智能節(jié)能窗戶控制系統(tǒng)的設計

智能節(jié)能窗戶控制系統(tǒng)的設計,智能,節(jié)能,窗戶,控制系統(tǒng),設計 畢業(yè)設計報告 (論文 ) 報告 (論文 )題目： 智能節(jié)能窗戶控制系統(tǒng)的設計 作者所在系部： 機電工程 作者所在專業(yè)： 車輛工程 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 尤焜 作 者 學 號 ： 201322413 指導教師姓名： 孟立新 完 成 時 間 ： 2017 年 5 月 27日 北華航天工業(yè)學院教務處制北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 I 摘 要 本系統(tǒng)的主要器件即為控制器件單片機和各種不同類型、不同功能的傳感器，單片機根據接收傳 感器檢測模塊的信號，發(fā)出相應的控制指令，實現(xiàn)開、關窗，聲光報警，等功能，實現(xiàn)窗戶開、關的智能化。 智能窗戶控制系統(tǒng)使用機械傳動控制窗戶的開關與窗簾的開合，機械部分由步進電機提供動力，通過設計動滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。電子自動控制系統(tǒng)部分包含濕度溫度探測傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、煙霧探測傳感器模塊、紅外檢測防盜模塊、換風控制模塊。各傳感器將探測到的變化反映到單片機口，由單片機根據信號的變化 (即電平的高低 )判斷外界環(huán)境的變化，然后根據內部設定的程序發(fā)出命令，控制機械傳動部分實現(xiàn)相應的動作。 關鍵 詞 ： 電機 傳感器 信號 指令 自動控制 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 he of is CU of to of of so to to is by on in CU to of i.e of to of to to to of 目 錄 摘 要 ................................................................................................................. I ................................................................................................................ 錄 .................................................................................................................... 1 第 1章 緒論 .......................................................................................................... 1 題背景 （樣式中的標題 2） ............................................................ 1 題應用情況 （樣式中的標題 3） ......................................... 1 題意義 .................................................................................... 2 內外研究現(xiàn)狀 ................................................................................... 2 題的目的和意義 ............................................................................... 2 第 2 章 設計方案 .............................................................................................. 4 能概述 ............................................................................................... 4 計原理及組成結構 ........................................................................... 4 第 3 章 硬件設計 ................................................................................................ 6 片機概述 ............................................................................................. 6 時鐘 電路設計 ....................................................................................... 9 復位電路設計 ....................................................................................... 9 防盜報警電路設計 ............................................................................. 10 防盜報警設計思路 .................................................................. 10 見紅外傳感器介紹 ............................................................ 