红外防盗报警系统设计.doc

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1、青岛理工大学毕业设计摘 要随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术正在不断地发展。与同时，红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，由于红外线是不可见光，因此用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且其抗干扰能力强。防盗报警系统利用单片机控制技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。本设计正是基于此，设计了主动式、被动式红外防盗报警系统。本文系统地介绍了红外线防盗系统的基本原理、组成框图，详细

2、地叙述了红外技术的发展及应用，描述了各项元器件的原理及构造，并给出部分基本电路。本文还细致地描述了利用单片机控制的软件流程、程序设计及调试，罗列了防盗报警器误报的分析及解决方法。关键词：红外探测；单片机；声光报警IABSTRACTAlong with the development of national economy, social security needs, electronic alarm this comprehensive technology is developing. And at the same time, infrared technology has become

3、 advanced science and technology, the important part due to the infrared is not visible light, and therefore use it for infrared detection monitoring, has the good concealment, day and night, and all can use its anti-interference ability. Anti-theft alarm system using single-chip microcomputer contr

4、ol technology, automatic detection occurred in protection monitoring area, have a warning signal intrusive behavior and suggest the regional parts, happened alarm display may take countermeasures system. Once, accidents, they can pass the acousto-optic alarm signal in security control center show cr

5、ash site, make to quickly take emergency measures. This design was based on this, design the active and passive infrared anti-theft alarm system. This paper introduces the basic principle of infrared alarm systems composed diagram, detailed, account of the infrared technology development and applica

6、tion of the various components, describes the principle and structure, and gives some basic circuit. This paper also careful to describe the microcontroller control software process, program design and commissioning, listing the alarm system misstatement analysis and solution.Keywords: Infrared dete

7、ction; microcontroller; sound-light alarmI目 录前言1第 1 章 绪论21.1 课题背景21.2 目的和意义31.3 发展现状3第 2 章 红外线52.1 红外线简介52.1.1 红外线52.1.2 红外辐射52.1.3 红外辐射原理62.2 红外技术62.2.1 红外技术定义62.2.2 红外技术的影响72.2.3 红外技术的发展趋势7第 3 章 红外探测器93.1 红外探测器93.2 红外探测器原理及分类93.2.1 红外探测器原理93.2.2 红外探测器分类10第 4 章 主要元器件介绍124.1 单片机AT89C2051124.2 电源电路13

8、4.2.1 固定三端稳压器134.2.2 78系列应用电路134.2.3 78系统L05144.3 555定时器144.3.1 555定时器简介144.3.2 555时序电路的电路结构和逻辑功能154.3.3 555定时器的应用164.4 COMS反相器结构电路及其工作原理184.4.1 COMS反相器184.4.2 反相器CC4069204.4.3 CC4069其他应用204.4.4 模拟声响发生器(扬声器)214.5 传感器组成214.6 红外发光二极管22第 5 章 声光报警电路245.1 555定时器组成的声光报警电路245.1.1 发射器原理245.1.2 接收器原理图：AT89C2

9、051红外接收电路图24第 6 章 单片机控制红外防盗报警系统266.1 实验装置266.2 硬件电路266.3 软件设计286.4 系统调试29第 7 章 防盗报警器误报的分析与解决方法307.1 防盗报警器故障引起的误报警307.2 报警器设计引起的误报警307.3 报警器安装引起的误报警317.4 用户使用不当引起的误报警317.5 环境引起的误报警31结论33致谢34参考文献35附录A36V前 言科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。现在人们更是感觉到了科技给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会

10、的发展中起了很大的推动作用，人类从原始向先进的发展都伴随着科学的发展，从原始的手工到现在的智能控制都是科技发展的结果，先进的科技能减轻人体劳动量、能更合理地利用时间完成任务，可以说科技的微小发展都会给人类带来很大的好处。当代生活中的人们越来越感觉到了社会的飞跃发展，科技的飞速发展给人们很多实惠、生活、学习、工作中都渗透着科技，都能明显地感受到它发展地威力。安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续性。随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术也在不断地发展。有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是

11、人们的基本要求，在无人看守的家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。报警器为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用。由于它是不可见光，因此用

12、它作防盗监控报警器，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。本设计正是基于此，设计了主动式、被动式红外防盗报警系统。第 1 章 绪论随着经济的发展，人们对防盗、防劫、防火保安设备的需求量大大增加。针对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行检测和报警的系统，其需求也越来越高。本设计运用单片机技术设计

13、了一款新颖红外线防盗报警器。而本设计中的输入部分主要是各种各样的传感器。不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为；不同作用的传感器，也可检测出不同类型的情况。本章节主要介绍了本设计的选题背景、目的意义、解决方法。1.1 课题背景单片机现在已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域，可以说单片机的应用已渗透到人类的生活、工作的每一个角落，这说明它和我们每个人的工作、生活密切相关，也说明我们每个人都有可能和有机会利用单片机去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境。红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，他在各领域都得到广泛的应用。由于他是不可见光，因此用他做防盗报警监控器，

