热释电体温计课程设计解析.docx

热释电体温计课程设计解析.docx

《热释电体温计课程设计解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热释电体温计课程设计解析.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

热释电体温计课程设计解析

《感测技术》课程设计

题目：

热释电体温计

学号姓名：

老师：

时间：

2013年11月28日

一、系统功能

热释电体温计的设计功能：

本课题是通过人体热释电红外传感器来测试一定范围内人通过检测人体温度，当人进入测试范围时由菲涅尔透镜的红外线感应到，接受到感应，把感应反映到热释电传感器得到放大等处理，通过A/D转换，最小系统等的数据处理最后用单片机处理经过LCD12864屏幕来显示测的的结果，即人体温度。

2、方案设计

1、

方案设计方框图

2、

具体的电路

三、系统各模块硬件介绍

1.热释电人体红外线传感器的基本结构和原理

热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。

目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu公司的P2288，日本NipponCeramic公司的SCA02-1、RS02D等。

虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大图1热释电传感器实物图

部分可以彼此互换使用。

（1）探测元

热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图1所示。

对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。

如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3制成。

将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。

因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

传感器中两个电容是极性相

反串联的。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。

当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能

能量相等，且达到平衡，极性相反、能图2双探测元热释电红外传感器

量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。

当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。

综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

（2）滤光窗

滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。

人体的正常体温为36~37.5℃，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。

所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。

场效应管输入阻抗高达104MΩ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。

使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。

对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.1~10Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为5~15um），因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。

被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图2所示。

图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。

热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。

图3报警器结构图

图4红外线传感器

报警器结构图是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

如图4所示。

（3）、菲涅尔透镜

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。

菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。

菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。

菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR（被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。

菲涅尔透镜作用：

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

图5菲涅尔透镜

菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。

传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。

菲涅尔透镜可以极大的降低成本。

典型的例子就是PIR。

PIR广泛的用在警报器上。

如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。

这就是菲涅尔透镜。

小帽子的内部都刻上了齿纹。

这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。

菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上，菲涅尔透镜不能用任何有机溶液（如酒精等）擦拭，除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉擦拭。

2、被动式热释电红外探头的优缺点：

　　优点：

　　本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。

价格低廉。

　　缺点：

　　◆容易受各种热源、光源干扰

　　◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

　　◆易受射频辐射的干扰。

　　◆环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

抗干扰性能：

◆防小动物干扰

　　探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。

　◆　抗电磁干扰

　　探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

　◆　抗灯光干扰

　　探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

　　红外线热释电传感器的安装要求：

　　红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系，正确的安装应满足下列条件：

　◆　红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

　◆　红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。

◆红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

◆红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。

红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

3、LCD12864显示屏

下图7为LCD12864的管脚

4、A/D转换器

A/D转换器的概述：

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。

在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

如图8所示

图8

A/D转换器的工作原理

A/D转换器有三种方法：

逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法，以下主要介绍以下逐次逼近法

　　逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

　　采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图4.21所示。

　　基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

　　逐次逼近法

图9逐次逼近法

　　逐次逼近法转换过程是：

初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。

然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。

重复此过程，直至逼近寄存器最低位。

转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。

逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

5.最小系统

对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路下面给出一个51单片机的最小系统电路图；如12所示：

图10最小系统原理图

单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：

电路将无法通信。

他是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，x1和x2分别接单片机的x1和x2，晶振和瓷片电容是没有正负的，注意两个瓷片电容相连的那端一定要接地。

图11振荡器

给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电平）使程序从头开始执行；一般有两中复位方式：

上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低电平给系统复位。

图12复位电路

四、测量结果

姓名

体温（℃）

刘飞

37.2

陈思

37.0

王考想

37.5

孙丽芳

37.3

五、课程设计的心得体会

本次课设我分配的题目是热释体温计，在接到题目之后我们首先开始搜集相关的资料，通过对网上资料的参考和比较，开小会讨论我们的实验应该如何下手，根据实际情况进行开始课程设计，分组分配任务。

开始由于不是下载的网上现成的原理图，所以一些参数必须我们自己设置，通过几天的分析和计算，最终设置出了正确的参数。

在设置好参数之后组员们开始学习仿真软件，通过实践对原理图进行了简单的仿真，仿真完成之后我们就开始进行实物的安装与调试，通过原理图对每一个模块进行单独安装，然后单项调试，其中出现了很多问题，比如误差等，开始得不到理想的结果，但是经过调试最终得出了理想的结果，虽然这个过程经历的时间很长，而且也有很多困难，但是大家一起努力合作，热情常在。

通过这次的经历我明白了，学习要有耐心，细心，不急躁，而且遇到问题首要自己尝试去解决，要学会利用网络，要具备一定的搜集资料的能力。

对本次课设的总结时：

感测技术是一门不仅仅是要学理论知识，而且要学会动手，通过实践加深对理论知识的理解的科目。

本次课设激发了我们动手实践的热情，提高了分析和实践能力，也让我们体会了自己设计并制作的快乐，获益匪浅！

六、参考文献：

[1]高燕传感器原理及应用西安电子科技大学出版社，2009年8月

[2]高晓蓉传感器技术西南交通大学出版社，2003年

[3]陈杰，黄鸿传感器与检测技术北京：

高等教育出版社，2002年

[3]卿太全器件与元件1995年11期