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1、传感器技术与应用课程报告1概述在科技高度发达的今天，自动控制和自动检测在人们的日常生活和工业控制 所占的比例也越来越重，使人们的生活越来越舒适，工业生产的效率越来越高。 而传感器是自动控制中的重要组成部件，是信息采集系统的重要部件，通过传感 器将感受或响应的被测量转换成适合输送或检测的信号（一般为电信号），再利 用计算机或者电路设备对传感器输出的信号进行处理从而达到自动控制的功能， 由于传感器的响应时间一般都比较短，所以可以通过计算机系统对工业生产进行 实时控制。红外传感器是传感器中常见的一类，由于红外传感器是检测红外辐射 的一类传感器，而自然界中任何物体只要其稳定高于绝对零度都将对外辐射红外
2、 能量，所以红外传感器称为非常实用的一类传感器，利用红外传感器可以设计出 很多实用的传感器模块，如红外测温仪，红外成像仪，红外人体探测报警器，自 动门控制系统等。2红外传感器应用红外技术已经在现代科技、国防、医疗、工农业等领域获得了广泛的应用。 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。红外测湿技术在 产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护，以及节约能源等方面发挥 着重要作用。由于红外光是人的肉眼看不到的，因此不能采用普通相机摄取红外 图像。红外图像传感器可以利用红外热成像技术将红外辐射转换成可见光进
3、行显 示，还可以利用计算机系统对红外热图像进行分析处理，完成存储和打印输出； 利用热释电效应可以制成热释电红外传感器，如车辆计数器、人体探测器，以及 探测环境温度的高温计（在高炉、熔化玻璃或热损失评估中使用的非接触式温度 计）和辐射计（测量辐射源产生的功率）。3教室灯光控制系统3.1设计背景随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负 荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。 而此问题对我国来说尤为严重。随着各类大、中专院校的扩招，教室的扩建，教 室照明的需求也越来越多，而教室照明的管理不到位，往往造成电能的巨大浪费， 这样，提高教室用电效率
4、就成为首要考虑的问题。目前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，但对教室灯光的控制，尤其 是我国教室灯光的智能控制尤为缺乏和不完善，依然是传统式的人工管理。各类 大、中专院校不断扩招，教室不断扩建，教室的用电负荷不断加大，教室用电管 理不善，造成学校电能浪费，经济损失，这种的浪费与当今的节约能源理念相违 背。再者，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着 自动化、智能化方向发展。例如楼道灯光的自动控制等等。所有这些使得教室灯 光控制也应该朝着智能的方向发展。于是，开发简便、实用的教室灯光自动控制 系统便具有重要的现实意义。3.2硬件设计系统控制单元是以单片机主控模块为核心，
5、其它外围电路主要包括：ISP下载 线模块、系统供电模块、硬件时钟模块、看门狗模块、灯光驱动模块、数码管驱 动显示模块、环境光模块、EEPROM存储模块、人体存在传感器模块、超时报警 模块，其结构框图如图3-1所示：图 3-1 系统控制单元结构框图3.2.1环境光采集电路光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏三极管除了具 有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。在 无光照时三极管的穿透电流很小，为暗电流Iceo有光照时，产生的lb增大，成 为光电流Ie。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随 光照强度变化而变化的电信号。因此光敏三极管
6、灵敏度高，而且体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，其外形电路图形符号如图3-3。图3-3环境光采集电路原理图如图3-4所示。当自然光强大于一定程度时，光敏三极管D6呈现低阻状态1千欧，三极管Q12的基极电压升高，Q12管饱和导通，集电极输出低电平。当自然光强小于一定程度时，光敏三极管D6呈现高阻状态，100 千欧，使三极管Q12截止，集电极输出高电平。其中可变电阻R26可调节，调 R26阻值的大小，使Q12三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。图3-43.2.2人体存在传感器模块 自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同 波长的红外
7、线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分 为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感 器。与量子型相比，响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。 量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。本系统采用的是热释电红外传感 器，人体存在传感器主要采用了红外传感器的原理，它是目前在防盗报警、火灾 检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明等场合，及非接触温度测量等 领域应用最广泛的传感器。其原因为:被测对象自身发射红外线，可不必另设 光源；大气对2-2.61Lm,3-51Lm, 8-141Lm三个被称为“大气窗口”的特定光 通量的红外线吸收
