红外探测系统课程设计.docx
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红外探测系统课程设计.docx
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红外探测系统课程设计
摘要
红外探测器(InfraredDetector)是把接收到的红外辐射转换成一种便于计量的物理量的器件,将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波,人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱,必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来,红外辐射照射物体所引起的任何效应,只要效果可以测量而且足够灵敏,均可用来度量红外辐射的强弱。
现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。
这些效应的输出大都是电量,或者可用适当的方法转变成电量。
关键词:
探测;红外辐射;红外热效应
3.3复位电路4
4系统设计5
4.1系统原理图设计5
5系统仿真与实物制作8
5.1系统调试与仿真8
5.2实物制作8
5.3实物调试10
5.4数据测试10
6总结11
致谢12
参考文献13
1绪论
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。
1800年,英国人赫婿尔用水银温度计发现红外辐射。
1821年,塞贝克发现温差电效应,之后把热电偶、热电堆用于红外探测器。
随后80年间多位科学家相继完成了物体热辐射吸收与发射关系定律、绝对黑体总辐射能量与其绝对温度之间关系定律、黑体分布的峰值与其温度之间关系的位移定律、能量子模型和黑体辐射定律,这些工作为红外技术的发展奠定了坚实的理论基础。
在1910~1920年的10年中,出现了探测舰船、飞机、炮兵阵地和冰山等目标的红外装置,发展了通信、保安、红外测温等设备。
二战期间,出现了红外变像管、光子探测器等,开创了夜视技术。
1952~1953年,美国研制出世界上最早的热像仪,1956年长波热像仪问世……经过200多年的发展现在已经达到相当成熟的应用阶段。
红外探测器环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标,且具有设备体积小、重量轻、功耗低等特点,所以在军事,医疗,工程等领域都得到广泛的应用。
本次设计的红外探测系统采用LY-38火焰传感器模块进行对目标的探测,产生的数字量传送给单片机,单片机根据输入信号控制LED的亮灭和报警器的报警。
通过本次课程设计完成一个具体的红外探测系统,对所掌握的知识进行系统性的梳理和应用实践,同时掌握设计产品的基本思想,培养动手实践能力,在设计制作过程中团结同学,共同克服困难,增强团队合作意识。
为以后步入社会生活打下基础。
2课程设计内容及要求
2.1课程设计的目的及意义
通过查阅资料、接口设计、程序设计、安装调试等环节,完成一个涉及单片机多种资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用。
使学生不但能够将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来,而且能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识进一步加深认识,同时在软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。
使学生增进对单片机的感性认识,加深对单片机理论方面的理解。
使学生掌握单片机的内部功能模块的应用,如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口、串行口通信等。
使学生了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现,强化单片机应用电路的设计与分析能力。
提高学生在单片机应用方面的实践技能和科学作风,培育学生综合运用理论知识解决问题的能力,实现理论结合实际,学以至用的原则。
为日后的毕业设计及科研工作奠定良好的基础。
2.2课程设计任务与要求
利用单片机和红外探测模块YL-38设计红外探测系统并做出实物。
要求系统在靠近火焰时LED闪亮,同时报警。
远离火焰时,LED灭掉,报警关闭。
本系统为最小单片机系统+红外探测模块+报警蜂鸣器+LED。
核心处理器采用51系列单片机AT89C51。
整个系统是在系统软件控制下工作的。
当红外探测装置检测到信号时,信号经放大电路和非门将相应的电平送至单片机的P3.3端口,在单片机内,经查询、识别判决等环节实时发出报警状态控制信号。
驱动电路将控制信号放大并驱动声光报警设备完成相应动作。
当警情消除后复位电路使系统复位。
2.3课程设计所需元器件
AT89C2051单片机、CAP30pf电容、CRYSTAL12MHZ晶振、CAP-ELEC电容、BUTTON开关、RES电阻、LED灯、NPN三极管、SPEAKER蜂鸣报警器、YL-38红外探测器模块。
电源、PCB板。
2.4课程设计技术指标
工作电压:
6V
探测范围:
700纳米-1000纳米范围内的红外光,探测角度为60,其中红外光波长在880纳米附近时,其灵敏度达到最大。
3主要部件工作原理
3.1火焰传感器
火焰传感器,flametransducer火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。
火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。
不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异,但总体来说,其对应火焰温度的1~2μm近红外波长域具有最大的辐射强度。
例如汽油燃烧时的火焰辐射强度的波长。
原理介绍:
远红外火焰传感器能够探测到波长在700纳米~1000纳米范围内的红外光,探测角度为60,其中红外光波长在880纳米附近时,其灵敏度达到最大。
远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化,通过A/D转换器反映为0~255范围内数值的变化。
外界红外光越强,数值越小;红外光越弱,数值越大。
图3.1火焰传感器
3.2晶振电路
在AT89C51单片机上有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
从XTAL1接入,如图3.2所示。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的,所以对外部时钟信号的占空比没有要求。
本设计选用的是12MHZ无源晶振、2个30pF电容,使得一个机器周期是1μs。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号,而两个电容则是起到并联谐振的作用,如果没电容,振荡电路会因为没有回路而停振,电路不能正常工作。
