熱釋電傳感器課程設計總結報告

熱釋電傳感器課程設計總結報告

總結報告 2009年3月4號，我們十人在共同的目標——熱釋電傳感器設計下，組成了一個團隊，并在以后的四十天里，為我們共同的目標一起努力。 第一部分 各周進度報告 第三周，我們開了第一次討論會，大家在認真研讀老師給的設計要求的基礎上共同討論了我們設計的主要的功能，及它們的可實現、實用性。經討論確定了大致的方向，決定在充分查詢資料后于11日最終確定設計功能，及組員的分工。經過幾天的資料查詢，大家對HN911系列模塊有了深一步的了解，我們知道他具有從信號接收至控制輸出的全部功能。將它的輸出端上接單穩態電路(555)可以驅動繼電器，然后可以實現對門的控制。然后利用經延時電路處理的高平信號我們可以驅動我們其他模塊的運作。 然后，我們確定了基于熱釋電紅外傳感器設計的附加功能模塊： 感應式照明模塊 有人經過時照明燈打開（由LED代替）。 計數功能 用于統計人流量，每有一個人經過就計一次數，并有數碼管顯示人數。 歡迎／報警語音模塊 在密碼開關控制下，我們的設計可以實現歡迎和報警兩種模式。在關門期間，密碼開關打開為報警功能，要是有人在門前移動，儀器發出報警聲音并兩指示燈。在開門期間，密碼開關關閉為歡迎功能，有人來時，發出歡迎聲音。 在功能模塊的確定過程中，大家積極開動自己的思維，不斷提出意見，給出自己的想法，逐步完善了我們提出的功能模塊的設計及實現藍本。另外我們還對各模塊的實際應用價值及使用環境做了討論。 確定主要功能后，我們進行了分工。HN911設計延時及計數模塊由張偉、周大進、王小峰負責，密碼開關功能由:卜興華、劉鵬負責，語音模塊由:張倫均、左雄、黃奎林負責，光路模塊由:周慶偉，張水兵負責。 第四周，在跟老師進行交流后了解到HN911模塊由于集成度太高并不符合設計要。這周我們完成了元件的初步采購，針對實際買到的元件我們經過討論對設計原理圖進行了調整，并進行了各個模塊的調試。最主要的調整在對熱釋電傳感器基礎模塊的改動，我們采用了自己搭建探測模塊的方法，這在一定程度上增加了我們調試的難度，但更鍛煉了我們的動手能力。 在功能的初步確定及元件的采購過程中我們發現理論設計要與實踐相結合，充分考慮設計的可實現性及元器件的成本，是否能買到。在能買到的元件的基礎上應及時對設計做出調整，完善各功能模塊。 在各個模塊設計和元件都到位的情況下我們開始了調試工作，這其中真可謂是困難重重 啊，不過經過大家的共同努力我們還是實現了各個功能的調試工作。 第六周，在各個模塊的調試基本完成后我們展開了最后的工作——焊接，這一部分由周大進同學帶領進行。在第三周的設計過程中我們就考慮到模塊與傳感器銜接的問題，在最后的模塊確定時，我們就要求每一個模塊的控制信號都必須與我們傳感器部分的輸出信號相匹配，這在一定程度上減小了我們各模塊集成時的難度。 調試及焊接過程中的體會，遇到的問題和具體的解決方案將在在各個模塊的介紹中詳細介紹。 第二部分 功能模塊原理圖及功能介紹 1.熱釋電傳感器探測模塊 (1).PIR工作原理 ①熱釋電效應 若某些強介電質物質的表面發生變化,隨著溫度的上升或下降,在這些物質表面上就會產生電荷的變化,這種現象稱為熱釋電效應,是熱電效應的一種。 在鈦酸鋇一類的晶體上,上下表面設置電極,在上表面加以黑色膜,若有紅外線間歇地照射,其表面溫度上升ΔT,其晶體內部的原子排列將產生變化,引起自發極化電荷ΔP,設元件的電容為C,則元件兩電極的電壓為ΔP/C。 