基于ARM核的热释电红外测温仪的研制

基于ARM核的热释电红外测温仪的研制

摘要

热释电红外测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外测温仪器，它以黑体辐射定律作为理论基础，是光学理论和微电子学综合发展的产物。与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。

本文详细介绍了热释电红外测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释电红外测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于ARM内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温系统。详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。文中还对影响热释电红外测温仪测温精度的因素和软硬件的相关设计做了详细的分析，并采取了相应措施，本文主要做了以下工作：

阐述了红外测温仪的发展现状和分类，并指出了本文的研究意义；阐述了热释电红外测温仪的原理，并对目前红外测温仪的几种方案的优缺点进行了详细的介绍；对ARM核微处理器作了详细的介绍，并对本文用到的ARM核芯片LPC2132的功能特点和结构做了详细的介绍;详细分析了系统的功能要求，提出了总体设计方案，并在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和设计思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程图的方式介绍了各个功能的具体实现；对影响红外测温仪的测温误差的因素进行了分析，对系统中出现的软硬件干扰问题做了相应的抗干扰措施；为本文研究的主要结论，对系统的进一步的研究工作进行了展望。

关键词：热释电传感器，红外测温仪，ARM，LPC2132

Abstract

PIR thermometer is a kind of infrared thermometer that makles use of the pyroelectricity effect,it uses the blackbody radiation laws as the theories foundation,it is the outcome that the optical theories and micro—electronics lear n comprehensive development．Compared to the way of traditional temperature measurement,it has a series of merits,such as short in response time,non-contact,noninterference to temperature field ,long useful time and convenient operation,etc．

This paper introduces the basic principle of PIR and the method of realization in detail．Wilh the technique that the IR thermometer's present stage as a reference．It put forward and develop a kind of measure system according to the embedded microprocessor of high performance ARM．The paper introduces the composing and the method of that system in detail．and gives the hardware principle diagram and design flow chart of the softtware．The factors that influence PIR thermometer’s accuracy and the related interference of hardware and software are analyzed in detail,and adopted to corresponded megtsures．The following work is done：The present condition and classification of IR thermometer are introduced elaborately,and the meaning of this research is point out;The principle of PIR is introduced；The way to measure IR radiation is presented；The ARM microprocessor is made detailed introduction,and the function characteristics and structure of the ARM chip LPC2132 is made a good introduction；The function of the total design project is introduced，The hardware parts base on this system are designed，and

made elucidation to the function and the design way ofthinking that each part eomplete；

The software parts of PIR thermometer are proposed,the module of each part is realized in flow chart；the factors that interfere measures error are carried on analysis，the interference of the sottware and hardware are discussed,and did some antiinterference measures；The main research conclusion is summarized,the prospect of further research of PIR thermometer is proposed．

Keywords:PIR,Infrared thermometer,ARM，LPC2132

第一章绪论

1．1课题背景

温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行．现代的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考虑问题．因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变化特性的热电阻、热电偶测温法以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触式测温方法．前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了接触式测温仪的使用；非接触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

目前应用最广泛的非接触式测温仪是红外测温仪，它测温的理论基础是黑体辐射定律。自然界的任何物体都在不停的向外辐射能量，物体辐射能量的大小及波长的分布与其表面的温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身红外辐射的能量便能确定它的表面温度．

1．2红外测温仪简介

红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它通过将被测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、模／数转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成，其体积小，便于携带，操作简单，在各行各业中得到广泛应用。

红外测温仪已经有了几十年的发展历史，最早出现的是隐丝式光学高温计]1[，它出现在上世纪初，直到现在仍在高温(800℃以上使用)测量领域被使用]2[。它的结构简单、使用

方便、测温范围广，但是在使用光学高温计的过程中，经常需要用人的眼睛进行亮度平衡，手动调节灯丝的温度，使高温计灯丝瞄准区域均匀地消失在辐射源或被测物体的背景上，但是由于生理限制，人眼的辨别能力会带来一定的观察误差，不适合于自动控制系统．长期以来，三个方面的问题困扰了红外测温仪的发展，第一个是微弱信号的放大和抗干扰问题；二是信号与所需要的温度值的非线性对应问题；三是探头所处温度对信号的影响．自二次大战以来，光电导和光伏探测器及红外透光材料的高速发展，促使了红外测温和红外技术应用的

发展]3[。20世纪60年代后，由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片以及数字信号处理技术的发展。大大促进了红外技术的应用的进程]4[。在60年代中期，出现了以光电倍增管

作为检测器的光电高温仪，具有较高的灵敏度和精度。在70年代初，硅光电探测器由于稳定性、线性度及灵敏度优良，结构牢固，逐渐受到重视，意大利国家计量院IMGC首先制成了用

硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计]5[。与此同时，辐射温度计的工作波长也从单波长逐步发展为多波长，仪器的功能也渐趋智能化，测量精度、响应速度、稳定性和分辨率都达到了相当高的水平]6[，测温范围也从以往的中高温延伸到室温或更低温度，辐射

测温仪的使用范围也越来越广．例如在煤矿生产中的胶带输送机在运行过程中，可用红外测温仪来检测胶带与滚筒的温度，避免发生胶带与滚筒因长时间摩擦发热直至引发火灾等事故

]7[；在工业生产中，可利用红外测温仪对运行着的带电设备，如导线、供电装置等定期检

测，防止不良事故的发生；在钢铁企业的热轧生产过程中，需要采用红外测温仪对钢坯表面温度进行测量。以严格控制工艺参数，确保钢材的质量．

1．33红外测温仪的分类和发展

l、红外测温仪的分类

目前市场上红外测温仪种类繁多。测温范围可从大约-100℃低温到6000℃高温，响应时间从千分之一秒到秒不等，针对不同应用可分为便携式、在线式和扫描式三大系列。从测温范围上又可分为高温测温仪、中温测温仪、低温测温仪。根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场，一般要求被测目标尺寸超过视场大小的50％，如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的光学系统从而干扰正常测温，造成误差；对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的，因此当被测目标很小，未充满视场，或测量通路上存在烟雾、尘埃，从而造成辐射能量衰减时都不会造成影响，同样对运动中的物体测量双色测温仪也是个很好的选择．

2、红外测温仪的发展

红外测温仪的研究已经有几十年的历史，近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT--1200D型、IRT-3060D型、IRT-3000A型、IRT-400G 型、HCW-VA型、DHS-200型、WFHX330型(光学瞄准，测温距离可达30m)。美国雷泰公司生产的ST系列、MX系列、MX6系列、3i系列测温仪，德国HEITRONICS公司的KT19系列、KTl5D、KTl2