图3.2晶振电路
3.3复位电路
复位电路的作用是在上电或复位过程中,控制CPU的复位状态:
这段时间内让CPU保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。
51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
施密特触发电路是一种波形整形电路,当任何波形的信号进入电路时,输出在正、负饱和之间跳动,产生方波或脉波输出。
不同于比较器,施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区,可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。
如遥控接收线路,传感器输入电路都会用到它整形。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
本设计采用的电容值为10μF的电容和电阻采用10KΩ和100Ω的电阻。
如图3.3所示上电后,由于电容充电,使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时,按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平,从而实现上电且开关复位的操作。
图3.3复位电路
4系统设计
4.1系统原理图设计
系统原理图设计如图4.1所示,分为探测部分电路、复位电路、晶振电路和报警电路。
探测部分电路由于采用红外探测模块,在电路中用一个地和开关代替。
P3.3口外接红外传感器输出信号。
当P1.1口是低电平时D1才会发光,当P1.0口电平不断变化时LSI才会发出蜂鸣。
一直的高电平或低电平时不会发出警鸣。
系统红外探测模块一旦接到红外辐射信号,若接收到的红外辐射强度足够激活红外探头(可通过调节红外探头的最低敏感热辐射来调节敏感程度),即P3.3口由高电平变为低电平,则其输出引脚P1.1的电平将从“1”变为“0”,P1.0口电平不断变化,D1发光,LSI发出蜂鸣。
4.1系统原理图
4.2系统流程图设计
系统流程图设计如图4.2所示。
4.3系统程序设计
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbithw=P3^3;
sbitbell=P1^0;
sbitred=P1^1;
voidDelay()//@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;
}
}
}
5系统仿真与实物制作
5.1系统调试与仿真
1.在Keil中调试与仿真:
创建“红外探测系统”项目,选择单片机型号为AT89C2051,输入C语言,保存为“红外探测系统.C”。
将源程序“红外探测系统.C”添加到项目中,编译源程序,并创建了“红外探测系统.HEX”。
2.在Proteus中调试程序:
打开“红外探测系统.DSN”,双击单片机,选择程序“红外探测系统.HEX”。
单机按钮进行仿真:
3.因为Proteus中没有红外探测器模块,所以在电路中用一个地和开关代替。
4.当P3.3口的接地开关按下后,P3.3口由高电平变为低电平,P1.0口高低电平交替变化。
P1.1口由高电平变为低电平,蜂鸣器响起,LED发光,仿真调试成功。
5.2实物制作
在Proteus中打开ARES并运行。
添加器件的封装元器件。
然后连接电路板。
根据PCB板图的格局,在电路板上合适的安放器件,首先用电烙铁把芯片插座焊接到电路板上,然后再依次把元器件焊接到电路板上,最后用导线连接对应的管脚,距离较近的两个管脚可以直接用焊锡连上。
电烙铁要先预热几分钟,焊接时电烙铁放在电路板上的时间不要太长以免烧坏电路板。
焊完后电路板如图5.3所示。
5.3实物调试
给系统通上电后,放在阳光处时蜂鸣器会响起,LED闪亮;放在避光处时蜂鸣器不响,LED不亮。
5.4数据测试
当报警部分没有驱动时,P3.3口的对地电压为4.75V,P1.0口的对地电压约为0.3V,P1.1口的对地电压约为4.8V。
当报警电路被驱动时,P3.3口的对地电压约为0.4V,P1.0口的对地电压约为2.5V,P1.1口的对地电压约为0.2V。
当探测模块被太阳光照射时报警部分工作,没光照时报警部分不工作,由此得出结论:
实物制作成功。
6总结
单片机这门课是一科非常重视动手实践的科目,不能总是看书,但是也不能完全不看书。
单片机并不像传统的数字电路或模拟电路那样比较直观,原因是除了“硬件”之外还存在一个“软件”的因素。
正是这个“软件”的原因使得开始学习时怎么也弄不懂单片机的工作过程,怎么也不明白为什么将几个数送来送去就能让数码管显示。
使用单片机实际上就是用我们自己编写的软件去控制单片机的各个功能寄存器。
就是控制单片机哪些引脚的电平什么时候输出高电平,什么时候输出低电平。
由这些高低变化的电平来控制外围电路,实现我们需要的各个功能。
在焊接电路板过程中会出现各种问题,元器件焊反,电路焊接短路等等,必须细心地一一解决。
在完成焊接之后,并不能达到理想的效果,电路板会出现各种问题,需要不断的调试改进。
此次完成焊接之后系统始终无法正常工作,通过对电路各部件端点的测量发现是单片机AT89C2051存在问题,单片机AT89C2051作为系统的大脑却无法正确的处理信号指令,输入输出,导致系统接收到信号后无法产生正确的输出,无法控制LED与蜂鸣报警器。
通过此次课程设计,对所学的知识有了比较全面的了解和应用,真正尝试到了理论联系实际的趣味。
此次设计巩固了理论基础知识,加强了ProteusKeil等软件的使用,学会了在实验中应注意什么,怎么样保护元件,怎样采能最准最快的查出错误。
通过连接和调试电路使理论更接近于实际,同时也发现了自己知识的不足,特别是动手能力的缺乏,对以后的学习和实践有了比较强的指导意义。
使我感触最深的是做任何事都要细心,而且要有耐心,怀着执著的心去追求真理。
致谢
在课程设计完成之际,谨向张东阳老师致以最诚挚的感谢。
本课从始至终都得到了张老师的热心指导和关心。
从张老师的身上,我不但学到了老师在课上传授的专业知识,而且也学到了怎样自学,更学到了许多做人的道理。
所谓“送人一鱼,仅供一饭之需;而授之以渔,则终生受用无穷。
”感谢老师及组员们的指导,是他们耐心的讲解,让我明白了制作课程设计论文的思路和方法,在最后还给我提出了许多宝贵的建议让我课程设计的整个过程少走了很多弯路,让我的论文得以顺利完成。
由于知识水平有限,错误在所难免,恳请老师批评指正。
谢谢老师
参考文献
[1]张东阳,李洪奎,岳明凯.单片机原理与应用系统设计实用教程.
[2]侯玉宝.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.电子工业出版社.2008.
[3]陈忠平.单片机原理及接口.清华大学出版社.2007.
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