10 作原理 ................................................................... 12 放大電路設計 .......................................................................... 14 聲光報警電路設計 .................................................................. 15 濕度檢測電路設計 ............................................................................. 16 濕度檢測電路設計思路 .......................................................... 16 常見濕度傳感器介紹 .............................................................. 16 作原理 .................................................................... 19 有毒氣體檢測電路設計 ..................................................................... 21 有毒氣體檢測電路設計思路 .................................................. 21 常見煙霧傳感器介紹 .............................................................. 21 作原理 ....................................................................... 23 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 紹 .................................................................................... 24 電機驅動電路設計 ............................................................................. 25 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 ...................................................................................... 29 致 謝 .................................................................................................................. 75 參考文獻 .............................................................................................................. 76 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 1 第 1章 緒論 題背景 在我國智能家居也成為近年來一個最熱門的話題之一 ,作為“ 居室眼睛 ”的窗戶也成為了其中必不可少的一部分 ,引發(fā)了不少研究。 智能家居控制系統(tǒng)的應用讓人們在家中能夠享受到更安全、更舒適、更方便的生活，并且 使 生活 更具有人性化 ，而現(xiàn)代家居中，窗戶具有良好的裝飾、采光和阻擋灰塵 空氣循環(huán)的主要途徑 ， 但同時也是盜竊非法進屋的一個重要途徑 ， 雖然現(xiàn)在很多家庭為了防盜通常采用鋼筋結構的防盜網加固在窗戶外，這樣是起到了防盜功能，但一旦發(fā)生火災等緊急情況，窗外的防盜網大大的降低了人們求生或逃生的機會，所以 智能窗戶的基本要求不能降低。 但是當前 大部分 窗戶控制系統(tǒng)在一定程度上不是很完善，而且沒有 安防檢測 功能，在發(fā)生意外時只是開窗或關窗，而使用者完全沒有發(fā)現(xiàn)的意 識； 有的產品沒有 換 風系統(tǒng)，如果當一氧化碳或煙霧超標時，不能以最快的速度排出室內的一氧化碳或煙霧，有的產品沒有紅外感應安防的功能，不能盡快的通知主人可能有小偷進家，所以 “居室眼睛 ” 智能窗戶控制系統(tǒng) 它能在下雨且家中無人時 ,自動關閉以防止雨水進入損壞室內財物 ,室內有害氣體超標則自動開窗 ,有盜賊入內則自動報警 ,當室內溫濕度過高或過低時 ,自動監(jiān)測調節(jié)環(huán)境 ,使窗戶真正的 智能起來 ,就會給人們的居家生活帶來諸多方便，從而進一步提高人們的生活質量。 題應用情況 當前大部分窗戶在有煙霧過大時，或者在下雨天有雨水濺入時都要通過手動去開窗或關窗。在空氣比較悶熱時（超過 26° C），不能自動進行開窗以及通風換風，而且現(xiàn)在很多城市（揭陽、清遠、韶關、廣州，深圳等等） 入肺顆粒物）季均濃度都超過了國家空氣新標準規(guī)定的二級限值 35 微克 /立方米，嚴重危害人體健康，而現(xiàn)在大部分窗戶都沒有過濾裝置，為了提高人們的生活質量，我們可以通過在窗戶上的換風裝置上裝一個 濾器，而且這個過濾器可以手動卸掉，進行定時清潔。現(xiàn)在大多數(shù)的窗戶系統(tǒng)都沒有安防的功能，當有小偷想從窗戶進入偷竊，不能及時發(fā)現(xiàn)，造成很大的損失，所以 在窗戶上裝 紅外檢測防盜 系統(tǒng) ，能夠及時報警，盡量避免不必要的損失等等。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 2 題意義 目前市場上智能家居雖然集成了家居生活有關的設施，但是對于各部分不能做到細致具體的設計，常常忽略了一些必要的功能（如煙霧檢測功能、溫濕度檢測功能、紅外檢測報警功能、自動換氣功能）或者不夠人性化。