毕业设计（论文）-ARM红外传感器设计.doc

目录引 言41 arm处理器71.1 arm处理器介绍71.2 arm920t体系结构92 linux操作系统142.1 linux操作系统介绍142.2嵌入式linux操作系统概述152.3 嵌入式linux的组成162.4嵌入式系统中使用linux的优点和缺点173 linux虚拟机193.1 vmware简介193.2 vmware workstation的优点204 硬件电路设计214.1 设计思路214.2 up-magic core硬件资源224.3 re200b热释红外传感器254.4 放大电路设计304.5 延时电路设计325 运行结果与分析345.1编译源程序345.2 nfs挂载实验目录测试36结论38致谢39参考文献40附录142附录243附录344附录445附录548摘 要近年来随着社会的进步发展，人们对身边的环境安全越来越关注。红外传感器在这个时候起到了很重要的作用。热释红外传感器主要用于探测红外特征辐射，可感知人体、小动物的热源，适合做热释红外物体运动探测，可以用于报警电路的设计中。本设计基于up-magic魔法师实训平台，采用了韩国三星公司生产的s3c2410的arm9实验开发板。s3c2410处理器是一款基于arm920t内核和amna总线的16/32位risc嵌入式处理器，主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。本设计介绍了一种热释红外传感器系统的设计方案，电路组成及其组装、调试。这种被动型热释电红外报警器的应用电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护目的。当有人体进入热释红外传感器的探测范围内，传感器将接收到探测到的热源，随后传感器将输出微弱信号，信号要经过放大、比较、延时等几个环节，最后使放光二极管发光，起到报警的作用。关键词：热释红外（pir）传感器；运算放大器；arm9；linuxabstractwith the development of social progress in recent years, people have become increasingly concerned about the safety of their surroundings. infrared radiation sensor plays a very important role in this time. pir sensors are used for detecting the characteristic infrared radiation，percept the heat source of human body and small animals, the design of alarm circuit.the design is based on up-magic magician flats and used the arm9 experimental development board of s3c2410 produced by samsung. s3c2410 processor is a 16/32 bit risc embedded processor which based on arm920t core and amna bus, and mainly for handheld devices, and high cost, low-power applications.this design introduces a design plan of the pir sensor system, circuit and its assembling, debugging. the application circuit of the passive pir alarm uses the invisibility of the infrared radiation well into the alarm system, and in order to achieve the anti-theft alarm and security purposes. when the body goes into the range of pir sensor detection, sensors will receive the detection of heat sources and then the sensor will output a weak signal. the signal should be amplified, compared and delayed, finally light-emitting diodes emit light, played the role of police alarm.keywords: pir sensor; operational amplifier; arm9; linux引 言红外线是一种光线,是太阳光线中众多不可见光线中的一种具有普通光的性质,可以以光速直线传播。红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现,又称为红外热辐射(infrared radiation)。红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.751.50m之间;中红外线,波长为1.506.0m之间;远红外线,波长为6.0l000m之间。随着科学技术的发展,红外线越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗、考古、天文、探测等科学领域，即使在日常生活和农业生产中也广泛应用到红外技术。如红外线取暖器、红外自动干手器、红外线报警器、远红外粮食烘干等。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。本文以热释电红外线传感器re200b为例,介绍它在报警电路中的应用。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、报警方面得到了广泛的应用。在电子防盗、人体探测等领域，被动式热释电红外线传感器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点受到广大用户和专业人士的欢迎。