另外,需指出的是,熱釋電效應產生的電荷不是永存的,只要它出現,很快會被空氣中的單個離子所結合。因此,用熱釋電效應制成的紅外傳感器,往往在它的元件前面加機械式的周期遮光裝置,以使此電荷周期地出現,只有測移動物體時可不用。 �、跓後岆妭鞲衅鞯臉嬙� 熱釋電紅外傳感器由以下幾部分構成:①具有熱釋電效應的陶瓷材料;②構成電路的鋁基板、場效應晶體管(FET);③限制入射紅外波長的窗口材料;④外殼TO-5型管帽和管座。圖1及圖2分別為熱釋電紅外線傳感器的結構圖及電路圖,電容的電流發生器輸出阻抗高,而且輸出電壓信號又極其微弱,故在管內的敏感元件FET上加一層黑色氧化膜以提高其轉換效率。它的等效電路是一個在負載電阻上并聯一個放大器及厚膜電阻,以達到阻抗變換的目的。在管殼的頂部設有濾光鏡(TO-5封裝),而樹脂封裝的則設在側面。 1·內接線　2·氧化膜　3·PZT　4·元件　5·鋁件　6·電極　7·接腳　8·FET　9·空洞 熱釋電紅外傳感器電路圖 (2)主模塊電路結構 主電路采用的是BISS00001驅動芯片,它的功能是對PIR感應到的信號進行放大和濾波，使PIR感受到的微小信號轉化成我們所需要的數字信號.得到所需要的數字信號后,我們再利用BJT的開關特性,控制其它的功能模塊。  BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區域，或用于安全區域的自動燈光、照明和報警系統。下面是它的功能引腳圖：　 通過對BISS0001的了解,我們設計主模塊的電路圖： 在第一次主模塊電路的調試過程中,我們遇到了許多的困難，最初搭出來的電路沒有反應,要么就是沒有規律的反應。后來在進行了無數次實驗后,我們找到了許多問題所在,比如說電路搭錯了，元件損壞等原因.再吸取多次失敗的教訓后,我們較早的搭出了主電路。 在主電路的焊接過程中,由于沒有注意到保護元件，在主電路焊接完成后,發現電路并不能正常的工作,剛開始懷疑是電路接錯或者是芯片被燒壞了，后來經過仔細的檢查,原來是PIR探頭在焊接的過程中,不小心給燒壞了。于是在第一次的焊接經驗上,我們焊接了第二塊主模板電路,并取得了成功。 2. 計數器模塊 本功能模塊可用于計算通過該傳感器的人數有多少，可以廣泛運用于圖書館的人流量、商場的客流量、高速公路上的車流量、野外動物的考察等多個領域。 本功能模塊基于熱釋電紅外傳感模塊，由計數器以及顯示器三個部分共同構成。當有人通過時，熱釋電紅外傳感器輸出一個脈沖信號，經過放大、穩壓、恒溫的處理后（在此不再重復其原理），到達我們的計數器（如下圖：IC2~IC6為十六進制計數器74161）。此時計數器由于得到信號的輸入，記下一位數。計數器再通過譯碼顯示驅動器（如下圖：IC3~IC7為CD451）的作用，與二極管組成的顯示器（LND1）連接，顯示器上便會出現此次計數的數字。此后，若再有信號輸入，計數器便會再計數一次，顯示器顯示相應的數字。當IC2每計數十次，便從IC2的CO端輸出一個進位脈沖，IC4便計數一次。IC4每計數十次，便從其自身CO端口輸出一個進位信號，IC6便計數一次。由此可以組成一個百位的計數器。在我們的設計中，我們將IC2 的清零端,加以利用，使我們的模塊有了清零功能。 在認識了計數器的工作原理后，我們開始設計電路,由于時間所限，如果設計兩位的計數器,在焊接時就會帶來不便,而且會影響我們整個課題的進程,所以我們就設計了只有一位的計數電路,如下圖所示： 我們在調試計數器過程中，發現在有一個高電平接入時，計數器有時會發生跳變，原因是TTL芯片引腳懸空是默認為低電平，但作為輸入端是必須接高電平或接地，否則會有噪聲干擾，可通過接入上/下拉電阻屏蔽干擾。