14、具有良好的隐蔽性，白天黑夜均可使用，而且抗干扰能力强。这种监控报警装置广泛应用与博物馆、单位要害部门和家庭的防护。当我们考虑的范围广一点：若是在小区每一住户内安装防盗报警装置。当住户家中无人时，可把家庭内的防盗报警系统设置为布防状态，当窃贼闯入时，报警系统自动发出警报并向小区安保中心报警。周界报警系统：在小区的围墙上设置主动红外对射式探测器，防止罪犯由围墙翻入小区作案，保证小区内居民的生活安全。有的防盗报警系统还连有上位机。将探测器发回的现场信号按防区的类型与主机的工作状态(布防、撤防)作出逻辑判断，进而发出报警。一个防盗系统的功能主要体现在报警主机的功能上。1.2 目的和意义随着社会的不断进

15、步和科学技术不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护手段在不断的增强，对防盗设施的智能化提出了新的要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，由于使用了单片机做信号处理器，不但可以用于单一的住宅区，也可以用于较大规模住宅区的防盗系统。它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。在我国，目前市面上报警器主要有压力触发式防盗报警器开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。本系统采用了人体热释电红外传感器，在人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器因其价格低廉

16、、制作简单、成本低，安装比较方便，防盗性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠等特点，备受广大家庭用户的欢迎。而且防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。1.3 发展现状目前，国内市场上的防盗报警系统大部分是国外品牌，如：早期的美国安定保、C&K、日本艾礼富、以色列EL等，近几年进入中国市场的加拿大枫叶、德国博世、美国GE等，这些厂商无论是在资金和技术上，都具备很强的优势，对国内厂商的发展形成巨大的竞争压力；国内防盗报警产品厂商发展时间比较短，真正取得长足发展也是在2000年以后，特别是在2004年国内有些厂商迅速成长，投资规模和企业规模都在迅速发展和扩大。但是与国外厂商相比还有很大差距。现阶段，大部分工程商

17、安装防盗报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额。这主要是因为，在产品供给市场上，绝大部分国外品牌来自美国和日韩，防盗报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国是时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。现阶段国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射和接收以及微波等技术为基础。而这里所涉及的被动式报警器则采用了美国的传感元件热释电传感器。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

18、。随着国家智能化小区建设的推广，防盗系统已成为智能小区的必需设备。利用单片机控制技术和无线网络技术，开发一种具有联网功能的智能无线防盗系统，并开发相关的传感器。采用无线数据传输方式，不需重新布线，特别适用于已装修用户及布线不方便的场合。系统的信号发射部分主要采用热释电红外传感器，目前红外传感器有热释电型和量子型两种。其中热释电型是基于温度测量的工作方式。一般采用LiTaO3作为热释电材料，它在温度限定范围内稳定性好且价格低廉。LiTaO3热释电材料处于自发极化状态。当红外线入射吸收后，结晶的温度改变，自发极化也发生变化结晶表面的电荷变得不平衡。把这种不平衡电荷以电压变化的形式取出，便可检测红外

19、线。因此，热释电材料只有在温度变化时才产生电压。如果红外线一直照射，无不平衡电荷，电压的变化为零。没有红外线照射时，结晶表面电荷同样呈现为不平衡状态。热释电红外传感器因红外线照射(或遮挡)而产生(或失去)热量才有输出，因此，从原理上讲，它和波长没有什么关系，但应选用合适测定波长的滤光器作为窗口材料，才能实现其应有的功能。量子型红外传感器的特点是检测灵敏度高，响应速度快，响应的灵敏度与波长有关。信号接收部分采用的是AT89C2051单片机，现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一

20、块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。第 2 章 红外线2.1 红外线简介2.1.1 红外线红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于18

21、00年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。红外线具有：1.有热效应2.穿透云雾的能力强因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。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。“555”时基集成电路A1与外围元件构成了自激多谐振荡器,其振荡频率约为30kHz,占空比

22、为1:10远红外线的功能简介。2.1.2 红外辐射红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波(电磁辐射)。1666年，英国物理学家I.牛顿发现，太阳光经过三棱镜后分裂成彩色光带红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之外。因此，他认为在红光之外存在一种不可见光。后来的实验证明，这种不可见光与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律,所不同的只是一个物理参数波长。这种不可见光称为红外辐射，又称红外光、红外线。1718世纪，许多物理学家认为，光(包括红外光和紫外光)具有波动的性质,有一定的

23、传播速度,波长是它的特征参数并可以测量。可见光的彩色不同，反映了它们的波长不同。紫光的波长最短，红光的波长最长，红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律,提出了存在电磁波的可能性,它的传播速度可用纯电学量计算出来。后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。因而猜想，光波就是电磁波。1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。已知带电体受到扰动就发射出电磁波。扰动越强烈，发射出电磁波的能量就越大，波长就越短。2.1.3 红外辐射原理在某些应用现场，检测器要接触被测物是不实际或者是不可能的。而红外检测器可以在