系列等也有较广泛的应用。

目前，世界上最大的红外测温仪生产商是美国的FLUKE 公司，其产品包括便携式、在线式和扫描式三大类数百多个品种，澳I 温范围从-50℃----6000℃不等，占有了世界上30％以上的销售份额，我国红外测温仪的生产单位有西安北方光电有限公司、中科院自动化所、西安沃尔仪器公司等，但不仅产品的种类较少，而且从精度或读数的重复一致性方面均与国外有不小的差距。

1．4本课题研究的内容

本课题研究的主要内容是设计一种可用于工业现场的高性能的红外测温仪，在总结各种红外测温方法的基础上，提出并研制了一种基于ARM 内核的高性能的嵌入式微处理器的热释电红外测温仪。课题采用Philips 公司的ARM 核芯片LPC2132作为主处理芯片，设计的红外测温仪具有配置简单，扩展方便，可靠性高的特点．本文主要完成了以下工作：

(1)在对整个测温系统的原理和测温方案分析的基础上。对系统的软硬件设计进行了协调优化，并进行了总体部分的设计。

(2)硬件部分：采用锁定放大的方式完成微弱信号的提取，完成了光学系统、探测器放大电路单元、带通滤波单元、移相电路、相敏检测电路、低遁滤波单元、环境温度测量单元等部分的电路设计．

(3)软件部分：完成了LPC2132的初始化、中断处理单元、电机控制、A ／D 转换、键盘和显示部分的流程图设计和相关部分软件的编写。

(4)标定部分；采用神经网络专家系统对红外测温仪进行标定。

第二章热释电红外测温仪的原理

本章主要介绍热释电红外测温的原理和测温的方法，并对热探测器的功能特性作了概 括说明．

2．1辐射测温原理

红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物 体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度 有着十分密切的联系]8[，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强]9[．黑体的光谱辐射出射度有普朗克公式确定，即：

λM =1c 5-λ[(exp(2c /T λ)-1]1- (2-1)

黑体辐射出射度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律确定，即

λM =?∞

0λM λd =4T σ (2-2)

其中1c =3.7418×1016- W ·m 2

, 称为第一出射度 2c =1.4388×102-m ·K,称为第二出射度

σ=5.6697×108-W ·2m ·4-K ,称为斯蒂芬 –玻尔兹曼常数

λ表示波长

T表示热力学温度

由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射度还需要在上式中乘上物体的辐射度常数，即

M=ε4Tσ，ε表示物体的辐射出射度（2-3）λ

因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压

KT，（2-4）V=ε4

这里面的K与探测器的灵敏度，光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。

2．2热释电探测器

早在1703年左右人类就发现了热释电效应，在1965年查明这种效应对温度具有极高的灵敏度，在室温附近可以检测出6×106-℃的温度变化值]10[。但由于种种条件的限制，以及无法克服来源不明的准直流噪声干扰]11[，一直未能成功地把该技术用于非接触式测温．热释电器件是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来越重要的地位，广泛用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、光谱分析、红外摄像和空间技术等诸多方面]12[。利用热释电效应制成的热探测器件，与其他种类探测器相比，热释电探测器具有以下优点：

(1)具有较高的频率响应．工作频率接近兆赫兹，一般热释电探测器的时间常数典型值在1～0．01S范围内，而热释电器件的有效时问常数可低至104-～3×105-s；

(2)探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率比热释电探测率稍高，且这一差距正在不断减小；

(3)热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，而且工作时可以不必外加偏置电压；

(4)受环境温度的变化影响小；

(5)热释电探测器件的强度和可靠性比其他多数探测器都要好，且制造比较容易．

图2-1为典型的热释电传感器结构

、

图2-1热释电传感器

热释电红外传感器器件的材料有很多，在具有热释电效应的大量晶体中，热释电系数最大的为铁电晶体材料]13[，因此，我们常见的传感器基本都是利用铁电晶体材料做成的．目前最重要的材料有硫酸三甘肽(TGS)晶体、钽酸锂(LiTaO3)晶体、锆钛酸铅(PZT)类陶瓷、聚氟乙烯(PVF)和聚氟乙烯(PZF2)聚合物薄膜等．其中TGS 热释电是发展最早、工艺最成熟的热辐射探测器件，它在常温下热释电系数较大、介电常数较小，因此在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度高，从而得到了广泛的应用。

热释电传感器的品种较多，可按外形结构和内部构成的不同及性能分类。从封装、外形来分，有塑封式和金属封装(立式和卧式的)等．从内部结构分，有单探测元、双探测元、四探测元等。从工作波长来分，有：

λ=1～20um,适用于温度检测

λ=4.35±0.15um ，适用于火焰检测

λ=7～17um ，是日常生活常用的，如用于自动门，防盗报警，节能自动灯等。

传感器的敏感元为BST 薄膜，晶体的上下两面设置电极，通常的热释电器件有面电极和边电极两种结构。面电极结构的电极面积较大，极间距离较短，因而极间电容较大，其不适用于高速应用；边电极的电极间距较大，电极面积较小，因而极间电容较小，因此在高速应用场合一般使用此种电容．

由于熟释电探测器是微分型的]2[。只能接受到红外辐射能的一小部分，所以它只能检测到变化的温度，所以在测温时．需要在探测器前设置一个调制盘，用来提供一个交替变化的光学信号给红外探测器，然后经过探测器的光一电转换后，其传感器的输出电压正比于目标辐射与调制盘温度之差，即

σK U =(1ε4T -2ε40T ) (2-5)

其中：1ε表示被测目标辐射率

2ε表示调制盘的辐射率。

变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。

2．3几种测温方案

依据测温的原理不同，红外测温仪的设计有三种方法，如果是通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射温度计；如果是通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度温度计，也称为单波段温度计；如果测量的是同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度交化来定温的则称为比色温度计。

2．3．1全辐射测温法

全辐射测温仪测温的理论基础是斯蒂芬一玻耳兹曼定律，即

r M =?∞

0λM λd =4T σ，

由此可见黑体在整个波长范围内的辐射功率与绝对温度的4次方成正比，是温度的单一函数，它是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度]14[

通常，红外测温仪是以黑体(ε=1)定标的，此方法所使用的仪表结构简单、读数客观并能连续记录。缺点是温度计示值受环境及发射率影响较大，从而降低了其测温结果的准确度。在实际测量时，需要把辐射温度转换成真实温度，可通过下式进行换算：

T=p T （ε）4

1 （2-6）

由它引起的真实温度误差为 T

T ?=-41×εε? （2-7） 式中：p T -黑体的温度；

T ?-真实温度；

ε?-总发射率误差；

2．3．2亮度测温法

亮度测温法的理论基础是普朗克定律，即

S T 1-T 1=2c λ㏑)

