热释电传感器课程设计总结报告

总结报告2009年3月4号，我们十人在共同的目标——热释电传感器设计下，组成了一个团队，并在以后的四十天里，为我们共同的目标一起努力。第一部分 各周进度报告第三周，我们开了第一次讨论会，大家在认真研读老师给的设计要求的基础上共同讨论了我们设计的主要的功能，及它们的可实现、实用性。经讨论确定了大致的方向，决定在充分查询资料后于11日最终确定设计功能，及组员的分工。经过几天的资料查询，大家对HN911系列模块有了深一步的了解，我们知道他具有从信号接收至控制输出的全部功能。将它的输出端上接单稳态电路(555)可以驱动继电器，然后可以实现对门的控制。然后利用经延时电路处理的高平信号我们可以驱动我们其他模块的运作。然后，我们确定了基于热释电红外传感器设计的附加功能模块：感应式照明模块有人经过时照明灯打开（由LED代替）。计数功能用于统计人流量，每有一个人经过就计一次数，并有数码管显示人数。欢迎／报警语音模块在密码开关控制下，我们的设计可以实现欢迎和报警两种模式。在关门期间，密码开关打开为报警功能，要是有人在门前移动，仪器发出报警声音并两指示灯。在开门期间，密码开关关闭为欢迎功能，有人来时，发出欢迎声音。在功能模块的确定过程中，大家积极开动自己的思维，不断提出意见，给出自己的想法，逐步完善了我们提出的功能模块的设计及实现蓝本。另外我们还对各模块的实际应用价值及使用环境做了讨论。确定主要功能后，我们进行了分工。HN911设计延时及计数模块由张伟、周大进、王小峰负责，密码开关功能由:卜兴华、刘鹏负责，语音模块由:张伦均、左雄、黄奎林负责，光路模块由:周庆伟，张水兵负责。第四周，在跟老师进行交流后了解到HN911模块由于集成度太高并不符合设计要。这周我们完成了元件的初步采购，针对实际买到的元件我们经过讨论对设计原理图进行了调整，并进行了各个模块的调试。最主要的调整在对热释电传感器基础模块的改动，我们采用了自己搭建探测模块的方法，这在一定程度上增加了我们调试的难度，但更锻炼了我们的动手能力。在功能的初步确定及元件的采购过程中我们发现理论设计要与实践相结合，充分考虑设计的可实现性及元器件的成本，是否能买到。在能买到的元件的基础上应及时对设计做出调整，完善各功能模块。在各个模块设计和元件都到位的情况下我们开始了调试工作，这其中真可谓是困难重重 啊，不过经过大家的共同努力我们还是实现了各个功能的调试工作。第六周，在各个模块的调试基本完成后我们展开了最后的工作——焊接，这一部分由周大进同学带领进行。在第三周的设计过程中我们就考虑到模块与传感器衔接的问题，在最后的模块确定时，我们就要求每一个模块的控制信号都必须与我们传感器部分的输出信号相匹配，这在一定程度上减小了我们各模块集成时的难度。调试及焊接过程中的体会，遇到的问题和具体的解决方案将在在各个模块的介绍中详细介绍。第二部分 功能模块原理图及功能介绍1.热释电传感器探测模块(1)工作原理①热释电效应若某些强介电质物质的表面发生变化,随着温度的上升或下降,在这些物质表面上就会产生电荷的变化,这种现象称为热释电效应,是热电效应的一种。在钛酸钡一类的晶体上,上下表面设置电极,在上表面加以黑色膜,若有红外线间歇地照射,其表面温度上升ΔT,其晶体内部的原子排列将产生变化,引起自发极化电荷ΔP,设元件的电容为C,则元件两电极的电压为ΔP/C。另外,需指出的是,热释电效应产生的电荷不是永存的,只要它出现,很快会被空气中的单个离子所结合。因此,用热释电效应制成的红外传感器,往往在它的元件前面加机械式的周期遮光装置,以使此电荷周期地出现,只有测移动物体时可不用。　②热释电传感器的构造热释电红外传感器由以下几部分构成:①具有热释电效应的陶瓷材料;②构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET);③限制入射红外波长的窗口材料;④外壳TO-5型管帽和管座。图1及图2分别为热释电红外线传感器的结构图及电路图,电容的电流发生器输出阻抗高,而且输出电压信号又极其微弱,故在管内的敏感元件FET上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个放大器及厚膜电阻,以达到阻抗变换的目的。在管壳的顶部设有滤光镜(TO-5封装),而树脂封装的则设在侧面。1·内接线　2·氧化膜　3·PZT　4·元件　5·铝件　6·电极　7·接脚　8·FET　9·空洞热释电红外传感器电路图(2)主模块电路结构主电路采用的是BISS00001驱动芯片,它的功能是对PIR感应到的信号进行放大和滤波，使PIR感受到的微小信号转化成我们所需要的数字信号.得到所需要的数字信号后,我们再利用BJT的开关特性,控制其它的功能模块。 BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。下面是它的功能引脚图：　通过对BISS0001的了解,我们设计主模块的电路图：在第一次主模块电路的调试过程中,我们遇到了许多的困难，最初搭出来的电路没有反应,要么就是没有规律的反应。