红外探测系统设计.docx

1、红外探测系统设计1.绪论11 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

2、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

3、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

4、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、

5、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

6、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

7、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

8、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。13 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Keil C51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

9、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Keil C51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

10、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 CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes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

11、大3 0 AT89C51 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2.1.2 AT89C51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

12、: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

13、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

14、，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P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 INT0 （外部中断0）P3.3 INT1 （外部中断1）P3.4 T0 （记时器0外部输入）P3.5 T1 （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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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 15mAe） 配可调精密电位器调节灵敏度f） 工作电压3.3V-5Vg） 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：3.2cm x 1.4cmj） 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

20、） 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335Vb)GND接电源负极c)DO TTL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

21、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1us5。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 。例如使用晶振 频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于 2us7。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

22、.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。QiSpeaker -z-R6J 1 _ TXD1 14K7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#in clude#include vintrins.h

23、#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned char sbit hw=P3A3;sbit bell=P1A0；sbit red=P1A1；void Delay100us()/11.0592MHzunsigned char i, j;_nop_();_nop_();i = 2;j = 15;dowhile (-j); while ( -i);void main(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;Dela

24、y100us();elsebell=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

25、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

26、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