而窗戶是智能家居的一個重要的組成部分，因此更好地實現(xiàn)窗戶的智能控制和安全防護 提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性顯得尤為重要。 當今世界建筑正朝著智能化方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢也正是人類社會文明程度在一定歷史時期的體現(xiàn)。 多功能智能窗戶系統(tǒng)在我國還剛剛興起，但其發(fā)展前景廣闊，推廣和應用多功能窗戶系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)在使用的窗戶大多數(shù)是單純的推拉式或平移式的，并且與自動控制 毫不沾邊 ， 更不用說智能化了。如果使窗戶具有一定的智能 ， 如下雨則自動關、室內有害氣體超標則自動開、有盜賊入內則自動報警等 ， 就會給人們的居家生活帶來諸多方便 ， 從而進一步提高人們的生活質量。沿著這樣的思路 ，本文 設計了以 片機為中央控制器的智能窗。 內外研究現(xiàn)狀 多功能智能窗系統(tǒng)在我國還剛剛興起，但其發(fā)展前景廣闊，推廣和應用多功能智能窗系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。 該產品可以形成大規(guī)模生產，普及全國市場，產生巨大的經濟效益。另外，該多功能智能窗還可以廣泛應用于賓館、飯店、寫字樓、會議廳、學校、醫(yī)院等各種公共場所，因此該產品具有廣闊的市場前景。其一，改變人們的生活方式。單片機控制的多功能智能窗有豐富的智能化功能，為家庭用戶營造了一個高效、舒適、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。 題的目的和意義 該多功能智 能窗能自動識別室內外環(huán)境并根據環(huán)境不同驅動電機正反轉，開啟或者閉合窗戶。給人們日常生活帶來極大的方便。這些都將改變人們傳統(tǒng)的生活方式，并提高了人們的生活質量。其二，牽動一大批產業(yè)。單片機控制的多功能智能窗產品面向家庭用戶，其應用市場是龐大的，發(fā)展前景也是廣闊的，必將吸引大批各類企業(yè)介入，從而牽動一大批產業(yè)的發(fā)展。其三，開拓一個嶄新的市場。多功能智能窗系統(tǒng)牽動了許多的行業(yè)，有利于其它相關行業(yè)的發(fā)展。 本設計北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 3 希望開發(fā)一種在普通窗的基礎上改進的智能關窗裝置，該裝置裝有傳感器，能夠根據室內外環(huán)境自動實現(xiàn)開關窗 。 因此開 發(fā)一款基于單片機的多功能智能窗系統(tǒng)是很有必要的。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 4 第 2 章 設計方案 能概述 “ 居室眼睛”智能窗戶控制系統(tǒng)分為兩部分設計即電子自動控制部分和機械傳動部分，電子控制部分使用 片機為核 成多種傳感器實現(xiàn)監(jiān)測控制 ;機械傳動部分設計在窗戶上安裝步進 電機，實現(xiàn)精確控制窗戶和窗簾的開啟。 設計實現(xiàn)如下功能 : 霧值 、亮度值 、系統(tǒng)時間 度值、煙霧上下限值功能 外遙控自動開 |關窗戶功能 關窗戶功能 關窗戶 可燃氣體達到設定值時，窗戶自動開啟并且報警 和啟動換風功能 計原理及組成結構 智能窗戶控制系統(tǒng)使用機械傳動控制窗戶的開關與窗簾的開合，機械部分由步進電機提供動力，通過設計動滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。電子自動控制系統(tǒng)部分包含濕度溫度探測傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、煙霧探測傳感器模塊、紅外檢測防盜模塊、換風控制模塊。各傳感器將探測到的變 化反映到單片機口，由單片機根據信號的變化 (即電平的高低 )判斷外界環(huán)境的變化，然后根據內部設定的程序發(fā)出命令，控制機械傳動部分實現(xiàn)相應的動作。 該系統(tǒng)是基于 51 單片機控制多功能智能窗的設計，能根據外界的天氣情況和室內空氣情況來控制窗體的開啟和關閉。系統(tǒng)的主要模塊包括：有毒氣體檢測模塊、紅外防盜模塊、濕度檢測模塊、風速檢測模塊、聲光報警模塊以及電機驅動模塊。 如果室內發(fā)生煤氣泄漏，而室內人并沒有察覺煤氣泄漏，那將對人造成嚴重的生命危險，因此，本系統(tǒng)把有毒氣體檢測模塊優(yōu)先級設為最高。根據室內外環(huán)境的不同，綜合考慮， 把紅外防盜模塊、防雨檢測模塊、防風檢測模塊優(yōu)先級依北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 5 次順序降低。 組成結構如圖所示 圖 2構圖 單片機 晶振電路 電源 光敏電阻 煙霧傳感器 溫濕度傳感器 步進電機控制 示屏 蜂鳴器 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 第 3 章 硬件設計 片機概述 隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能 更強 。在單片機家族中， 80列是其中的佼佼者，加之 51 系列中的 80核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名 造廠商，如 邦等，這些公司都在保持與 80片機兼容的基礎上改善了 80許多特性。這樣， 80變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為 80列。 80列 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的 種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明， 80列 可能最終形成事實上的標準 片 [6]。 