熱釋電體溫計課程設(shè)計

1、感測技術(shù)課程設(shè)計題目： 熱釋電體溫計 學(xué)號姓名： 老師： 時間： 2013年11月28日一、系統(tǒng)功能熱釋電體溫計的設(shè)計功能：本課題是通過人體熱釋電紅外傳感器來測試一定范圍內(nèi)人通過檢測人體溫度，當(dāng)人進(jìn)入測試范圍時由菲涅爾透鏡的紅外線感應(yīng)到，接受到感應(yīng)，把感應(yīng)反映到熱釋電傳感器得到放大等處理，通過A/D轉(zhuǎn)換，最小系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)處理最后用單片機處理經(jīng)過LCD12864屏幕來顯示測的的結(jié)果，即人體溫度。2、 方案設(shè)計顯示屏顯示數(shù)據(jù)結(jié)果單片機處理連接顯示屏熱釋電傳感器感應(yīng)信號信號進(jìn)入A/D模塊處理數(shù)據(jù)1、 方案設(shè)計方框圖2、 具體的電路三、系統(tǒng)各模塊硬件介紹1. 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理 熱

2、釋電紅外(PIR)傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警等。目前市場上常見的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海賽拉公司的SD02、PH5324，德國Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美國Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)大致相同，大 圖1 熱釋電傳感器實物圖部分可

3、以彼此互換使用。 (1) 探測元 熱釋電紅外線傳感器由探測元、濾光窗和場效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖1所示。對不同的傳感器來說，探測元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容。因為這兩個小電容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯(lián)的。當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，

4、傳感器無輸出。 當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域 內(nèi)時，照射到兩個電容上的紅外線光能 能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能 圖2 雙探測元熱釋電紅外傳感器量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒有信號輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸出。綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。(2)濾光窗濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.014um波長以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5，即309310.5K，其輻射的最強的紅外線的波長為m=2989/（309310.

5、5）=9.679.64um，中心波長為9.65um，正好落在濾光窗的響應(yīng)波長的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測元輸出的是電荷信號，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場效應(yīng)管輸入阻抗高達(dá)104M，接成共漏極形式來完成阻抗變換。使用時D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。對于移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110Hz)，即傳感器

6、對紅外光的波長的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對它們不敏感，因而無輸出。被動式紅外報警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)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(dāng)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(jìn)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，從而加強其能量幅度。熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出

7、的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3 報警器結(jié)構(gòu)圖 圖4紅外線傳感器報警器結(jié)構(gòu)圖是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時的工作原理示意圖。人體輻射的紅外線中心波長為910um，而探測元件的波長靈敏度在0.220um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為710um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。如圖4所示。 （3）、菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到

8、大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時候相當(dāng)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。菲涅爾透鏡可按照光學(xué)設(shè)計或結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR（被動紅外線探測器）上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。 菲涅爾透鏡作用：菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)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(dāng)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(jìn)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，從而強其能量幅度。圖5 菲涅爾

9、透鏡菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達(dá)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(xué)器材的帶通光學(xué)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。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(nèi)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）。菲涅耳透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在硅光電二級探測器的光敏面上，菲涅爾透鏡不能用任何有機溶液(如酒精等)擦拭，除塵時可先用蒸餾水或普通凈水沖洗，再用脫脂棉擦拭。2、被

10、動式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點：優(yōu)點：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價格低廉。缺點：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?？垢蓴_性能： 防小動物干擾探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報警。 抗電磁干擾探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。 抗燈光干擾探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報警。紅外線熱釋電傳感器的安裝要求：紅外線熱釋電人體傳

11、感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系，正確的安裝應(yīng)滿足下列條件： 紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。 紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào), 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關(guān)系很大。熱釋電紅外傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感, 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感. 在現(xiàn)場選擇合適的安裝位

12、置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。3、 LCD12864顯示屏下圖7為LCD12864的管腳 4、A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的概述 ：將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)的。 如圖8 所示圖8 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 A/D轉(zhuǎn)換器有三種方法：

13、逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法，以下主要介紹以下逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖4.21所示?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。逐次逼近法 圖9 逐次逼近法逐次逼近法 轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 o，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量i進(jìn)行比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐

14、次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的 o再與i比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進(jìn)行的。5.最小系統(tǒng) 對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復(fù)位電路下面給出一個51單片機的最小系統(tǒng)電路圖 ；如12所示：圖10最小系統(tǒng)原理圖 單片機系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會不能工作；假如振蕩器運行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時候就會出現(xiàn)時間上的誤差，這在通信中會體現(xiàn)的很明顯：電路將無法通信。他

15、是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的，x1和x2分別接單片機的x1和x2，晶振和瓷片電容是沒有正負(fù)的，注意兩個瓷片電容相連的那端一定要接地。 圖11振蕩器 給單片機一個復(fù)位信號（一個一定時間的低電平）使程序從頭開始執(zhí)行；一般有兩中復(fù)位方式：上電復(fù)位，在系統(tǒng)一上電時利用電容兩端電壓不能突變的原理給系統(tǒng)一個短時的低電平；手動復(fù)位，同過按鈕接通低電平給系統(tǒng)復(fù)位。 圖12 復(fù)位電路四、測量結(jié)果 姓名體溫（）劉飛37.2陳思37.0王考想37.5孫麗芳37.3五、課程設(shè)計的心得體會 本次課設(shè)我分配的題目是熱釋體溫計，在接到題目之后我們首先開始搜集相關(guān)的資料，通過對網(wǎng)上資料的參考和比較，開小會討論我們的實驗應(yīng)該如何下手，根據(jù)實際情況進(jìn)行開始課程設(shè)計，分組分配任務(wù)。開始由于不是下載的網(wǎng)上現(xiàn)成的原理圖，所以一些參數(shù)必須我們自己設(shè)置，通過幾天的分析和計算，最終設(shè)置出了正確的參數(shù)。在設(shè)置好參數(shù)之后組員們開始學(xué)習(xí)仿真軟件，通過實踐對原理圖進(jìn)行了簡單的仿真，仿真完成之后我們就開始進(jìn)行實物的安裝與調(diào)試，通過原理圖對每一個模塊進(jìn)行單獨安裝，然后單項調(diào)試，其中出現(xiàn)了很多問題，比如誤差等，開始得不到理想的結(jié)果，但是經(jīng)過調(diào)試最終得出了理想的結(jié)果，雖然這個過程經(jīng)歷的時間很長，而且也有很多困難，但是大家一起努力合作，熱情常在。 通過這次的經(jīng)歷我明白了，學(xué)習(xí)要有耐心，細(xì)心，不急躁，而且遇到問題首要自己嘗試