近20年来，低成本的热释探测工艺日趋成熟，性能逐渐完善，在照明控制、入侵警、火灾报警、自动水阀、自动门开关以及其它家用电器等领域中都得到了广泛的应用，成为目前性能价格最优的红外传感器的代表，在民用领域占有极其重要的地位。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本是以超声波、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：（1）不需要用红外线或电磁波等发射源。（2）灵敏度高、控制范围大。（3）隐蔽性好，可流动安装。释电红外传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其可以进行非接触式测量使其主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断。在民用产品中，其广泛应用于各类入侵报警器、自动开关(人体感应灯)、非接触测温、火焰报警器等自动化设施中。国内热释传感器的市场才刚刚打开，而国内除你塞拉传感器公司生产双元热释传感器及相关的应用产品外，其他技术含量小高的产品及在家电领域的应用开发至今很少有人涉足。面对急剧增加的红外市场，国内传感器行业界应给予足够关注，尽量开发出高起点的热释红外传感器。进年来，国外一些热释传感器在军民用领域的应用又有很多新的进展。近年来，价格低廉的双元传感器在家用安全系统和照明系统中的需求急剧增加，高可靠的四元和多元探测器被大量应用于各种场所的防盗报警和安全保障系统，这种多元传感器在火灾、烟雾探测等领域的应用也越来越广泛。今后，在地质勘测、卫星遥感、环境保护、工业生产工业控制以及自动门、自动水阀、灯光控制方面的应用将会大量增加。红外测温仪在钢铁工业、机械加工工业、动力和电力工业、电子工业、铁路运输、纺织、塑料、玻璃以及食品加工工业中的应用范围极宽，热释传感器在这些领域的市场潜力巨大。美国目前仅耳孔式温度计的生产需求就已超过了100万只，且呈逐年上升趋势，预计这种快速、精确、方便的非接触体温计将会取代传统接触式体温计。目前，热释ufpa是红外成像领域最引人注目的热点之一。该器件在欧美本土的销售价格约为1万美元随着技术进步和规模生产，器件性能会有大幅度提高，而价格有望降到1000美元以内。在民用领域如夜视、消防、工艺控制、机器人、搜索于救援、边境巡逻、车辆防撞、警戒和医疗诊断等方面已经显示出良好的市场潜力，美国每年就有10万具以上消防头盔的需求；国外汽车制作商已经在未来型汽车上安装了热像仪进行夜、雾观察或威胁报警系统；未来只能化的各种家用电器也为这种廉价红外成像器件提供了广阔的用武之地。1 arm处理器1.1 arm处理器介绍arm既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。目前arm微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各个领域。1.1.1 arm的体系结构arm的设计实现了非常小但高性能的结构。arm处理器的简单使arm的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低。arm是精简指令集计算机(risc)，因为它集成了非常典型的risc结构特征：(1)一个大的、统一的寄存器文件。(2)加载存储结构，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。(3)简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定。(4)统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。此外，arm体系结构还提供:(1)每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(alu)和移位器进行控制，以实现对alu和移位器的最大利用。(2)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。(3)所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。这些在基本risc结构上增强的特性使arm处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。1.1.2 arm微处理器的应用领域到目前为止，arm微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域。(1)工业控制领域：作为32位的risc架构，基于arm核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，arm微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位16位微控制器提出了挑战。(2)无线通讯领域：目前已有超过85的无线通讯设备采用了arm技术，arm以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。(3)网络应用：随着宽带技术的推广，采用arm技术的adsl芯片正逐步获得竞争优势。此外，arm在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对dsp的应用领域提出了挑战。(4)消费类电子产品：arm技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。(5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用arm技术。手机中的32位sim智能卡也采用了arm技术。除此以外，arm微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。1.2 arm920t体系结构1.2.1 arm920t系统结构分析arm920t采用5级流水线，其结构图如图1-1所示，具有分开的指令和数据存储器，5级流水线具体如下：取值从指令存储器取指令译码读取寄存器操作数执行产生alu运算结果或产生存储器地址仿存访问数据存储器回写完成结果写寄存器(1)取指：从存储器中取出指令，并将其放在指令流水线。(2)译码：对指令进行译码。(3)执行：把一个操作数移位，产生alu的结果。(4)仿存：如果需要，则访问数据存储器；否则alu的结果只是简单地缓冲1个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。