本設計采用 美國 司生產的低功耗，高性能 位單片機 片內含 4K 可系統(tǒng)編程的 讀程序存儲器， 器件采用 司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 序存儲器，既可在線編程（ 可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中 ,司的功能強大，低價 片機 可提供許多高性價比的應用場合，可 靈活應用于各種控制領域。 腳圖如圖 3圖 38)9)10)11)12)13)14)15)2800)1)R)O)17897 主要性能參數(shù)： （ 1）與 品指令系統(tǒng)完全兼容 （ 2） 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ 速存儲器 （ 3） 1000 次擦 寫周期 （ 4） 工作電壓范圍 （ 5）全靜態(tài)工作模式： 0 6）三級程序加密鎖 （ 7） 128*8 字節(jié)內部 可編程 I/O 口線 （ 8） 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 （ 9） 6 個中斷源 （ 10）全雙工串行 道 （ 11）低功耗空閑和掉電模式 （ 12）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) （ 13）看門狗（ 雙數(shù)據指針 （ 14）掉電標示和快速編程特性 （ 15）靈活的在系統(tǒng)編程（ 管腳說明如下： ： 是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動 8 個 輯電平。對 口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據存儲器時， 也被作為低 8 位地址 /數(shù)據復用。在這種模式下， 具有內部上拉電阻。在 程時， 也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 ： 是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 出緩沖器能驅動 4 個 輯電平。對 口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。此外 ， 別作定時器 /計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（ 2）和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ 2具體如下表所示。在 程和校驗時， 接收低 8 位地址字節(jié)。 引腳號第二功能： 2（定時器 /計數(shù)器 外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 2時器 /計數(shù)器 捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） 系統(tǒng)編程用） 系統(tǒng)編程用） 系統(tǒng)編程用） 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 ： 是一個具有內部上拉電阻的 8 位 雙向 I/O 口， 出緩沖器能驅動 4 個 輯電平。對 口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ 在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數(shù)據存儲器（例如執(zhí)行 ， 送出高八位地址。在這種應用中， 使用很強的內部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如問外部數(shù)據存儲器時， 輸出 存器的內容。在 也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 ： 是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 出緩沖器能驅動 4 個 輯電平。對 口寫“ 1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ 亦作為 殊功能（第二功能）使用。在 程和校驗時， 也接收一些控制信號。 端口引腳第二功能 ： 行輸入口 ) 行輸出口 ) 中斷 0) 中斷 1) O(定時 /計數(shù)器 0) 1(定時 /計數(shù)器 1) R(外部數(shù)據存儲器寫選通 ) D(外部數(shù)據存儲器讀選通 ) 此外， 還接收一些用于 存編程和程序校驗的控制信號。 復位輸入。當振蕩器工作時， 腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據存儲器時， 址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， 以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或 用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據存儲器時將跳過一個 沖。 對 儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ 如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ 中的 8元的 置位，可禁止 作。該位置位后，只有一條 令才能將 活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 止位無效。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 程序儲存允許（ 出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 外部程序存儲器取指令（或數(shù)據）時，每個機器周期兩次 輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據存儲器，將跳過兩次號。 