,(1T λε （2-8） 其中：),(T λε—实际物体温度为T 时，在波长λ下的光谱发射率；

T -实际物体的真实温度；

s T -实际物体的亮度温度；

由此式可得出：实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即Ts

在实际测温中，物体的真实温度总是一定的值，因而，亮度温度成为一个与波长联系的量，因此亮度法测温时必须注明亮度温度的数值与其所取得波长值。

2．3．3比色测温法

比色测温法又叫做双波段测温法。由于它是利用同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化这一特性作为其测温原理的]15[．因此其测温时没必要精确知道被测物体的光谱发射率，而只需要知道两个波长下光谱发射率的比值即可，所以比色测温法可使读出的温度接近于物体的真实温度。

由维恩位移定律可知，温度为c T 的黑体，对于波长为1λ和2λ的单色辐射功率之比Z 由下式表示：

12252211251121)()exp()()(----==e e T C C T C C M M Z λλπλλπλλ???? ?????? ??-???? ??=212125

12exp λλλλλλc T C （2-9） 式中：)(1λM 表示波长为1λ处的单色辐射功率；

)(2λM 表示波长为2λ处的单色辐射功率；

1C 和2C 表示第一和第二辐射常数。

将（2-9）两边取对数可得：

12

212

12ln 5ln λλλλλ--=Z C T c （2-10）

即波长确定后，可根据所测得的Z 值计算如黑体的温度Tc ．

实际中的比色测温仪通过滤光片把红外辐射能量分为两个波段，通过每个滤光片的红外辐射被两个独立的红外探锻器接收并转换成电信号，然后通过信号处理器来计算两个信号的比值及环境温度补偿后给出测温数据并显示输出。

2．3．4各种测温方案的特点与适用范围

除去以上三种主要测温方法之外，其它的测温方案还有多波段测温法和最大波长测温法。多波段测温法的测温原理是依次取多个波段，通过计算这些波段辐射功率之问的复杂关系来确定物体的温度，该测温法精度比较高，但测温仪的结构复杂。最大波长测温法的测温原理是依据维恩位移定律中黑体辐射峰值波长与绝对温度之积为一常数，此方法测温结构简单，只适用于极高温度的测量．

各种测温方案的优缺点如表2-1所示]16[

表2-1：各类测温方法特点

第三章ARM 核微处理器

微处理器芯片是嵌入式系统控制处理的核心，其性能直接决定了系统的控制和数据处理能力，本章主要介绍ARM处理器以及ARM7系列芯片的体系结构，并对本文采用的ARM核微控制器芯片LPC2132的特性作了详细的介绍。

3．1 ARM处理器简介

ARM公司是微处理器行业的一家知名企业，ARM是Advanced RISC Machines的缩写，它是一个设计公司，本身不生产和销售芯片。ARM公司的处理器具有性能高、成本低和能耗小的特点，适用于多种领域，如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

ARM公司将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，包括INTEL、IBM、LG半导体、NEC、SONY、PHILIPS和国家半导体等大公司，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务，从而导致了大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于ARM处理器核的设计可以很快投放市场，使得ARM公司在32位RISC处理器占市场率超过了75％以上。

与传统的4／8位单片机相比，ARM微处理器的性能和处理能力大大加强，ARM微处理器一般具有以下特点：

1、体积小、低功耗、低成本、高性能

2、支持Thumb(16位)／ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位／16位器件；

3、大量使用寄存器，指令执行速度更快

4、大多数数据操作都在寄存器中完成

5、寻址方式灵活简单，执行效率高

6，指令长度固定．

3．1．1 ARM的体系结构

ARM是精简指令集计算机(RISC)，其设计实现了外型非常小但性能高的结构。ARM处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低．它集成了非常典型的RISC结构特性：

> 一个大而统一的寄存器文件；

> 装载／保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作：> 简单的寻址模式，所有装载，保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；

> 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。

此外，ARM体系结构还采用了一些特有的技术来使处理器实现高性能、低成本和低能耗．这些技术包括：

>每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器控制，以实现对ALU和移位器的最大利用；

>地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化；

> 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量；

>所有指令的条件执行实现最快速的代码访问．

3．1．2 ARM7DMI简介

ARM公司开发了众多系列的ARM核处理器，提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，目前使用较多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列，ARM10系列、SecurCore系列和INTEL的StrongARM、XScale系列。

ARM7系列中的ARM7TDMI是公司授权给用户最多的一种产品。ARM7TDMI基于ARM体系结构

的v4版本，它弥补了ARM6核在低于5v电源电压不能稳定工作的缺点。它将ARM7指令集同Thumb 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时它还支持EmbededICE JTAG软件调试方式，适合于更大规模的SoC设计中．

ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internct设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、PDA等设备。在无线信息设备领域的前景广阔，下一代智能化多媒体无线设备中也正有越来越多的厂商采用该产品。

3．2 LPC2132主要特性

本系统所选择的ARM微控制器是PHILIPS公司生产的ARM7系列中的LPC2132芯片，LPC2132是基于一个实时仿真和嵌入式跟踪的32／16位ARM7TDMI-s，并带有64KB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码在最大的时钟速率下运行。对代码规模由严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

较小的封装和很低的功耗使LPC2132特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和16kB的片内SRAM，它也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电

平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统]17[．

LPC2132的主要特性有：

◆16，32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装；

◆低功耗模式：空闲和掉电；

◆通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程(ISP／IAP)：

◆EmbeddedlCE RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪；

◆1个8路10位的A／D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2．44us；

◆1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出;

◆2个32位定时器/外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看

门狗；

◆多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART，2个高速I2C总线(400 kbit／s)、SPI

和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；

◆小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)。

图3-1 LPC2132管脚配置

3．3 LPC2132的主要功能模块

1、片内存储器

LPC2132微控制器使用了冯·诺依曼结构，指令和数据共用一条32位总线。LPC2132的存储器接口可以使潜在的性能得以实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线。这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现，同时使它片内存储器所支持的“快速突发访问模式”得到了充分利用．

LPC2132内部集成了一个16K的片内静态RAM和一个64K的FLASH存储器系统，该存储器可用作代码和数据的存储．对Flash存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行JTAG 接口、通过串行口在系统中编程或通过在应用编程(LAP)．当通过串行口在系统编程时。可以在应用程序运行时对Flash进行擦除和编程，这样为数据存储和现场固件的升级带来了极大的灵活性．

2，管理连接模块

LPC2132的同一个引脚可以具有不同的功能，通过管理连接模块允许将微控制器的管脚配置为不同的功能。外设在激活和任何相关中断使能之前必须连接到相应的引脚，否则认为是无效的。

LPC2132的引脚模块包括3个寄存器：

表3-1：LPC2132的管理连接模块

没有连接到特定外设功能的引脚由GPIO寄存器进行控制，管脚可以动态配置为输入或输出．寄存器可以同时对任意输出口进行置位或清零。输出寄存器的值以及管脚的当前状态都可以读出。

3．UART口

LPC2132包含2个UART口，均具有16字节的收发FIFO，寄存器位置符合16C550工业标准，内置波特率发生器，两个串口具有相同的寄存器。

图3-2 UART0的模式寄存器功能框图

UART0的模式寄存器功能框图如上所示：其中UOLCR用来设置串口的工作模式，UOFCR用于FIFO使能和复位操作；当接受和发送数据时，产生相应的状态标志位UOLSR；通过对UOIER 进行设置，可实现串口的发送、接收、出错中断等。UOIER中的位0为接收中断使能，位1为发送中断使能，位2为线状态中断使能(通信出错中断使能)，若不使能相应的中断，则相应的中断标志不会产生，此时需要通过UOLSR读取串口的状态判断串口操作是否完成。

4、I2C接口

LPC2132包含2个速度为400Kbit／s的I2C总线控制器，I2C是一个双向总线，它使用两

条线：串行时钟线(scL)和串行数据线(SDA)实现互连芯片的控制，并根据地址识别每个器件，不管是微控制器、存储器、LCD驱动器还是键盘接口，每个器件通过唯一的地址来识别，这些器件可以是只接收器件，也可以是发送和接收信息的发送器．发送器和接收器可以操作为主或从模式．

尽管该总线没有并行总线那样大的吞吐能力，但由于连接线和连接引脚少，因此其构成的系统价格低，器件间总线简单，结构紧凑，而且在总线上增加器件不影响系统的正常工作，系统修改和可扩展性好。即使有不同的时钟速度的器件连接到总线上，也能很方便的确定总线的时钟，因此它在嵌入式系统中得到了广泛的应用．

第四章系统硬件设计

硬件部分是红外测温仪工作的基础，一个优秀的计算机嵌入式系统产品，往往具有良好

的硬件系统结构。硬件电路设计不仅需要考虑电路的基本组成结构，也要考虑到嵌入式系统的小型化和低功耗的要求．本章主要围绕这两个方面对红外测温仪的硬件设计作了说明．

4．1系统总体设计

由于本系统需要测量的是中低温物体的表面温度，且考虑到成本因素，所以本文采用全辐射测温方案，即通过测量目标发出整波段的辐射功率来测量物体温度，红外测温仪的组成如图4．1所示，主要由光学系统、光电探测器，信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，光电探测器用来将聚焦在光电探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大器、滤波器进行信号调理，并送至微控制器进行模数转换及信号处理，最后再经过目标辐射率修正后转换为被测目标的温度值．

图4-1红外测温仪系统框图

4．2光学部分的设计

4．2．1热释电传感器的选择

热释电红外传感器是最常用的红外探测器之一，系统采用德国海曼公司的LH878热释电传感器作为探测器，LHl878是一种双元探测器，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性．

LHI878芯片的主要性能如表4—1．

热释电红外测温仪的视场由菲涅耳透镜决定，菲涅耳透镜主要用来提供聚焦作用，本系统设计采用的是反射式红外测温仪。因此菲涅耳透镜在这里面的功能就是把来自多个方向的红外信号有效地集中反射到传感器上，同时滤除一些波长大于红外线的噪声信号，本文采用的菲涅耳透镜为光束式透镜，其有效探测距离达30米，可使测温仪用来探测远距离目标的表面温度。

表4-1 LHI878主要性能

4．2．2斩波器的设计与控制

热释电型探测器只能检测温度差，它可以直接用来制作自动门的开关、防盗器等，但是对于恒定的温度信号，即使目标物体温度再高，其输出也是零。解决的途径就是使用斩波器，斩波器把接收到的光信号变成交替变化的光信号，再经过热释电探测器后生成交流信号，本系统所使用的斩波装置如图4．2所示，它分成1O个明区和10个暗区，当它以一定的速度周期转动时，每转动一周，探测器接收到的信号变化10次，探测器发出10个脉冲信号。探测器接收到的是被测物体与斩波器表面的温度差，当被测物体的温度高于斩波器的温度时，输出为正值，反之则为负值，只有两者的温度相同时输出才为零。

图 4-2载波器示意图

4．2．2．1步进电机的特点

斩波器需要转动才能对探测器接收的红外信号进行调制，既可以用步进电机也可以用继电器驱动，本系统采用步进电机来控制斩波器的转动，步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电动机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，由于它可以直接接收来自计算机的数字信号，而不需要进行数，模转换，所以用起来特别方便，适用于对

精度要求比较高的工业过程控制场合．

步迸电机具有以下优点：

1、步距值不受各种干扰因素的影响，电压的大小、电流的数值和波形、温度的变化，相对来说，都不会影响步距值。步进电机转子的转速主要取决于脉冲信号的频率，而转子转动的总位移量取决于总的脉冲信号数．

2、误差不长期积累

步进电机每走一步所转过的角度(实际步距值)与理论步距值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意一定的步数以后，也总有一定的累积误差，但是每转一圈的累积误差为零．所以说步距的误差不长期累积．

3、控制性能好

步进电机的启动、停止、反转及其他任何行为的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。

步进电机由于其独特的优点，使得当它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可使系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度。正因为如此，本系统采用了步进电机来控制斩波器的转动，使光信号变成一个周期的脉冲信号传递给热释电传感器。

4．2．2．2步进电机驱动芯片的选择

驱动芯片采用美国Allegro公司推出的A3972]18[，A3972是美国Allegro公司生产的PWM

恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达50V，驱动电流达1．5A，一个A3972即可驱动一台二相步进电机．芯片内部的PWM电流控制电路可通过串行接口被设置为电流慢、快、混合衰减模式。它可以工作在整步、半步、l/4步、l／8步、1／16步，1／32(微步距)多种方式下。其特有的3种电流衰减模式可以使步进电机工作在不同的负载和转速下，而且都能获得较理想的电流波形通过电机的电流是由电路内部的6位数，模转换器(DAC)输出和外部参考电压来共同决定的。其中的6位DAC决定了输出电流有64个等级。因此，DAC 的值每增加1，输出电流会增加最大电流I-max的1．56％。另外，A3972还能提供完善的保护措施，其中包括抑制瞬态电压、过热保护、防止电流直通、欠电压自锁等功能．步进电机的控制信号由LPC2132的脉宽调制器输出口P0．0产生的频率为100Hz、占空比为50％方波信号驱动步进电机，在1／32微步距下，电机每次转动22．5度角，每转动32步转动一周，根据斩波器的特点以及系统的要求，步进电机的控制频率设为31．25Hz，其电路如图4-3所示，其中A3972的lO、11、12引脚分别为A3972串行接口，分别连接到LPC2132的P0．14、P0．19、P0．15引脚。微控制器通过它来控制芯片A3972，其中STORE为使能信号端，CLOCK 为时钟信号端，DATA为数据输入信号端。在开始写操作前置使能信号STORE为零，利用CLOCK 时钟信号的上升沿将数据输移入A3972的内部移位寄存器，当数据字全部移入后，STORE引脚置高电平，完成一个控制字的输入．

A3972与微控制器LPC2132的连接如图4-3所示：

图 4-3 步进电机驱动电路

4．3信号处理电路

由于本系统测温仪测温范围在中低温区段，目标信号十分微弱，大多掩埋在强噪声之中，如探测器与周围环境热交换的起伏引起的热噪声、电子器件的复合噪声及其它广白噪声等

19

[。信号处理电路部分主要采用锁定放大]20[的方式对传感器的输出信号进行处理，锁定放]

大器的基本结构如图所示：包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器等．

图 4-4 锁定放大器原理图

信号通道对热释电传感器的信号进行放大，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测器的动态范围；参考通道一般为正弦信号或方波开关信号，通常采用系统内原先用于调制的载波信号或者用于斩波的信号，同时对参考输入信号进行移相处理，以使各种不同的相移信号检测结果达到最佳．

本系统的信号输入通道包括以下几个部分：前置放大器、带通滤波器、主放大器。参考

通道部分主要功能是对斩波信号进行移相，以确保检测结果最佳。各个部分的详细设计如下：4．3．1信号放大电路

当光信号经过斩波器和热释电探测器后，就变为交变的脉冲信号，由于热释电探测器接收到的辐射信号很微弱，需要经过放大后才能供后续电路进行处理，前置放大器是引入噪声的主要部件之一，它产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大，所以前置放大器中有源器件的选择是非常重要的。

由于大部分红外探测器输出的信号十分微弱，只有微伏或纳微伏数量级，因此前置放大器必须是高增益和低噪声的。高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进一步再做处理；低噪声是为了保持尽可能高的信噪比．

由于前置放大器的放大倍数不能做的太大，所以本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理，前置放大器的噪声系数对整个检测系统的噪声具有决定性作用，本系统所设计的前置放大部分采用低失调精密运算放大芯片AD707，其主要功能参数如下：

(1)偏移电压：<15uV

(2)失调电压：>0.1Uv/℃

(3)输入偏置电流：<=LnA

(4)共态抑制比：>130dB

(5)电源电压抑制比：>120dB

(6)转换速率：O．3V／us

(7)闭环带宽：0．9MHz

本系统的前置放大器的电路图4．5如下：

图 4-5 前置放大电路

图中电容C23用于滤除信号中的直流信号，电路的增益为11。

主放大器电路采用集成运放OP07，其特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪用放大器、传感放大器等场合，电路中R53是阻值为100K的可调电位器，用来对传感器输出信号的增益进行调节．

图 4-6 主放大器电路

4．3．2带通滤波电路

当信号经过放大后，其宽带噪声较大，因此在前置放大器和后级放大器之间加了带通滤波器来抑制宽带噪声，提高信噪比．但带通滤波器的带宽不能做得太窄，否则当温度发生变化时，信号的频谱有可能偏离带通滤波器的通频带而导致测量误差。根据本系统测温需要，系统采用二阶无限增益多路巴特沃斯型带通滤波器，其中心频率设计为30Hz 左右，带宽在10Hz 左右．

相应的电路如图4．7：

图 4-7 带通滤波电路 经过查表计算：其通带增益95.0)

(7610712-=+?-=C C R C R K p 固有角频率7612111011100C C R R R R R W +=

阻尼度)

(111076121110R R C C R R R +=α 4．3．3移相电路

移相电路的作用是将来自LPC2132的PWM 端口的斩波的信号进行频率迁移，使得对热释电传感器的输出检测效果最佳.经过频谱迁移，传感器的输出信号频谱由w=wo 处迁移到w=0处。

图 4-8 移向电路

图中实现的是0℃一180℃移相电路，由场效应管和RC 电路构成。由于场效应管的输入电阻极高，故对RC 移相电路影响甚小。同时，为了避免负载的影响，增加了源极输出器．

4．3．4相敏检波电路

相敏检测器是锁定放大器的核心部件，相敏检波器既鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取决于输入信号与参考信号的相位差．本系统采用电子开关式相敏检测器，具有动态范围大、抗过载能力强、电路简单、运行速度快等特点。

图 4-9 相敏检测电路

图4-9中，4V 为传感器经过主放大器后的输出信号，5V 为LPC2132的PWM 端口的发出的经过移相后用于斩波调制的脉冲信号，6V 为5V 的反相电压，通过5V 加一反相器实现。图中电阻3332312928272

1R R R R R R =====，在5V 为高电平的半周期，2Q 导通，1Q 截止，OP07的同相端接地，输出电压429

283347V R R R V V -=+-=；在5V 为低电平的半周期，2Q 截止，1Q 导通，OP07反相端接地，输出电压.1429333231273247V R R R R R R V V =???? ??+?++=

经过相敏检波器后，探测器的输出信号变成单向的脉冲信号，有利于信号的数据采集。

4．3．5低通滤波电路

当探测器的传感器信号经过放大电路、带通滤波电路和相敏检测电路后，里面仍混有一定的高频噪声，因此需要加一个低通滤波电路来抑制噪声，改善锁定放大器的信噪比。只要低通滤波器的时间常数RC 越大，等效噪声带宽越窄，其抑制噪声的能力越强；但是RC 越大，其响应速度越慢，所以在设计低通滤波器时需要选择一个合适的RC 值．

系统中采用的低通滤波器为二阶无限增益巴特沃思型低通滤波器，其电路简单，具体的连接电路见图4-10:

热释电人体红外线传感器

年代末期出现的一种新型传感器件。现在，已得到越热释电人体红外线传感器是上世纪80一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。来越广泛的应用。目前，本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。 一、热释电人体红外线传感器的基本结构和原理 ，德国产的SD02PH5324、目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的公司的CERAMICP2288，日本NIPPON LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部RS02DSCA02-1、分可以彼此互换使用。 由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部（以下简称：传感器）热释电人体红外线传感器为它们的顶视图，其中较大的1a的外形图。图P2288分组成。图1为、SD02、SCA02-1为1b1mm。图矩形部分为滤光窗，两个虚线框矩形为敏感单元，面积约2x1mm2 ，间距的数据，，其中参数为SCA02-11c为底视图；它们的监视、探测角度如图1a、侧视图；图d 其它两种的参数大致相同。 1.敏感单元 SD02对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。其内部结构见图1a及图2如，。制成。这些材料再做成很薄的薄片，每一由LiTaO3 P2288的敏感单元由锆钛酸铅制成；、P12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，如图中的。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，P2但这两个电容的极性是相反串联负电荷。极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。 P1、P2当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，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P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能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。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；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。 当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。 从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5~15um）的响应决定了传感器只对外界的红外传感所以，而这种变化对人体而言就是移动。线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感， 它可以抗可见光和大部分器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；红外线的干扰。 2.滤光窗 ，滤光窗能有效地滤除2中的M它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，如图，

热释电红外线传感器

HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。 ?7m范围内 100度锥角即可检测到！ : ?功能特点 1、全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。 2、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。 3、温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。 4、两种触发方式：（可跳线选择） a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；

b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。 5、具有感应封锁时间(默认设置:2.5S封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。 6、工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。 7、微功耗:静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。 8、输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。 : ?使用说明 1.感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出 0-3次，一分钟后进入待机状态。 2.应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。 3.感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。

热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用

热释电PZT薄膜材料及其在红外探测器的应用王幸福无机非金属材料工程 080308113 摘要：对敏感元材料锆钛酸铅( PZT) 铁电薄膜的制备、结构和性能, 热释电 材料分类, PZT热释电材料的性质及PZT红外探测器作了简易介绍、该研究为铁电薄膜在热释电红外探测器中的应用奠定了基础。 关键词: 热释电材料; 热释电红外探测器。 引言 公元前372 年, 人们观察到电气石的热释电效应。到19 世纪末, 关于热释电效应定量的和理论的研究开始增多。20 世纪60 年代, 激光和红外技术的发展, 促进了热释电效应及其应用的研究, 至今发现和改进了系列重要的热释电材料,研制出了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等器件。,尽管人们很早就发现了红外线和热释电效应,但受到红外探测元件的限制, 红外遥感技术发展非常缓慢。一个重要的原因是热释电探测器的核心元件———热释电材料的研究进展非常缓慢, 目前用于红外焦平面列阵器件的材料只有锆钛酸铅(PZT), 钛酸锶钡(BST)和钽钪酸铅(PST)等【1】. PZ T 薄膜是一种很重要的钙钦矿型材料, 它们所具有的优越的压电性【2】和热释电性已被广泛应用到射频声波滤波器【3】、微电子机械系统【4】和非致冷红外传感器中【5、6】.由于其优越的铁电性( 如高剩余极化强度、低矫顽场) Pz T 薄膜被广泛实际应用于非挥发性随机存储器【7】等各个相关领域。热释电材料及其应用研究已成为凝聚态物理和技术中活跃的研究课题之一。 一．热释电的性质及分类 1.1热释电材料的性质 晶体由于受热温度变化而导致自发极化发生改变，在晶体的一定方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效应(pyroelectric effect)。在整个晶体中,温度均匀地发生微小变化ΔT与自发极化强度Ps的关系可用式表明： P =p ΔT 式中的p为热释电系数，用来描述热释电效应的强弱。 热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。自发极化的产生原因是物体本身的结构在某方向上正、负电重心不重合而固有的。晶体的32种对称类型中有21种晶类没有对称中心，有10种晶类具有热释电效应。当温度发生变化时，引起晶体结构上的正负电荷重心相对位移，从而使得晶体的自发极化发生改变，与极化强度方向垂直的晶体表面就会产生热释电电荷。是，通常自发极化所产生的表面束缚电荷被屏蔽，因为如果这种材料是导体，那么它的自由电荷分布将与内电偶极矩相抵消；如果是绝缘体，则杂散电荷被吸引而趋附在表面，直到与极化引起的表面电荷相抵消。只有在晶体受热或冷却，所引起的电偶极矩不能被补偿的情况下，晶体两端产生的电荷才能表现出来【8】。 1.2热释电材料的分类

热释电红外线传感器的工作原理

热释电红外线传感器的工作原理 热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。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。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。 （1）热释电红外线传感器应用电路图如下： 主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。 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。 人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um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7~10--um，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。

热释红外传感器实验

热释红外传感器实验 学院：计信专业：自动化 姜木北 【实验目的】 1. 理解热释红外传感器的工作原理； 2. 掌握热释红外传感器的使用方法。 【实验设备】 1. 装有IAR 开发工具的PC机一台； 2. 下载器一个； 3. 物联网多网技术综合教学开发设计平台一套。 【实验原理】 1. 热释红外传感器简介 普通人体会发射10um左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。如图 1.127所示： 为了增强敏感性并降低白光干扰，通常在探头的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光透镜，菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场视场越多，控制越严密。传感器的光谱范围为1～10μm，中心为6μm，均处于红外波段是 由装在TO－5型金属外壳的硅窗的光学特性所决定。 热释电红外传感器不但适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及X射线、γ射线工业无损检测。本实验所使用的热释电传感器输出信号为高低电平，当检测到人时输出高电平，否则输出低电平。 【电路连接】 热释电（人体红外）传感器和CC2530节点电路连接如图 1.128所示：

热释电红外传感器模块原理与使用.

热释电红外传感器模块原理与使用 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等。 热释电传感需内部结构 J企福diy科孝據宪孝习网 热释电原理： 热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。

人体温36?37度，会发出10um 左右的红外线,当无人体移动时，热释电红外 感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电 红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的 红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。 传感器模块感应范围 输出引脚图 热释电人体红外传感器只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。 不加菲涅尔 透镜时，该传感器的探测半径可能不足 2m 配上菲涅尔透镜则可达10m 甚至更 远。菲涅尔透镜是用普遍的聚乙烯制成的， 安装在传感器的前面。透镜的水平方 向上分成三部分，每一部分在竖直方向上又分成若干不同的区域， 所以菲涅尔透 镜实际是一个透镜组，当光线通过透镜单元后，在其反面则形成明暗相间的可见 区和盲区。每个透镜单元只有一个很小的视场角， 视场角内为可见区，之外为盲 区。而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，更不交叠，却都相隔一个盲区。当 人体在这一监视范围中运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场， 又走出这一视 场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到， 一会又看不到，再过一会儿又看到， 然后又看不到，于是人体的红外线辐射不断改变热释电体的温度，使它输出一个 又一个相应的信号。输出信号的频率大约为 0.1~10Hz ，这一频率范围由菲涅尔 透镜、人体运动速度和热释电人体红外传感器本身的特性决定。 安装使用注意事项: 1、应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产 生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。 2、感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（ A 元B 元）位于较长 方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时 ，红外光谱到达双元的时间、距 离有差值，差值热释电传感蒔爍块

热释电红外感测器PIR的原理

图3、电源电路 BISS0001的可重复触发/不可重复触发模式通过R22、R36来设置，使晶片A引脚为高电平或低电平来决定模式。A为高电平的时候，晶片处在可重复触发模式；A为低电平的时候，晶片处在不可重复触发模式。 输出延迟时间Tx由R16、R17、R12和C14来设定。R15和C12决定输出控制信号的触发封锁时间。 Tx=24567*R*C14，其中R=R16，R17，R12。 Ti=R15*C12*24。 Vo为输出控制信号，根据不同的运用可以将Vo接光电偶合器的输入端进行大功率的开关控制；也可以将Vo接RF发射电路的触发信号，通过Vo控制RF电路发射输出“开”信号和“关”信号。 三、硫化镉光敏电阻（以下简称CDS） CDS是一种光导器件，当光照射到CDS上时，其电阻值会发生变化。光照越强，CDS的阻值越小。在没有光照的情况下测得的CDS阻值为“暗电阻”，通常为几MΩ到几十MΩ；在有光照的情况下测得电阻为“亮电阻”，在光强度为10Lux的时候，亮电阻通常为几KΩ到几百KΩ。通常对於一个CDS元件，它的暗电阻越大并且亮电阻越小，则说明它的灵敏度越好。 图4、CDS实物和结构图 CDS的光谱回应范围为350-800nm，峰值在520-620nm之间。CDS在可见光环境里灵敏度高，结构简单，成本低。CDS光敏电阻的实物和结构如图4所示。

CDS的工作状态的稳定性可以通过γ值来说明。一般均按10Lux和100Lux照度条件下，CDS的对应阻值R10和R100来计算其γ值。 γ=lg（R10/R100） CDS的γ值在0.55～0.98之间。在这里，Lux为发光强度的衡量单位，指的是1流明（lumen）的光通量（Luminous flux）均匀地分布在1平方米面积上的照度。具体的，每平方米的面积上，受距离一米、发光强度为1烛光的光源,垂直照射的光通量。适宜於阅读的光照强度约为60Lux。 CDS在较宽的测光范围内，γ值不能保持一致，特别是在高、低照度时，γ值差异较大；在低照度时回应缓慢，存在光滞效应；受环境温度的影响较大。基於上述的这些原因使得CDS光敏电阻不宜作线性检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。另外，CDS的性能还可以通过其他特性表现∶ （1）光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系叫做光敏电阻的光照特性； （2）光谱特性。对不同波长的光，光敏电阻的光谱灵敏度不同，而且不同种类光敏电阻的峰值波长也不同； （3）伏安特性。在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性； （4）温度特性。温度特性是电阻和灵敏度受温度影响的变化特性，随著温度的升高，其暗电阻和灵敏度都会下降。 四、热释电红外感测器PIR的原理 PIR的作用是将感应到的光谱转换成电信号，它能感应的光谱波长为8~12um。任何有温度的物体都会发出红外线光谱，不同的温度的物体所发出的光谱波长不一样，人体的温度通常为37℃左右，所发出的光谱波长为10um左右。图5给出了PIR的一个实物图。 图5，PIR的实物图 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而极性相反的电荷，这种现象被称为热释电效应。PIR正是利用热释电效应将人体与环境的红外线产生热量的差异转换成电压。而完成热电

热释电红外传感器简介

Pyroelectric infrared sensor Preface Pyroelectric infrared sensor is a very potential applications of the sensor.It can detect people or animals, the infrared transmitter and converted into anelectrical signal output. As early as 1938, it was proposed detection using pyroelectric infrared radiation effect, but not taken seriously. Until the sixties, with the laser, infrared technology is developingrapidly, it has contributed tothepyroelectric effect and research on pyroelectric crystals application development. In recent years, along with the rapid development of integrated circuit technology, as well as the characteristics of the sensor depth study of the relevant application specific integrated circuit processing technology is also growing rapidly. This article first describes the principle of the pyroelectric sensor, and then describe the relevant ASIC processing technology. Pyroelectric effect In nature, any more than the absolute temperature (-273K) objects will have infrared spectra, objects at different temperatures the wavelength of infrared energy released is not the same, so the level of infrared wavelengths is related to temperature, and radiation energy size and surface temperature. 1μm wavelength of visible light is usually less, but more than 1μm light the human eye can not see, but can be an appropriate instrument to detect the energy oradiation. When some of the crystal is heated, the crystal will have an equal number of both ends of the opposite sign of charge, such as heat of changes in the polarization phenomenon, known as the pyroelectric effect. Typically, the crystals produced by the spontaneous polarization bound charge is attached to the air from the surface of free electrons in the crystal and in its

热释电红外传感器工作原理讲解学习

1 概述 随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客?现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全?由于红外线是不可见光,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?此外,在电子防盗?人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉?技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎? 目前国内使用的各类防盗?保安报警器基本都是以超声波?主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础?而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器?这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物?热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制?接近开关?遥测等领域?用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点: ●不需要用红外线或电磁波等发射源? ●灵敏度高?控制范围大? ●隐蔽性好,可流动安装?

2 热释电红外传感器的原理特性 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器?不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶,其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂?硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化?为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出?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?由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ,故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换?热释电红外传感器由传感探测元?干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成?设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元?由于加电极化的电压是有极性的,因此极化后的探测元也是有正?负极性的? 图1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图?使用时D端接电源正极,G 端接电源负极,S端为信号输出?该传感器将两个极性相反?特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰?它利用两个极性相反?大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿?对于辐射至传感器的红外辐射,热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号? 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料,它的探测波长范围为0.2~2 0μm?为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度,该传感器在窗口上加装了一块

热释电红外传感器简介

热释电红外传感器简介 被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的。被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钦错酸铅P(zT)等)的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。 热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。 当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体(如墙壁、家具等)在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射

能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号U，送往报警器，发出报警信号。红外探测器的探测波长为8~14um，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。 由于被动式红外技术具有监测距离较远，灵敏度较高，节能价廉等优点，本课题采用红外探测器作为报警探测器，并在设计中增加了自动声光报警的功能，使报警系统更加趋于完善。 2 热释电红外传感器电路图 热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。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。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。 图2-3为热释电红外传感器的内部电路框图。

热释电人体红外线传感器(电子技术课程设计及实训)

成绩： 课程设计与实训报告书 所属课程名称电子技术课程设计及实训 项目类型自动控制和检测电路 题目热释电人体红外线检测电路 分院机电学院 专业、班级测控技术与仪器 B1003 学号 0614100332 学生姓名郑飞 指导教师于洪泽 20 年月日

目录 1 课程设计任务书---------------------------------- 1 2 项目类型设计 ----------------------------------------- 2 1.目前市场概况 --------------------------------------- 2 2.该电路设计的用途及实际应用情况---------------------- 2 3.该电路设计旨在解决的关键问题------------------------ 3 3原理设计----------------------------------------------- 4 1.电路图 --------------------------------------------- 4 2. 原理分析 ------------------------------------------ 4 3.主要元器件功能介绍---------------------------------- 5 4.估算安装调试检测点的电位---------------------------- 6 5. 所需元器件清单 ------------------------------------ 7 4布线设计----------------------------------------------- 8 1.布线设计见附录1 ------------------------------------ 8 2.实图如下 ------------------------------------------- 8 5安装调试及结果分析------------------------------------- 9 6总结--------------------------------------------------- 9 7 参考文献 -------------------------------------------- 9

热释电红外报警实验

热释电红外报警实验 一、实验目的 了解热释电红外传感器的工作原理及热释电效应，了解热释电红外报警器的的电路设计方法和调试，掌握热释电红外传感器的使用。 二、实验原理 1、热释电效应原理 当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度P s下降，表面电荷减少，相当于“释放”一部分电荷，所以起名叫热释电。释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到Tc（居里温度）值时，自发极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零，热释电效应原理如图1-11所示。 因此，热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。当面积为A的热释电晶体受到调制加热，而使其温度T发生微小变化时，就有热释电电流。

i = AP学,A为面积，P为热电体材料热释电系数，巴是温度 dt dt 的变化率。 2、热释电红外报警实验原理 热释电红外报警电路，由传感器、检测放大电路、比较输出电路、驱动延时电路、继电器等组成，实验原理图如图1-12所示。 传感器及放大滤波部分：D为电压输入端，允许输入电 压1-15V。S为信号输出端，与后级电路连接。G为接地端。 因其输出形式为电压信号且非常微弱，故需要进行阻抗变换和信号放大。R2作为热释电传感器的负载，通过C2耦合到 前级放大器A1，A1的增益为27倍，且由C4, R6组成了滤波网络对采集信号进行放大滤波。同理A2组成一个低通反 馈放大器，增益150倍。经此两极放大滤波后信号被放大到4000倍以上。其中R1，C1为退耦电路，R3，R5为偏置电路。A 1输出后的信号经C 5耦合到后级放大器A2 , A2在静态输出时约为4.5V。 C3, C9为退耦电容。 比较输出部分：A3组成比较电路，当无报警信号输入时，其反向端电压大于同向端电压，比较器输出负电压，不能驱动后级电路产生报警信号，当有人入侵，有报警信号产生，比较器翻转输出正电压，驱动后级电路报警。调节RP 可使比较器同向端电压在 2.5-4V之间变化，从而起到调节灵 敏度的作用。

热释电人体红外线传感器

热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在，已得到越来越广泛的应用。目前，一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。 一、热释电人体红外线传感器的基本结构和原理 目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。 热释电人体红外线传感器（以下简称：传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。图1为P2288、SD02、SCA02-1的外形图。图1a为它们的顶视图，其中较大的矩形部分为滤光窗，两个虚线框矩形为敏感单元，面积约2x1mm2 ，间距1mm。图1b为侧视图；图1c为底视图；它们的监视、探测角度如图1a、d，其中参数为SCA02-1的数据，其它两种的参数大致相同。 1.敏感单元 其内部结构见图1a及图2。对不同的传感器来说，敏感单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LiT aO3 制成。这些材料再做成很薄的薄片，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，如图2中的P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，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P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能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。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；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。 当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。

热释电材料及其应用

热释电材料及其应用 王文瀚12S011029 1 热释电效应 热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。 考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用。通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。 与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则是由应力造成的。属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体具有热释电性，所以常称它们为热释电体。其中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是铁电体。经过强直流电场处理的铁电陶瓷和驻极体，其性能可按极性点群晶体来描写，也具有热释电效应。 2 热释电效应的描述 热释电效应的强弱由热释电系数来表示，假设整个晶体的温度均匀地改变，则极化的改变可由下式给出： , 1,2,3m m P p m T ?==? 其中P 为极化强度，T 为温度，其单位为cm -2 K -1。热释电系数符号通常是相对于晶体压电轴的符号定义的。按照IRE 标准的规定，晶轴的正端沿该轴受张力时出现正电荷的一端。在加热时，如果靠正端的一面产生正电荷，就定义热释电系数为正，反之为负。铁电体的自发极化一般随温度升高而减小，故热释电系数为负。但相反的情况也是有的，例如罗息盐在其居里点附近自发极化随温度升高而增大。在研究热释电效应时，必须注意边界条件和变温的方式。因为热释电体都具有压电性，所以温度改变时发生的形变也会造成极化的改变，这也是对热释电效应的贡献。 在均匀受热(冷却)的前提下，根据实验过程中的机械边界条件可将热释电效应分为两类。如果样品受到夹持(应变恒定)，则热释电效应仅来源于温度改变造

人体热释电红外传感器PIR原理

1.人体热释电红外传感器PIR原理详解 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 被动式热释电红外探头的工作原理及特性： 人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm 左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 (1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10μm 左右的红外辐射必须非常敏感。 (2)为了仅仅对红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 (3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 (4)一旦人侵入探测区域，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 (5)菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 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： 1.防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测围地面上地小动物，一般不产生报警。 2.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。 3.抗灯光干扰 探测器在正常灵敏度的围，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，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： 1.红外线热释电传感器应离地面 2.0-2.2米。 2.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。 3.红外线热释电传感器探测围不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

热释电红外传感器

用单片机做智能台灯 摘要：设计制作了一种智能台灯，主要是以BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。其特点是在有人时且外界光强较弱时能自动开灯，无人时关灯，节约能源；且能纠正坐姿，防止近视。 关键词：节能;纠正坐姿;BISS0001 一、引言：台灯已是千家万户的必需生活用品，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。当夜晚来临时，人们又摸黑去开灯，非常不方便。在这里设计了以人体红外辐射（波长为9.5um）传感控制电路。当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯；当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭。当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。 二、系统组成及电路设计： 1. 系统组成部分 图一系统结构图 本系统组成如图一所示，主要由三部分组成： 1) 传感器及信号处理部分：检测人体辐射红外信号及光强信号经过处理后变成可处理的数字信号 2) 以80C51组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令 3) 提醒电路及灯光控制电路：给出提醒信号并根据80C51给出的命令控制灯光 整个系统是以80C51控制下工作的。其工作过程为：当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了80C51处理过程。当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作。热释电红外传感器1探测比较远的距离，当人体进入到传感器1的控测范围内且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，80C51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当环境光比校弱时，且人体过于靠近桌面，热释电红外传感器2检测到信号，同时了在热释电红外传感器1的控测范围内，信号处理电路同时向80C51发送信号，80C51处理信号根据优先级顺序，屏蔽掉热释电红外传感器1的信号，启动延时电路，发出警报使人离开，若在设定的时间内未离开桌面，则启动灯光控制电路，使灯慢慢熄灭。当人体离开热释电红外传感器2的控测范围且在热释电红外传感器1的控测范围内时，灯光又慢慢变亮。 2. 电路设计部分

热释电大全

3.3.2 热释电红外传感器 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Nippon Ceramic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，大部分可以彼此互换使用。 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3-29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。 图3-29 双探测元热释电红外传感器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。 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。