8、甚少，可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响， 可不分昼夜进行检测。人体存在传感器的热释电红外探头的工作原理及特性如下: 人体都有恒定的体温，一般在37 度,所以会发出特定波长10pM左右的红外线，被动式红外探头就靠探测人体发射的10RM左右的红外线而进行工作的。人体发 射的10RM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感 应源采用热释电元件，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由人体存在的信号。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10pM左 右的红外辐射非常敏感。2）为了仅仅
9、对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤 光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。3）人体存在的探测，其传感器包含两个互相串联的热释电元，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）一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被人体存 在传感器的热释电元接收，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，经信号处理而输出有人体存在的信号。5）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。人体传感器透镜的信
10、号采集敏感区示意图如图3-5图3-5信号采集敏感区示意图有人进入时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，则人体存在被感应, 并输出高电平。若人体进入最不敏感移动方向时，则人体传感器所体现的信号就 会不理想，有时还会产生误动作，所以要特别注意人体传感器的安装方向。3.3软件设计在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。 用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法的确 定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。本控制软件的模块主要包括：系统监控主程序模块、数据采集模块及系统 功能键。3.3.1系统监控主程序监控主程序是整个控制系统的核心部分，
11、其外围模块一般都需要经过监控模 块实现其在监控系统中的作用。监控主程序接受和分析来自键盘的命令，进而把 控制转到相应的处理子程序的入口，起引导作用。本系统监控主程序模块包括对系统外围器件输入、输出参数的初始化自检，看门 狗的激活，多任务操作模块的调用，实时中断处理等。其监控主程序流程图如图 3-8所示定时时钟管理器图3-83.3.2数据采集软件设计的实现本系统考虑到环境观足够亮时，无论有否人体存在都不应该开灯；而环境光不够 亮时，有人体存在才开灯，无人体存在不开灯。本系统逻辑定义为环境光亮时为 二进制的“0”，暗时为“1”，人体存在为“1”，人体不存在为“0”，开灯为 “0”，关灯为“0”，那
12、么环境光与人体存在可以有以下的逻辑关系表4.1 。表4.1 环境与人的关系环境光参数人体存在参数教室灯状态010000111100上表数据表明可将环境光参数与人体存在参数相与门操作，又由于继电器是低平 驱动，所以要将采集处理后的信号进行非操作，才可以驱动继电器工作，即可得 到教室灯的状态。4结论本系统对适合应用于教室灯光控制系统部分进行了研究。以环境光、人体存 在状况等外界环境为控制器的输入参数，比单纯的人员管理教室灯光更合理更有 效的降低教室灯光的资源费用，同时还加入时间控制参数，使教室灯光的控制更 加符合学校的作息时间。本控制系统的设计对于各类大、中专院校的教师灯光管 理具有重要的意义，也
13、使用于各类办公室的灯光控制。该教室灯光系统的控制是以 AT89C2051 单片机主控单元为核心，通过相关电 脑的驱动，完成对系统设备（灯光）的控制，采用一个二极管闪烁显示整个系统 的工作状态，实现对教室灯光的自动开灯、关灯控制。系统设计智能化控制的同 时还设置了手动和遥控器控制，这样在系统偶尔出现故障时，可采用手动操纵， 不至于影响教室灯光的正常使用。在保证系统与已有的教室灯光配套使用时，不需要对原有设备电路进行大的 改动，以降低成本实现教室灯光的智能控制。5总结本文应用热释电传感器，光敏三极管及单片机控制技术，设计出教室照明控 制系统，达到了省电节能、操作方便、人性化控制的效果。本设计不仅可用于教 室的照明系统，还可对风扇、空调等用电装置实施相同的控制。本系统还可推广 至车站候车室、医院等公共场所。在当今大力倡导节能的背景下，具有很好的应 用价值。充分体现了传感器在现代化发展中，起着十分重要的作用。传感器技术是现代高新技术的关键，世界各国都十分重视传感技术的研究。21世纪是人类进入信息电子化时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人 们需要获得的电子信息种类日益增加。所以，高精度、高可靠性、微型化、低功 耗、智能化、网络化是未来传感器技术发展的方向。