外部訪問允許，欲使 訪問外部程序存儲器（地址為0000 必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 編程，復位時內部會鎖存 狀態(tài)。 如 為高電平（接 ）， 執(zhí)行內部程序存儲器的指令。 儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 然這必須是該器件 是使用 12V 編程電壓 時鐘 電路設計 別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， 不接。因為一個機器周期含有 6 個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為 2 個振蕩周期，所以一個機器周期共有 12 個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12個振蕩周為 1/12而一個機器周期為 1下圖 3示為時鐘電路圖。 圖 鐘電路圖 復位電路設計 單片機在時鐘電路工作以后 , 在 持續(xù)給出 2 個機器周期的高電平時就可以完成復位操 作。復位方法一般有上電復位和外部手動復位兩種方式。 上電復位復位時在單片機接通電源時，對單片機的復位。在上電瞬間與 位相同，隨著電容上電壓的逐漸上升， 電位逐漸下10 電復位所需的最短時間是震蕩器震蕩建立時間加 2 個機器周期。圖3外部手動復位電路的電路示意圖。 防盜報警系統(tǒng)設計此次采用的是外部手動按鍵復位電路。當需要外部復位時，按下復位按鈕 可達到復位目的。 圖 位電路圖 防盜報警電路設計 防盜報警設計思路 該模塊設計整 體思路如下：當有陌生人企圖開窗侵入室內偷盜時，該系統(tǒng)能夠通過傳感器識別出來，并向單片機發(fā)送信號，單片機經過數(shù)據處理，驅動聲光報警電路。從而避免造成財產及安全損失。 見紅外傳感器介紹 （ 1）紅外探測器： 紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。 熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量 的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應的電量變化。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 11 （ 2）紅外測溫產品： 有 40 多年非接觸紅外測溫經驗， 50 多種紅外測溫儀和非接觸紅外測溫系統(tǒng)可滿足不同行業(yè)用戶的特殊需求 ,提供最優(yōu)非接觸紅外測溫解決方案。在高性能和高品質的紅外測溫產品市場，來自德國的 其在尖端領域應用中良好的品質紀錄，被廣泛公認為是世界一流的紅外測溫產品供應者而受到信任。 列產品已廣泛應用于冶金、玻璃、造紙、紡織、橡膠、木材、制陶、塑料、涂層、瀝青、建筑、電子、 食品、 石化、水泥等工業(yè)制造、科學研究和實驗領域。 (3)壓電傳感器 壓電傳感器 (一種典型的有源傳感器 ,它是以某些電介質的壓電效應為基礎 ,在外力作用下 ,電介質表面產生電荷 ,從而實現(xiàn)外力與電荷量間的轉換 ,達到非電量的電測目的。 壓電傳感器的應用：可分為單向力 ,雙向力和三向力傳感器。壓電傳感器的物理基礎是壓電效應 ,壓電敏感元件感受力的作用而產生電壓或電荷輸出 ,即根據輸出電壓或電荷的大小和極性 ,就可確定作用力的大小和方向。由此可見 ,壓電傳感器可以直接用于測力 ,或測與力相關的壓 力、位移 、振動加速度等。 (4)磁電傳感器 磁電傳感器可分為兩大類 ,一類是基于鐵芯線圈電磁感應原理的磁電感應式傳感器 ,一類是基于半導體材料磁敏效應的磁敏傳感器。磁敏管的應用 :不但具有很高的磁靈敏度 ,同時能識別磁場極性；而且體積小 功耗低 ,因而具有廣泛的應用前景。 （ 5）光電傳感器 光電傳感器 (一種將光信號轉換成電信號的裝置 ,它具有結構簡單、性能可靠、精度高、反應快等優(yōu)點 ,在現(xiàn)代測量和自動控制系統(tǒng)中 ,應用非常廣泛 ,是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器 （ 6）人體熱釋電紅 外傳感器 在電子防盜、人體探測器領域中，被動式熱釋電紅外探測器的應用非常廣泛，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 （ 7）無線紅外傳感器 無線紅外傳感器又名無線紅外探測器，無線智能幕簾 /廣角紅外探測器采用美國軍用紅外傳感器進行信號采集探測與摩托羅拉芯片組合集成單片機智能技術控制，自動溫度補償、微電流省耗、無誤報、無漏報、探測距離遠、工作穩(wěn)定、性能可靠、外形精巧、美觀大方。機內設置電源外撥開關，外出設防可以接通電北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 12 源，達到更加省電的效果。 它是根據人體紅外光譜而工作，當人體在其接收范圍內 活動時，探測器輸出報警信號，廣泛用于銀行、倉庫和家庭等場所的安全防范。 它是目前可靠性較高的產品，紅外探測部分采用報警器用傳感器和紅外專用處理 頻發(fā)射部分采用最新聲表面（ S）穩(wěn)頻技術，配合成熟的外圍電路，使得產品具有紅外探測靈敏度好、誤報率低、高頻發(fā)射頻率穩(wěn)定、發(fā)射功率大的特點。 作原理 在本次設計中，此模塊的核心元件是熱釋電紅外傳感器。這里選用傳感器的型號為 面將對熱釋電紅外傳感器的工作原理以及 熱釋電紅外線 (感器是 80 年 代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件，是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路。本設計所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結構。其工作原理 為：在 源端利用 穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經過 過 穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再經過 轉化，輸出 低電平。 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾 ，該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 ， 并將其轉換為電信號 輸出。 其工作電路原理 及設計電路如 圖 3 示 , 122N P TV c c V C 213 圖 3釋電紅外傳感器原理圖 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾 ，該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 ，并將其轉換為電信號輸出。 熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使 用，因而需要用電阻將其轉換為電壓形式 ，該電阻阻抗高達 104故引入的 N 溝道結型場效應管應接成共漏形式，即源極跟隨器來完成阻抗變換。 熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片， 并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。 熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)制成的探測元件，在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串 聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。 人體輻射的紅外線中心波長為 9圍內幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為 7好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。一旦人侵入探測區(qū)域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元 接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同不能抵消，經信號處理而輸出電壓信號。 目前常用的熱釋電紅外傳感器型號主要有 。熱釋電紅外傳感器通常采用 3 引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端（內部開關管 D 極， 信號輸出端（內部開關管 S 極， 接地端（ 本設計傳感器采用雙元熱釋電紅外傳感器 傳感器翻用熱釋電材料極化北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 14 隨溫度變化的特殊探測紅外輻射，并采用雙靈 敏元互補方法抑制干擾，以提高傳感器的工作溫度。傳感器 部電路圖如下： D 腳接工作電壓，其工作電壓低且范圍寬（ S 腳為輸出源極電壓； 為接地。如圖 3示，為熱釋電紅外傳感器 內部電路框圖。 圖 3釋電紅外傳感器 內部電路框圖 熱釋電紅外傳感器 主要工作參數(shù)： 工作電壓：常用工作電壓范圍為 3~15V； 工作波長：通常為 4 源極電壓：通常為 R 約為 47 輸出信號電壓：通常大于 檢測距離：檢測距離約為 6~10m； 工作溫度范圍： ~40℃。 放大電路設計 如下圖 3示，為放大電路設計圖。在電路中，當熱釋電紅外傳感器接收到人體信號時，輸出一個微弱的低頻電信號，其大小僅 1率約為 3要通過三極管放大至 705體管 態(tài)工作電流達 100大倍數(shù)最大可達 1000 倍。 以給 供靜態(tài)基極電壓。放大后的信號由 合至反相器 74 7415 圖 3大電路圖 74相器輸出的是 平，若探測器檢測到有信號輸入，輸出低電平，即邏輯信號 0，經過 51 單片機處理，將產生報警。若無信號輸入，則持續(xù)輸出高電平，即邏輯信號 1，經過 51單片機處理，將不產生報警。 聲光報警電路設計 聲光報警電路包括兩部分組成：聲音報警電路和光報警電路。具體電路圖分別如圖 3圖 3示： 圖 3音報警電路 圖 3報警電路 用一個 電器、三極管和電阻接到單片機的 腳上，外接 成聲音報警電路，當與單片機連接的引腳被置高電平后，蜂鳴器會發(fā)聲報警。 7416 圖 3盜報警電路圖 由一個發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的的引腳，外接 構成了光報警電路。當與單片機連接的引腳被置低電平后，發(fā)光二極管 點亮，起到光報警作用。 防盜報警電路模塊的整個電路圖如圖 3示： 其中 正常工作指示燈， 起報警指示作用，當 被置低電平時， 表示紅燈開始報警，同樣， 置高電平時聲音報警電路開始工作。電路中按鍵 作為中止 /暫停鍵 , 按下 鍵時，模擬的是當聲光報警電路開始工作時，室內主人通過聲光報警電路得知有人入侵偷盜，得知此情況后，主人就可以關閉聲光報警了。當然，在實際設計中 鍵安裝的位置必須隱蔽一些，最好安裝在一個只有房主知道而其他人不知道的的隱蔽部位。如若不然，當有人入室盜竊時，聲光報警電路剛工作，而盜賊勢必會關閉報警電路，如果 巧又迅速被盜賊按下。那么短時間的聲光報警可能不能讓房主察覺到有人入室偷盜。這樣一來，會對室內財產及安全的損失造成嚴重威脅。 濕度檢測 電路設計 濕度檢測電路設計思路 濕度檢測電路模塊實現(xiàn)的功能是：當系統(tǒng)檢測到室外下雨時，系統(tǒng)能夠驅動電機，實現(xiàn)關閉窗戶的功能，從而避免對室內的電器、擺設等物品造成不必要的損害。此模塊選用的傳感器型號為 過軟件設置一個閾值， 檢測到的室外相對濕度值傳遞到單片機，單片機將此值與事先設定的閾值比較，如果相對濕度值大于閾值，則單片機驅動電機，使電機帶動窗體運動，從而實現(xiàn)關閉窗體的功能。 常見濕度傳感器介紹 濕度傳感器，基本形式都為利用濕敏材料對水分子的吸附能力或對水分 子產生物理效應的方法測量濕度。有關濕度測量，早在 16 世紀就有記載。許多古老的測量方法，如干濕球溫度計、毛發(fā)濕度計和露點計等至今仍被廣泛采用?，F(xiàn)代工業(yè)技術要求高精度、高可靠和連續(xù)地 測量濕度，因而陸續(xù)出現(xiàn)了種類繁多的濕敏元件。