后来在进行了无数次实验后,我们找到了许多问题所在,比如说电路搭错了，元件损坏等原因.再吸取多次失败的教训后,我们较早的搭出了主电路。在主电路的焊接过程中,由于没有注意到保护元件，在主电路焊接完成后,发现电路并不能正常的工作,刚开始怀疑是电路接错或者是芯片被烧坏了，后来经过仔细的检查,原来是PIR探头在焊接的`过程中,不小心给烧坏了。于是在第一次的焊接经验上,我们焊接了第二块主模板电路,并取得了成功。2. 计数器模块本功能模块可用于计算通过该传感器的人数有多少，可以广泛运用于图书馆的人流量、商场的客流量、高速公路上的车流量、野外动物的考察等多个领域。本功能模块基于热释电红外传感模块，由计数器以及显示器三个部分共同构成。当有人通过时，热释电红外传感器输出一个脉冲信号，经过放大、稳压、恒温的处理后（在此不再重复其原理），到达我们的计数器（如下图：IC2~IC6为十六进制计数器74161）。此时计数器由于得到信号的输入，记下一位数。计数器再通过译码显示驱动器（如下图：IC3~IC7为CD451）的作用，与二极管组成的显示器（LND1）连接，显示器上便会出现此次计数的数字。此后，若再有信号输入，计数器便会再计数一次，显示器显示相应的数字。当IC2每计数十次，便从IC2的CO端输出一个进位脉冲，IC4便计数一次。IC4每计数十次，便从其自身CO端口输出一个进位信号，IC6便计数一次。由此可以组成一个百位的计数器。在我们的设计中，我们将IC2 的清零端,加以利用，使我们的模块有了清零功能。在认识了计数器的工作原理后，我们开始设计电路,由于时间所限，如果设计两位的计数器,在焊接时就会带来不便,而且会影响我们整个课题的进程,所以我们就设计了只有一位的计数电路,如下图所示：我们在调试计数器过程中，发现在有一个高电平接入时，计数器有时会发生跳变，原因是TTL芯片引脚悬空是默认为低电平，但作为输入端是必须接高电平或接地，否则会有噪声干扰，可通过接入上/下拉电阻屏蔽干扰。另外若输入信号存在毛刺，也会导致计数器的跳变，目前只是想通过实现触发器的不可重复触发加以解决。用555定时器组成的施密特触发器，具有可调的触发电平，通过改变控制电压的大小我们可以屏蔽一部分毛刺信号的干扰。通过调试，我们找到了合适的控制电压，在7.2V时可以屏蔽干扰实现稳定的计数。但是在快要焊接的时候,我们又重新在面包板上调试了计数器,和上次不同的是,我们的主模块已经焊接出来,这时的输出信号比我们之前调试用的信号稳定,所以在不用555滤波的情况下,我们的计数器也能够正常的计数,所以就省去了555滤波电路。3. 密码锁模块我们用到的主要芯片是GAL20V8B,通过对可编程逻辑器件的学习，我们设计程序,编写了一个简单的并行密码锁，右图为芯片的功能引脚图，其中1脚是时钟输入,2、4、6、脚是密码设置, 3、5、7是密码输入,12脚为接地端,16、17、15、18、19脚为输出,当密码设置同密码输入完全相同时,芯片15脚输出一个高电平,当密码设置同学密码输入不同时,15脚为低电平。在电路调试过程所遇到的问题:当程序在电脑上仿真完全正确后,我们将程序写入芯片中,可是在实际的调试电路中,我们却没能得到所想的结果和功能,后来我们发现,我们的时钟不标准,可是无论我们是用高频的晶振,还是用低频的555电路,都不能使芯片正常的工作,所以在后面的电路的设计中,我们没有用到时序.下图为密码锁的电路结构图,由于GAL对工作电源要求比较高，所以我们采用了一个9V的直流电源进行稳压后对芯片进行供电，密码设置和密码输入分别采用3个电平开关,当开关弹起为地电平接电源负极，当开关闭合时为高电平接电源正极,V0为密码信号的输出。4. 欢迎/报警语音模块我们采用的语音报警芯片是CK9561(四音报警)，该芯片内部集成了四种报警声，它的特点是需要的电压低，电路连接简单,我们利用芯片报警声中的两种，以区分我们的语音模式,一个为正常的欢迎模式，另一个为报警模式,而模式的切换则由密码控制，下面分别是CK9561的功能电路图和我们语音模块的控制电路图：在左图中,开关S1的闭合和断开,可以产生其中的两种报警声,我们将S1换成一个BJT作为自动开关，当密码锁模块送来一个高电平的时候，使S1闭合，语音芯片切换到报警模式,当密码锁模块送来的是低电平时,则为正常的欢迎模式，而芯片主电源则由PIR信号的控制,当PIR感受到有移动的人体后,通过BISS0001的处理的,输出的高电平使BJT导通，将主电源接入语音芯片电路，达到人来铃响的目的。第三部分 成本计算第一次采购基本元器件 ——90元第二次补购热释电探头、芯片等——20元元器件总额为110元。最后焊接在板子上的元件包括:PIR探头1个,透镜1个,BISS0001芯片1块,稳压管1个,7400、4LS161、74LS248、共阴极数码管各1个,LED灯1个,电位器3个,电平开关7个,单刀双掷开关1个,103电容4个,104电容1个,9013三极管4个,10uF电容1个,47uF电容1个,电阻若干,9V电源1个,七号电池7节,扬声器1个,电路焊接板1块。总计40元。