1、感測技術課程設計題目： 熱釋電體溫計 學號姓名： 老師： 時間： 2013年11月28日一、系統功能熱釋電體溫計的設計功能：本課題是通過人體熱釋電紅外傳感器來測試一定范圍內人通過檢測人體溫度，當人進入測試范圍時由菲涅爾透鏡的紅外線感應到，接受到感應，把感應反映到熱釋電傳感器得到放大等處理，通過A/D轉換，最小系統等的數據處理最后用單片機處理經過LCD12864屏幕來顯示測的的結果，即人體溫度。2、 方案設計顯示屏顯示數據結果單片機處理連接顯示屏熱釋電傳感器感應信號信號進入A/D模塊處理數據1、 方案設計方框圖2、 具體的電路三、系統各模塊硬件介紹1. 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結構和原理 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，并將其轉換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制、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，但其結構、外型和特性參數大致相同，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生極化，在電容的兩端產生極性相反的正、負電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯的。當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產生極性相反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，回路中無電流，

4、傳感器無輸出。 當人體靜止在傳感器的檢測區域 內時，照射到兩個電容上的紅外線光能 能量相等，且達到平衡，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。當人體在傳感器的檢測區域內移動時，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構上引入場效應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，因而需要將其轉換為電壓形式。場效應管輸入阻抗高達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系統、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，其結構框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，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計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉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、的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現打下基礎。圖3 報警器結構圖 圖4紅外線傳感器報警器結構圖是將待測目標、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結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范圍內幾乎穩定不變。在傳感器頂端開設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設計或結構進行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區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原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”，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有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。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，你會發現在每個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缺點：優點：本身不發任何類型的輻射，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。抗干擾性能： 防小動物干擾探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內地面上地小動物，一般不產生報警。 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，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射，不產生報警。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，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系，正確的安裝應滿足下列條件： 紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。 紅外線熱釋電傳感器遠離空調, 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系很大。熱釋電紅外傳感器對于徑向移動反應最不敏感, 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。3、 LCD12864顯示屏下圖7為LCD12864的管腳 4、A/D轉換器 A/D轉換器的概述 ：將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc,analog to digital converter），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、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行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。 如圖8 所示圖8 A/D轉換器的工作原理 A/D轉換器有三種方法：

13、逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉換法，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轉換電路，轉換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖4.21所示。基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法 圖9 逐次逼近法逐次逼近法 轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉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換的模擬量i進行比較，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，將寄存器中新的數字量送D/A轉換器，輸出的 o再與i比較，若oi，該位1被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的數字量送入緩沖寄存器，得到數字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。5.最小系統 對51系列單片機來說,最小系統一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路下面給出一個51單片機的最小系統電路圖 ；如12所示：圖10最小系統原理圖 單片機系統正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統將會不能工作；假如振蕩器運行不規律，系統執行程序的時候就會出現時間上的誤差，這在通信中會體現的很明顯：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 給單片機一個復位信號（一個一定時間的低電平）使程序從頭開始執行；一般有兩中復位方式：上電復位，在系統一上電時利用電容兩端電壓不能突變的原理給系統一個短時的低電平；手動復位，同過按鈕接通低電平給系統復位。 圖12 復位電路四、測量結果 姓名體溫（）劉飛37.2陳思37.0王考想37.5孫麗芳37.3五、課程設計的心得體會 本次課設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的資料，通過對網上資料的參考和比較，開小會討論我們的實驗應該如何下手，根據實際情況進行開始課程設計，分組分配任務。開始由于不是下載的網上現成的原理圖，所以一些參數必須我們自己設置，通過幾天的分析和計算，最終設置出了正確的參數。在設置好參數之后組員們開始學習仿真軟件，通過實踐對原理圖進行了簡單的仿真，仿真完成之后我們就開始進行實物的安裝與調試，通過原理圖對每一個模塊進行單獨安裝，然后單項調試，其中出現了很多問題，比如誤差等，開始得不到理想的結果，但是經過調試最終得出了理想的結果，雖然這個過程經歷的時間很長，而且也有很多困難，但是大家一起努力合作，熱情常在。 通過這次的經歷我明白了，學習要有耐心，細心，不急躁，而且遇到問題首要自己嘗試