另外若輸入信號存在毛刺，也會導致計數器的跳變，目前只是想通過實現觸發器的不可重復觸發加以解決。 用555定時器組成的施密特觸發器，具有可調的觸發電平，通過改變控制電壓的大小我們可以屏蔽一部分毛刺信號的干擾。通過調試，我們找到了合適的控制電壓，在7.2V時可以屏蔽干擾實現穩定的計數。 但是在快要焊接的時候,我們又重新在面包板上調試了計數器,和上次不同的是,我們的主模塊已經焊接出來,這時的輸出信號比我們之前調試用的信號穩定,所以在不用555濾波的情況下,我們的計數器也能夠正常的計數,所以就省去了555濾波電路。 3. 密碼鎖模塊 我們用到的主要芯片是GAL20V8B,通過對可編程邏輯器件的學習，我們設計程序, 編寫了一個簡單的并行密碼鎖，右圖為芯片的功能引腳圖，其中1腳是時鐘輸入,2、4、6、腳是密碼設置, 3、5、7是密碼輸入,12腳為接地端,16、17、15、18、19腳為輸出,當密碼設置同密碼輸入完全相同時,芯片15腳輸出一個高電平,當密碼設置同學密碼輸入不同時,15腳為低電平。 在電路調試過程所遇到的問題: 當程序在電腦上仿真完全正確后,我們將程序寫入芯片中,可是在實際的調試電路中,我們卻沒能得到所想的結果和功能,后來我們發現,我們的時鐘不標準,可是無論我們是用高頻的晶振,還是用低頻的555電路,都不能使芯片正常的工作,所以在后面的電路的設計中,我們沒有用到時序. 下圖為密碼鎖的電路結構圖,由于GAL對工作電源要求比較高，所以我們采用了一個9V的直流電源進行穩壓后對芯片進行供電，密碼設置和密碼輸入分別采用3個電平開關,當開關彈起為地電平接電源負極，當開關閉合時為高電平接電源正極,V0為密碼信號的輸出。 4. 歡迎/報警語音模塊 我們采用的語音報警芯片是CK9561(四音報警)，該芯片內部集成了四種報警聲，它的特點是需要的電壓低，電路連接簡單,我們利用芯片報警聲中的兩種，以區分我們的語音模式,一個為正常的歡迎模式，另一個為報警模式,而模式的切換則由密碼控制，下面分別是CK9561的功能電路圖和我們語音模塊的控制電路圖： 在左圖中,開關S1的閉合和斷開,可以產生其中的兩種報警聲,我們將S1換成一個BJT作為自動開關，當密碼鎖模塊送來一個高電平的時候，使S1閉合，語音芯片切換到報警模式,當密碼鎖模塊送來的是低電平時,則為正常的歡迎模式，而芯片主電源則由PIR信號的控制,當PIR感受到有移動的人體后,通過BISS0001的處理的,輸出的高電平使BJT導通，將主電源接入語音芯片電路，達到人來鈴響的目的。 第三部分 成本計算 第一次采購基本元器件 ——90元 第二次補購熱釋電探頭、芯片等——20元 元器件總額為110元。 最后焊接在板子上的元件包括:PIR探頭1個,透鏡1個,BISS0001芯片1塊,穩壓管1個,7400、4LS161、74LS248、共陰極數碼管各1個,LED燈1個,電位器3個,電平開關7個,單刀雙擲開關1個,103電容4個,104電容1個,9013三極管4個,10uF電容1個,47uF電容1個,電阻若干,9V電源1個,七號電池7節,揚聲器1個,電路焊接板1塊。 總計40元。

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