外探測(cè)器芯片一直受制于西方政府和供應(yīng)商。為打破國(guó)外技術(shù)壟斷，2012年4月，高德紅外用2.4億元超募

4、資金實(shí)施“紅外焦平面探測(cè)器產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”。2014年2月25日，高德紅外公告，公司“基于非晶硅的非制冷紅外探測(cè)器”項(xiàng)目成果已獲湖北省科技廳鑒定通過，下一階段將開展試生產(chǎn)及批產(chǎn)工作。據(jù)介紹，在高德紅外芯片生產(chǎn)線上，國(guó)際主流的非晶硅和氧化釩兩種工藝線路可以同時(shí)運(yùn)行。正因如此，高德紅外也成為國(guó)際上少有的、國(guó)內(nèi)唯一同時(shí)具備2條工藝線路的紅外探測(cè)器芯片生產(chǎn)企業(yè)。（4）分類按照探測(cè)原理的劃分，目前市場(chǎng)上的紅外探測(cè)器產(chǎn)品主要分為兩大類：a）熱探測(cè)器熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以使探測(cè)材料產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化，自發(fā)極化強(qiáng)度變化，或者氣體體積與壓強(qiáng)變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外

5、輻射能量或功率。b）光子探測(cè)器光子探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)等光子效應(yīng)，從光子效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。1.2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)從事紅外技術(shù)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的單位約有400余家，從事紅外材料、器件和系統(tǒng)的主要研制單位有：中電11所、兵器211所、8358所、中科院上海技術(shù)物理所、205所、航空612所、613所、船舶717所等。大立科技、武漢高德和廣州颯特等已成為國(guó)內(nèi)紅外民品產(chǎn)業(yè)的主力軍。初具規(guī)模的約有30余家。由于各種原因，國(guó)營(yíng)單位在民用市場(chǎng)的份額約為5%，大立科技、武漢高德和廣州颯特三家的市場(chǎng)占有率已在60%以上。中國(guó)紅外產(chǎn)業(yè)用

6、10年的時(shí)間從國(guó)外行業(yè)領(lǐng)先的FLIR、FLUK唐廠商搶回了超過50%勺市場(chǎng)份額，初步實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)。目前國(guó)產(chǎn)紅外產(chǎn)品性能已經(jīng)基本接近進(jìn)口產(chǎn)品，但由于品牌影響力等原因，價(jià)格只是進(jìn)口產(chǎn)品的一半。紅外產(chǎn)品的核心部件主要靠進(jìn)口，核心技術(shù)受制于人。國(guó)內(nèi)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在總體技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)、后續(xù)電路、圖像處理軟件等方面。當(dāng)然、人才、管理、市場(chǎng)也是競(jìng)爭(zhēng)力的一部分。1.2.3 國(guó)外現(xiàn)狀國(guó)外品牌一直在中國(guó)的防盜報(bào)警市場(chǎng)占據(jù)著很大的份額，早期的美國(guó)安定保、C&K日本艾禮富、以色列EL等，近幾年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的加拿大楓葉、德國(guó)博世、美國(guó)GE等，這些廠商無論是在資金和技術(shù)上，都具備很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)國(guó)

7、內(nèi)廠商的發(fā)展形成巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力；國(guó)內(nèi)防盜報(bào)警產(chǎn)品廠商發(fā)展時(shí)間比較短，真正取得長(zhǎng)足發(fā)展也是在2000年以后，特別是在2004年國(guó)內(nèi)有些廠商迅速成長(zhǎng)，投資規(guī)模和企業(yè)規(guī)模都在迅速發(fā)展和擴(kuò)大。但是與國(guó)外廠商相比還有很大差距?，F(xiàn)階段，大部分工程商安裝防盜報(bào)警產(chǎn)品時(shí)傾向于國(guó)外品牌，其中，安裝的國(guó)外產(chǎn)品主要來自美國(guó)、日本和韓國(guó)，這三個(gè)國(guó)家的產(chǎn)品占據(jù)我國(guó)報(bào)警市場(chǎng)的近80%的市場(chǎng)份額。這主要是因?yàn)?，在產(chǎn)品供給市場(chǎng)上，絕大部分國(guó)外品牌來自美國(guó)和日韓，防盜報(bào)警產(chǎn)品在這些國(guó)家的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品功能穩(wěn)定、性能完善，再加上進(jìn)入我國(guó)是時(shí)間較早，所以在我國(guó)市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的份額。1 3系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路1.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容了

8、解和掌握紅外傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性和使用方法，紅外探測(cè)系統(tǒng)和相關(guān)產(chǎn)品及其國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展情況，利用單片機(jī)、Proteus和KeilC51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試。1.1.2 設(shè)計(jì)要求（ 1）了解和掌握該系統(tǒng)相關(guān)傳感器（3-5種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；（ 2）查找與本系統(tǒng)相關(guān)論文（最近幾年）3-5篇；（ 3）查找與本系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品（3-5種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；（4）選擇一種傳感器，利用單片機(jī)、Proteus和KeilC51工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試；2. 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)2.1

9、應(yīng)用理論2.1.1 紅外傳感器簡(jiǎn)單介紹紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能可分成五類，按探測(cè)機(jī)理可分成為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。2.1.2 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)單概述（1） AT89C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)AT89C5

10、1單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)低電壓，高性能CMOS8&單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大3。AT89C5H1片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖2.1.2為AT89C51i1片機(jī)的基本組成功能方塊圖。由圖可見，在這一塊芯片上，集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的主要組成部分，其中包括CPU存儲(chǔ)器、可編程I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、用行口等，各部分

11、通過內(nèi)部總線相連。下面介紹幾個(gè)主要部分。圖2.1.2AT89C51功能圖（2） AT89C51管腳說明ATME公司的AT89C51是一種高效微控制器。采用40引腳雙列直插封裝形式。AT89C5伸片機(jī)是高性能單片機(jī)，因?yàn)槭芤_數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。VCC供電電壓。GND接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH®程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH8行校馬時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P

12、1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH®程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2:P2為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫1時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址1時(shí)，它利用內(nèi)部上拉

13、優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。P3也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（用行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

14、寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RSTW兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許端的輸出電平用于鎖存地址的地址字節(jié)。在FLASH®程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EK址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVXMOV的令是ALE才起作用。PSEN外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)端。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSENt效