红外探测系统设计.docx
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红外探测系统设计
1.绪论
1．1系统设计目的及意义
随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。
本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。
就目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。
而本设计中所使用的红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
这种火焰红外传感器能以非接触形式可以检测火焰或者波长在760纳米〜1100纳米范围内的光源，并将其转变为电压信号。
1.2国内外研究现状
1.2.1技术现状
红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。
其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟，甚至可以分析物质的分子组成；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。
只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。
（1）技术优势
红外技术有四大优点：
环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。
（2）制约因素
目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。
例如：
为充分利用大气窗口，探测器光
谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多
元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象
的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。
（3）国内领先技术
红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。
为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。
2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通过，下一阶段将开展试生产及批产工作。
据介绍，在高德红外芯片生产线上，国际主流的非晶硅和氧化钒两种工艺线路可以同时运行。
正因如此，高德红外也成为国际上少有的、国内唯一同时具备2条工艺线路的红外探测器芯片生产企业。
（4）分类
按照探测原理的划分，目前市场上的红外探测器产品主要分为两大类：
a）热探测器
热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。
b）光子探测器
光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。
1.2.2国内现状
目前国内从事红外技术产品研制、生产和经营的单位约有400余家，从事红外材料、器件和系统的主要研制单位有：
中电11所、兵器211所、8358所、中科院上海技术物理所、205所、航空612所、613所、船舶717所等。
大立科技、武汉高德和广州飒特等已成为国内红外民品产业的主力军。
初具规模的约有30余家。
由于各种原因，国营单位在民用市场的份额约为5%，大立科技、武汉高德和广州飒特三家的市场占有率已在60%以上。
中国红外产业用10年的时间从国外行业领先的
FLIR、FLUKE等厂商抢回了超过50%的市场份额，初步实现了进口替代的产业目标。
目前国产红外产品性能已经基本接近进口产品，但由于品牌影响力等原因，价格只是进口产品的一半。
红外产品的核心部件主要靠进口，核心技术受制于人。
国内企业的竞争力主要体现在总体技术、光学系统、后续电路、图像处理软件等方面。
当然、人才、管理、市场也是竞争力的一部分。
1.2.3国外现状
国外品牌一直在中国的防盗报警市场占据着很大的份额，早期的美国安定保、C&K、日本艾礼富、以色列EL等，近几年进入中国市场的加拿大枫叶、德国博世、美国GE等，这些厂商无论是在资金和技术上，都具备很强的优势，对国内厂商的发展形成巨大的竞争压力；国内防盗报警产品厂商发展时间比较短，真正取得长足发展也是在2000年以后，特别是在2004年国内有些厂商迅速成长，投资规模和企业规模都在迅速发展和扩大。
但是与国外厂商相比还有很大差距。
现阶段，大部分工程商安装防盗报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额。
这主要是因为，在产品供给市场上，绝大部分国外品牌来自美国和日韩，防盗报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国是时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。
1．3系统设计思路
1.3.1设计内容了解和掌握红外传感器的原理、结构、特性和使用方法，红外探测系统和相关产品
及其国内外研究进展情况，利用单片机、Proteus和KeilC51工具设计出一种相应的探测识别系统，制作实物并进行测试。
1.3.2设计要求
（1）了解和掌握该系统相关传感器（3-5种）的技术资料，包括其技术指标、原理图、封装形式、价格等；
（2）查找与本系统相关论文（最近几年）3-5篇；
（3）查找与本系统相关产品（3-5种）的技术资料，包括其技术指标、原理图、封装形式、价格等；
（4）选择一种传感器，利用单片机、Proteus和KeilC51工具设计出一种相应的探测识别系统，制作实物并进行测试；
2.系统分析与设计
2.1应用理论
2.1.1红外传感器简单介绍红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类，按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。
红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：
（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；
（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
2.1.2AT89C51单片机简单概述
（1）AT89C51单片机的结构
AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含
4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51
指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大[3]0AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图2.1.2为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。
由图可见，在这一块芯片上，
集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时
器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。
下面介绍几个主要部分。
外中斷控制并行口串行通信
图2.1.2AT89C51功能图
（2）AT89C51管脚说明
ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作
为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口
当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，
P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6（外部数据存储器写选通）
P3.7（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/：
当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用
于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号端。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/VP:
当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入
XTAL2:
反向振荡器的输出，如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
2.2系统结构分析
2.2.1总体设计思路
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。
电路结构可划分为：
红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相
关的控制管理软件组成。
用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/
输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
2.2.2总体设计原理图
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：
红外传感电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2.2.2总体设计框图所
示：
图2.2.2总体设计框图
处理器采用51系列单片机AT89C51。
整个系统是在系统软件控制下工作的。
设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经比较电路送至门限开关,打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机。
在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。
驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。
当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。
2.3系统设计
2.3.1火焰红外传感器原理
（1）用途：
应用于各种火焰，火源探测，红外接收。
（2）模块特色：
a）可以检测火焰或者波长在760纳米〜1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远。
b）探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏
c）灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）
d）比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA
e）配可调精密电位器调节灵敏度
f）工作电压3.3V-5V
g）输出形式：
DO数字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出
h）设有固定螺栓孔，方便安装
i）小板PCB尺寸：
3.2cmx1.4cm
j）使用宽电压LM393比较器
（3）模块使用说明：
a）火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也是有反应的，一般用做火焰报警等用途。
b）小板输出接口可以与单片机IO口直接相连
c）传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，对打火机
测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远
d）模块也可以做红外接收感应作用。
e）小板模拟量输出方式和AD转换处理，可以获得更高的精度
（4）产品接线说明：
a）VCC接电源正极335V
b）GND接电源负极
c）DOTTL开关信号输出
d）AO小板模拟信号输出（电压信号）
（5）火焰红外传感器的结构
灵敏度调节电位器
图2.3.1火焰红外传感器的结构图
2.3.2时钟电路的设计
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us,故而一个机器周期为1us[5]。
如图2.3.2所示为时钟电路。
图232时钟电路图
2.3.3复位电路的设计
复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后
在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作⑹。
例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us[7]。
本设计采用的是外部手动按键复位电路。
如图2.3.3示为复位电路。
2.3.4发光二极管报警电路的设计
由1个发光二极管接上电阻后连上单片机的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。
2.3.5声音报警电路的设计
如下图所示，用一个蜂鸣器Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，如图2.3.5示为声音报警电路。
Qi
Speaker-z-
R6
J1_
TXD
11
4K7
单片机
图235声音报警电路图
2.4原理图
整个红外系统的Proteus原理图如图2.4所示
图2.4系统Proteus原理图
2.5程序流程图
2.6源程序设计及注释
#include
#includevintrins.h>
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedcharsbithw=P3A3;
sbitbell=P1A0；
sbitred=P1A1；
voidDelay100us（）
{
//@11.0592MHz
unsignedchari,j;
_nop_（）;
_nop_（）;
i=2;
j=15;
do
{
while（--j）;
}while（--i）;
}
voidmain（void）
{
P3=0xff;
bell=1;
red=1;
while
（1）
{
if（hw==0）
{
//bell=1;//有源蜂鸣器
bell=!
bell;//无源蜂鸣器red=0;
Delay100us（）;
}
else
{
bell=0;
red=1;
3.系统实物制作
3.1焊接
3.1.1焊接原理及注意事项本次课程设计中，所采用的焊接技术主要是润湿焊锡。
从焊接的定义中得知润湿是焊接行业中的主角，其接合即是利用液态焊锡润湿在基
材上而达到接合的效果，这种现象正如水倒在固体表面上完全一样，不同的是当温度降低后，焊锡凝固而成接点。
当焊锡润湿在基材上时，基材常因受空气及周围环境地的侵蚀，而会有一层氧化层，阻挡焊锡而无法达到好的润湿效果，其现象正如水倒在满是油脂的盘子上，水只聚集在部分地方，无法全面均匀的分布在盘子上。
焊锡时需要注意如下几点：
（1）先刮后焊：
要焊的元件引线上有油渍或锈蚀不易吃锡。
即使把焊锡免强的"糊"上
一点结果却是假焊。
焊前要刮干净。
（2）掌握温度技巧：
温度不够，焊锡流动性差，易凝固温度过高则易滴淌。
焊点挂不住焊锡。
a）要想温度合适根据物体的大小用功率相应的烙铁；
b）要掌握加热时间。
烙铁头带着焊锡压焊接处。
被焊接物便被加热。
焊锡从烙铁头自动流散到被焊物上时，说明加热时间已到，此时迅速移开烙铁头，便留下一个光亮的圆滑焊锡点。
移开烙铁头焊点留不住焊锡，则说明加热时间短，温度不够，或焊点太脏。
若烙铁头移开前焊锡就往下流加热时间长温度过高。
（3）上焊锡适量：
根据焊点大小蘸取的焊锡量足够包住被焊物，形成光亮圆滑的焊点一次上焊锡不够可再补上，但须待前次焊锡被一同熔化之后移开烙铁头。
（4）扶稳不晃：
焊物须扶稳夹牢，特别是焊锡凝固阶段不可晃动。
为了平稳手腕枕在一支撑物上，坐或立要端正。
3.1.2焊接电路板实物图
焊接成功的电路板实物如图所示
图322焊接电路板实物图
3.2调试和程序烧录
将上述2.6中的程序编译无误后，烧录至单片机中。
调试完火焰红外传感器后，开始运行，观察蜂鸣器报警系统是否正常，如果不正常，则进行分析和调试，直至满足要求。
整体运行，观察LED发光二极管显示和蜂鸣器报警是否都符合要求，如果不符合,则再调试。
直至满足要求。
3.3结论
如上所示，符合设计要求的红外检测系统已制作成功
．2014.5．沈阳理工大
2010年2月第1版．人
1版．电子工业出版社，
6.参考文献
【1】张东阳，岳明凯．《单片机原理与应用系统设计实用教程》学．2014
【2】宋戈，黄鹤松，蒋海峰．《51单片机应用开发范例大全》．民邮电出版社，2010
【3】袁东等．《51单片机应用开发实战手册》．2011年4月第2011
【4】阿里巴巴.《电路板焊接的基本原理》
【5】XX文库.《电路板维修和焊锡技术》
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