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 17 濕敏元件主要分為二大類：水分子親和力型濕敏元件和非水分子親和力型濕敏元件。利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件稱為水分子親和力型濕敏元件。例如，利用水分子附著或浸入某些物質后，其電氣性能（電阻值、介電常數(shù) 等）發(fā)生變化的特性可制成電阻式濕敏元件、電容式 濕敏元件；利用水分子附著后引起材料長度變化，可制成尺寸變化式濕敏元件，如毛發(fā)濕度計。金屬氧化物是離 子型結合物質，有較強的吸水性能，不僅有物理吸附，而且有化學吸附，可制成金屬氧化物濕敏元件。這類元件在應用時附著或浸入被測的水蒸氣分子，與材料發(fā)生 化學反應生成氫氧化物，或一經浸入就有一部分殘留在元件上而難以全部脫出，使重復使用時元件的特性不穩(wěn)定，測量時有較大的滯后誤差和較慢的反應速度。目前 應用較多的均屬于這類濕敏元件。另一類非親和力型濕敏元件利用其與水分子接觸產生的物理效應來測量濕度。例如，利用熱力學方法測 量的熱敏電阻式濕度傳感 器，利用水蒸氣能吸收某波長段的紅外線的特性制成的紅外線吸收式濕度傳感器等。 濕度傳感器 主要有以下幾種類型： （ 1） 電解質濕敏 傳感器 利用潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質氯化鋰（ 從 1938 年 頓蒙發(fā)明這種元件以來，在較長的使用實踐中，對氯化鋰的載體及元件尺寸作了許多改進，提高了響應速度和擴大測濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基于濕度 變化能引起電介質離子導電狀態(tài)的改變，使電阻值發(fā)生變化。結構形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯 圓筒上平行地繞上鈀絲電極，然后把 皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地涂在圓筒表面上制成，測濕范圍約為相對濕度 30%。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡 制成的。植物的髓脈具有細密的網狀結構，有利于水分子的吸入和放出。 70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件，采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無 堿玻璃基板（孔徑平均 500 埃），可制成測濕范圍為相對濕度 20～ 80%的元件。氯化鋰元件具有滯后誤差較小，不受測試環(huán)境的風速影響，不影響和破壞被測濕度環(huán)境等優(yōu)點，但因其基本原 理是利用潮解 鹽的濕敏特性，經反復吸濕、脫濕后，會引起電解質膜變形和性能變劣，尤其遇到高濕及結露環(huán)境時，會造成電解質潮解而流失， 導致元件損壞。 （ 2） 高分子材料濕敏 傳感器 利用有機高分子材料的吸濕性能與膨潤性能制成的濕敏元件。吸濕后，介電常數(shù)發(fā)生明顯變化的高分子電介質，可做成電容式濕敏元件。吸濕后電阻值改變的高分子材料，可做成電阻變化式濕敏元件。常用的高分子材料是醋酸纖北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 18 維素、尼龍和硝酸纖維素等。高分子濕敏元 件的薄膜做得極薄，一般約 5000埃，使元件易于很快的吸濕與脫濕 ,減少了滯后誤差，響應速度快。這種濕敏元件的缺點是不 宜用于含有機溶媒氣體的環(huán)境，元件也不能耐 80℃ 以上的高溫。 （ 3） 金屬氧化物膜濕敏 傳感器 許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強的吸脫水性能，將它們制成燒結薄膜或涂布薄膜 可制作多種濕敏元件。把鋁基片置于草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進行陽極氧化，形成氧化鋁多孔薄膜，通過真空蒸發(fā)或濺射工藝，在薄膜上形成透氣性電極。這種多 孔質的氧化鋁濕敏元件互換性好，低濕范圍測濕的時間響應速度較快，滯后誤差小，常用于高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優(yōu)點是固有電阻低，長期置于大氣環(huán) 境表面狀態(tài)不會變化，膠體粒子間相 互吸引粘結緊密等。它是一種價廉物美，較早投入批量生產的濕敏元件，在濕度測量和濕度控制方面都有大量應用。 （ 4）半導體陶瓷濕度傳感器 如 敏傳感器．它們主要利用陶瓷燒結體微結晶表面在吸濕和脫濕過程中電極之間電阻的變化來檢測相對濕度。陶瓷燒結體微結晶表面對水分子進行吸濕或脫濕時，引起電極間電阻值隨相對濕度成指數(shù)變化，從而濕度信息轉化為電信號。這類傳感器適合于高溫和高濕環(huán)境中使用，也是目前在高溫環(huán)境中測濕的少數(shù)有效傳感器之一。 （ 5） 超聲波式濕度傳感器 超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度 有關，利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲波氣 溫計和鉑絲電阻測溫計組成，前者的測量數(shù)據與濕度有關，后者的測量數(shù)據只與溫度有關，按照超聲波在干燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計算出空氣的絕對濕 度。超聲波濕度傳感器有很多優(yōu)點，它的測濕數(shù)據比較準確，響應速度快，可以測出某一極小范圍的絕對濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處于研制階段。 （ 6） 熱敏電阻式濕 度 傳感器 利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻 2,電源供給的電流使 持在 200℃ 左右的溫度。其中 在密封的金屬盒內，內部封裝著干燥空氣， 節(jié)電橋平衡，使輸