(5)回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。arm920t处理器一个显著的特点是采用指令和数据分离访问的方式，即采用了指令缓存(i-cache)和数据缓存(d-cache)。这样可以把指令访问和数据访问单独安排l级流水线。1.2.2 arm920t的工作状态从编程的角度看，arm920t微处理器的工作状态一般有两种：(1)arm状态，此时处理器执行32位的、字对齐的arm指令；(2)thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的thumb指令。arm指令集和thumb指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过程中，微处理器可以随时在两种工作状态之间切换，并且，处理器的工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但arm微处理器在开始执行代码时，应该处于arm状态。当操作数寄存器的状态位(位0)为1时，可以采用执行bx指令的方法，使微处理器从arm状态切换到thumb状态。此外，当处理器处于thumb状态时发生异常(如irq、fiq、undef、abort、swi等)，当异常处理返回时，自动切换回thumb状态。当操作数寄存器的状态位为0时，执行bx指令可以使微处理器从thumb状态切换到arm状态。此外，在处理器进行异常处理时，将pc指针放入异常模式链接寄存器中，并从异常向量地址开始执行程序，也可以使处理器切换到arm状态。1.2.3 arm920t体系结构的存储器格式arm920t体系结构将存储器看做是从零她址开始的字节的线性组合。从0字节到3字节放置第1个存储的字数据，从第4个字节到第7个字节放置第2个存储的字数据。依次排列。作为32位的微处理器，arm920t体系结构所支持的最大寻址空间为4gb。arm920t体系结构可以用两种方法存储字数据，分别称为大端格式和小端格式。大端格式中字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中，如图2-3所示。与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。如图2-4所示。1.2.3 arm920t处理器模式arm920t支持7种运行模式，分别为：(1)用户模式(usr)，arm处理器正常的程序执行状态；(2)快速中断模式(fiq)，用于高速数据传输或通道处理；(3)外部中断模式(irq)，用于通用的中断处理；(4)管理模式(svc)，操作系统使用的保护模式；(5)数据访问终止模式(abt)，当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；(6)系统模式(sys)，运行具有特权的操作系统任务：(7)未定义指令中止模式(und)，当未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。arm微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。除用户模式以外，其余的6种模式称为特权模式；其中除去用户模式和系统模式以外的5种又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及访问受保护的系统资源等情况。2 linux操作系统2.1 linux操作系统介绍linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。linux是从unix发展而来，所以具有unix的优良特点，如可靠性、稳定性以及强大的网络功能，强大的数据库支持能力以和良好的开放性等。linux可支持x86、powerpc、arm等多种体系结构，几乎可以运行在所有流行的cpu上，并且已经被移植到多种硬件平台。linux最大的优势就是免费和开源。任何人都可以从网上免费得到它的最新源码，修改扩展后供自己使用，并且所有的代码都是透明可见的。linux对硬件的管理采用一个统一的框架进行，同时硬件平台的改动与上层应用无关。图1是linux系统的软件层次结构图。该图每一层模块都屏蔽了其下各层的具体细节，上层模块不需要知道其以下各模块的实现方法，只需利用下层提供的接口完成相应功能即可。这样的层次模型大大增加了linux的安全性、稳定性、易开发性及裁剪增添模块的便利性。图1 linux中软件的层次结构图2.2嵌入式linux操作系统概述嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式操作系统的出现大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的状况。在嵌入式操作系统之上开发嵌入系统将减少系统开发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式系统的开发方法更具科学性。目前常见的嵌入式操作系统linux，wince等。嵌入式linux是指对linux经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有几百k字节或几m字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用linux操作系统。嵌入式linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点，具有稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛及免费开放源代码等特征。linux作为嵌入式操作系统。它主要具有以下特点:(1)linux系统是层次结构且内核完全开放。(2)强大的网络支持功能。(3)linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。嵌入式linux为开发者提供了一套完整的工具链。它利用gnu的gcc做编译器，用gdb等做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。(4)linux具有广泛的硬件支持特性。(5)可满足嵌入式系统的实时性要求。2.3 嵌入式linux的组成一个嵌入式linux系统从软件的角度看通常可以分为四个层次：(1)引导加载程序。包括固化在固件(firmware)中的boot代码(可选)，和bootloader两大部分。 (2)linux内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及内核的启动参数。 (3)文件系统。包括根文件系统和建立于flash内存设备之上文件系统。通常用ramdisk来作为rootfs。 用户应用程序。特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。常用的嵌入式gui有：microwindows和minigui等。2.4嵌入式系统中使用linux的优点和缺点虽然大多数linux系统运行在pc平台上，但linux也是嵌入式系统的可靠主力。linux的安装和管理比unix更加简单灵活，这对于那些unix专家们来说又是一个优点，因为linux中有许多命令和编程接口同传统的unix一样。但是对于习惯于windows操作系统的人来说,需要记忆大量的命令行参数却是一个缺点。随着linux社团的不断努力，linux的人机界面开发环境正在不断完善。典型的linux系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的pc机上运行，嵌入式系统不需要这么高的配置。一个功能完备的linux内核要求大约1 mb内存。而linux微内核只占用其中很小一部分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用系统约100 k内存。只要有500 k的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的linux系统就可以在一台8位总线（sx）的intel 386微处理器上运行的很好了。由于内存要求常常是需要的应用所决定的，比如web服务器或者snmp代理，linux系统甚至可以仅使用256 kb rom和512 kb ram进行工作。因此它是一个瞄准嵌入式市场的轻量级操作系统。与传统的实时操作系统相比（rtos），采用象嵌入式linux这样的开放源码的操作系统的另外一个好处是linux开发团体看来会比rtos的供应商更快地支持新的ip协议和其它协议。例如，用于linux的设备驱动程序要比用于商业操作系统的设备驱动程序多，如网络接口卡（nic）驱动程序以及并口和串口驱动程序。核心linux操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和应用程序以提供附加功能。嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实现运用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。linux可以在外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库。linux用于嵌入式的因特网设备也是很合适的，原因是它支持多处理器系统，该特性使linux具有了伸缩性。因而设计人员可以选择在双处理器系统上运行实时应用，提高整体的处理能力。例如，您可以在一个处理器运行gui，同时在另一个处理器上运行linux系统。在嵌入式系统上运行linux的一个缺点是linux体系提供实时性能需要添加实时软件模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。已经有许多嵌入式linux系统的示例；可以有把握地说，某种形式的linux能在几乎任一台执行代码的计算机上运行。3 linux虚拟机一种安装在windows上的虚拟环境，就被称为linux虚拟机。它实际上只是个文件而已，是虚拟的linux环境，而非真正意义上的操作系统。但是它们的实际效果是一样的。所以安装在虚拟机上使用好。目前pc上的虚拟机软件有下述两个：（1） vmware（2）virtual pc3.1 vmware简介本次设计的软件平台是vmware workstation。vmware workstation引入了一种虚拟操作系统的概念，从已有的硬件中，划一部分内存和硬盘空间，让虚拟的操作系统使用，然后配以vmware的管理软件，从而达到多系统同时运行的目的。虚拟的系统和真的系统没有什么区别，有自己的硬件，bios等等，你可以随便对其进行操作，包括分区、格式化，完全不要担心会对现有的系统有任何的影响。本质上就是利用软件技术，在电脑（母机）中虚拟出另外一台或者几台电脑（子机），而在子机中，你可以随意进行任何操作，并且都不会影响到母机，对于初学者，可以随意练习fdisk，format等危险的命令。如果母机够强大，你甚至可以同时运行多个子机来进行复杂的网络试验，如果只是虚拟一个主机，也能实现母机和子机之间的网络连接，特别适合学习网络知识的朋友。对于开发软件的人员，如果想测试自己的软件的兼容性，即时安装了好几个操作系统，在不同的操作系统之间的切换也要浪费不少的时间，而vmware采用的技术，是让你同时运行多个操作系统，并且在多个操作系统之间的通讯就象真实的网络环境一样。3.2 vmware workstation的优点 1、如果要在一台电脑上装多个操作系统，不用虚拟机的话，有两个办法：一是装多个硬盘，每个硬盘装一个操作系统。这个方法比较昂贵。二是在一个硬盘上装多个操作系统。这个方法不够安全，因为硬盘mbr是操作系统的必争之地，搞不好会几个操作系统同归于尽。而使用虚拟机软件既省钱又安全，对想学linux和unix的朋友来说很方便。 2、虚拟机可以在一台机器上同时运行几个操作系统，是soho开发一族的必备工具。有了虚拟机，在家里只需要一台电脑，或出差时只带着一个笔记本，就可以调试c/s、b/s的程序了。 3、利用虚拟机可以进行软件测试。4 硬件电路设计4.1 设计思路这套热释红外传感器报警系统，总体设计思路是由探测电路、放大电路、延时电路、报警电路组成。通过arm9开发板，完成驱动程序的下载。探测电路通过热释红外传感器探测到人体的红外辐射信号，并经过放大、比较、延时等环节。将电信号转换为光源信号，从而达到了报警的目的。本系统采用常用的热释红外传感器re200b作为红外探测器件，用含有四个集成运放的lm324芯片组成放大和比较电路。用tlc555cd组成单稳态延时电路，使报警器能够长时间报警。利用发光二极管起到报警的作用。人体热源热释红外传感器 低频放大比较整形报警电路4.2 up-magic core硬件资源本设计中采用了三星公司生产的s3c2410处理器，s3c2410是一款基于arm920t内核的1632位risc嵌入式微处理器，主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。arm9实验开发板的系统框图如图所示。开发板主要硬件：（1）核心资源s3c2410 arm cpu、32m sdram、64m nand flash。（2）0m网卡，dm9000ae。（3）usb主口，一个usb从口。（4）rs232串口db9接口。另有一路rs232串口和ttl串口从扩展插座上引出。（5）插座，引出所有总线信号（经过驱动芯片）和未占用资源。（6）lcd和触摸屏接口，外接专配液晶屏/触摸屏板。（7）电源、复位、jtag、rtc等基本资源和接口，支持博创up-link和j-link仿真器。(8)设置了io控制的led和可产生硬中断的5位导航按键等简单调试资源。s3c2410芯片介绍：s3c2410x芯片集成了大量的功能单元，包括：1内部1.8v，存储器3.3v，外部io 3.3v，16kb数据cach，16kb指令cach，mmu；2内置外部存储器控制器（sdram控制和芯片选择逻辑）；3lcd控制器（最高4k色stn和256k彩色tft），一个lcd专用dma；44路带外部请求线的dma；5三个通用异步串行端口（irda1.0,16-byte tx fifo,and 16-byte rx fifo）,2通道spi；6一个多主iic总线，一个iis总线控制器；7sd主接口版本1.0和多媒体卡协议版本2.11兼容；82个usb host，一个usb device（ver1.1）；94个pwm定时器和一个内部定时器；10看门狗定时器；11117个通用io；1224个外部中断；13电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电；148通道10位adc和触摸屏接口；15带日历功能的实时时钟；16芯片内置pll；17设计用于手持设备和通用嵌入式系统；181632位risc体系结构，使用arm920t cpu核的强大指令集；19arm带mmu的先进的体系结构支持wince、epoc32、linux；20指令缓存（cache）、数据缓存、写缓冲和物理地址tag ram，减小了对主存储器带宽和性能的响；21arm920t cpu核支持arm调试的体系结构；22内部先进的位控制器总线(amba2.0,ahb/apb)4.3 re200b热释红外传感器4.3.1 热释红外传感器介绍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104m,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。常见热释红外传感器的外形外形尺寸及内部机构内部电器连接图图1是一个双探测元热释电红外传感器的内部电器示意图。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0.220m。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干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外,还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。4.3.2 re200b工作原理re200b是热释电红外传感器，这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷。随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。这个改变的电信号可以通过场效应管来进行测量，基本就是这样的一个原理制作了这样的传感器。这种传感器对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此在传感器前会加入一个滤镜窗口，这就是为什么我们能看到的re 20 0 b的to 5 封装形式中有一个像玻璃似的小窗。当然通过这个滤镜可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，一般在8u m 1 4u m ，这样就非常接近人体辐射的红外线波长了。re 2 0 0b 是热释电红外传感器。这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷。随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。这个改变的电信号可以通过场效应管来进行测量，基本就是这样的一个原理制作了这样的传感器。这种传感器对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此在传感器前会加入一个滤镜窗口，这就是为什么我们能看到的re 20 0 b的to 5 封装形式中有一个像玻璃似的小窗。当然通过这个滤镜可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，一般在8u m 1 4u m ，这样就非常接近人体辐射的红外线波长了。4.3.3 热释电红外线传感器的优缺点优点: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:1、容易受各种热源、光源干扰。容易受射频辐射的干扰。2、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。3、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。热释电红外线传感器的安装要求热释电红外线传感器只能安装在室内,其误报率与安装的位置和方式有极大的关系:1、热释电红外线传感器应离地面2.0-2.2米。2、热释电红外线传感器远离空调,冰箱,火炉等空气温度变化敏感的地方。3、热释电红外线传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4、热释电红外线传感器不要直对窗口,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报,有条件的最好把窗帘拉上。4.4 放大电路设计热释红外传感器输出的微弱检测信号，要经过放大、比较、延时等几个环节才能发出报警。在本设计中运用集成放大器lm324来进行放大，以使其获得足够的增益。lm324 lm324简介： lm324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为mc1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“v+”、“v-”为正、负电源端，“vo”为输出端。两个信号输入端中，vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的位相反；vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端vo的信号与该输入端的相位相同。lm324的引脚排列见图2。lm324引脚图lm324的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3v-32v 4.低偏置电流：最大100na 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能4.5 延时电路设计为了使发光二极管能长时间发光，起到报警的作用，本系统应用tlc555cd组成单稳态延时电路工作原理如下：电源通电瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻r向电容c充电，当vc上升到2/3vdd时，触发器复位，vo为低电平，放电bjt t导通，电容c放电，电路进入稳定状态。若触发器输入端施加触发信号，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，vo输出高电平，且bjt t截止，此后电容c充电至vcc=2/3vdd时，电路又发生翻转，vo为低电平，t导通，电容c放电，电路恢复至稳定状态。5 运行结果与分析5.1编译源程序5.1.1进入实验目录：sprifelocalhost up-magic_moudles$cd irda_s/sprifelocalhost irda_s$lsdriver test up-magic-0302.pdfsprifelocalhost irda_s$5.1.2编译红外驱动程序sprifelocalhost irda_s$cd driver/sprifelocalhost driver$lsmagic_irda.c makefilesprifelocalhost driver$需要修改makfile编译规则文件，在其中指定用户自己的内核源文件目录（产品光盘配套linux2.6.24内核，并保证该内核源码解压后至少编译过一次，才能正确编译内核驱动程序）通过修改宏kerneldir?变量来指定内核源码目录：kerneldir?=/home/sprife/up-magic/kernel/linux-2.6.24.4/使用make命令编译红外驱动程序sprifelocalhost driver$makesprifelocalhost driver$lsmagic_irda.c magic_irda.ko magic_irda.mod.c magic_irda.mod.o magic_irda.omakefile module.symverssprifelocalhost driver$当前目录下生成红外驱动程序magic_irda.ko5.1.3编译红外应用程序sprifelocalhost irda_s$lsdriver test up-magic-0302.pdfsprifelocalhost irda_s$cd test/sprifelocalhost test$lsinstall.sh irda_test.c makefilesprifelocalhost test$makearm-linux-gcc-o irda_test irda_test.csprifelocalhost test$lsinstall.sh irda_test irda_test.c makefilesprifelocalhost test$当前目录下生成可红外测试程序irda_test及测试脚本install.sh5.2 nfs挂载实验目录测试启动up-magic魔法师实训开发板，连好网线、串口线。将配套红外传感器模块插入底板p5扩展端口。通过串口终端挂载宿主机实验目录。设置开发板ip：192.168.1.199(默认宿主机linux ip 192.168.1.43,nfs共享目录/home/sprife)up-tech:#ifconfig eth0 192.168.1.199up-tech:#mount-t nfs-o nolock,rsize=4096,wsize=4096 192.168.1.43:/home/sprife/mnt/nfs5.2.1进入串口终端的nfs共享实验目录。up-tech:#cd/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s/up-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s#lsup-magic-0302.pdf driver testup-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s#5.2.2加载红外驱动程序up-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s#insmod driver/magic_irda.koirda initializedup-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s#5.2.3执行测试程序up-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s#cd test/up-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s/test#lsmakefile install.sh irda_test irda_test.cup-tech:/mnt/nfs/up-magic/up-magic_moudles/irda_s/test#./install.shhave people!have people!have people!当红外传感器检测到物体时，传感器模块板载led灯会点亮提示。结论致谢本文的研究主要是在我的导师张明副教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究上其中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意!虽然家人没有直接对我的学业有所帮助，但是他们是