24、短时间内远距离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。辐射原理 所有的物体都是由不断震动的原子构成的，高能量的原子震动频率越高。所有微粒的震动，包括这些原子，生成电磁波谱。物体的温度越高，它的震动就越快，因此光谱的辐射能量就越高。结果，所有物体都不停的以自身的波长频率向外辐射，而其波长和频率又取决于物体自身的温度和它的光谱比辐射率。视觉范围比率和到直径距离的比率 视觉范围是指仪器操作的角度，它是由该个体的视度所决定的。视觉范围是仪器和目标物距离与目标物直径的比率。目标物越小，你就应该靠它更近一些。当目标物的直径很小时，那么将温度计靠目标物近一些就显得很重要，这样可以确保只是在测量该目标物，而

25、不包括周围环境。视度操作D：S是指视点直径距离的比率，它包括目标物前面最大限度接受辐射的90%。激光可视激光点是用来显示测量区域的点，而不是散发出某种东西要测量。2.2 红外技术2.2.1 红外技术定义红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。红外技术的内容包含四个主要部分：1. 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性-反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。2. 红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。3. 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。4. 红外技术在军事上

26、和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。与红外线相关的技术还有：探测技术;精确制导技术;光电子技术；先进材料技术。2.2.2 红外技术的影响物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度(0K或-273)的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。我们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空中和空间获取

27、战场信息的关键技术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。红外技术已成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段。一切军事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外技术装备，就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导弹的发射

28、和方向，据说将来美国的天基红外系统可在20秒内，提供有关导弹发射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。2.2.3 红外技术的发展趋势红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。1. 红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106108元以上的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。2. 双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的

29、多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。3. 探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。4. 提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。5. 提高成品率，降低价格。第 3 章 红外探测器3.1 红外探测器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。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

30、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。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；由于红外探测

31、技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。3.2 红外探测器原理及分类3.2.1 红外探测器原理红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能，热能等其他形式的能量。根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引

32、起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子(即电子和/或空穴)数目的变化。由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数。而热探测器的响应正比与所吸收的能量。热探测器的换能过程包括：热阻效应，热伏效应，热气动效应和热释电效应。光子探测器的换能过程包括：光生伏特效应，光电导效应，光电磁效应和光发射效应。探测器已经有了20多年的发展历史，但是基于探测器本身的原理，目前还存在很多不尽人意的地方。例如，被动红外探测器受外界环境的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象；而当

33、温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况；另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物的活动，容易发生误报现象。3.2.2 红外探测器分类红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：1. 液态的水银温度计及气动的高莱池(Golay cell)：利用了材料的热胀冷缩效应。2. 电偶和热电堆：利用了

34、温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。3. 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。4. 测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；5. 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红

35、外辐射的功率。6. 光子探测器：光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。7. 光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。8. 光伏探测器：主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测

36、率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。9. 光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。10. 量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效

37、率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。第 4 章 主要元器件介绍4.1 单片机AT89C2051图 41 AT89C2051单片机如图 41所示，AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功

38、能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。1. 程序保密：89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。2. 软硬件的开发：89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统。(1) 由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循

39、环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。 (2) 将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真205T，这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。4.2 电源电路4.2.1 固定三端稳压器如图 42所示，三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳太器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能

40、稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输也三端稳太器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在使用时必须注意：(VI)和(Vo)之间的关系，以7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有23V及以上的压差。使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器,而损

41、坏器件。图 42 串联型稳压电路原理图4.2.2 78系列应用电路提高输电压的电路如图 43所示，其中I1为三端稳压器的静态工作电流，其值变化不大，一般在5mA左右，最大8mA，由于稳压作用，所以输出端为5V，也就是R1两端为5V，流过电流I2=5/R1，I2加上I1流过R2，所以R2两端的电压为(I1+I2)*R2，最后两个电阻两端的电压加起来就是，输也电压UO。4.2.3 78系统L05三端稳压器的通用产品有78系列(下电源)和79系列(负电源)，输出电压由具体型号中的后面两个数字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分

42、。L表示0.1A,M表示0.5A，无字母表示1.5A，如78L05表图 43 78L05管脚图引脚图4.3 555定时器4.3.1 555定时器简介如图 44所示，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特

43、触发器等脉冲产生与变换电路。555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得0和1两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。 图 44 555定

44、时器内部框图4.3.2 555时序电路的电路结构和逻辑功能图 45 555时基电路的电路结构和引脚图如图 45所示，为555时基电路的电路结构和8脚双列直插式的引脚图，由图可知555电路由电阻分压器、电压比较器、基本个部分组成。1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VC型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。3脚：OUT(或Vo)输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5

45、脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参

46、考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。4.3.3 555定时器的应用555组成的定时电路图 46所示。图 46 555组成的定时电路图2. 构成多谐振荡器如图 47所示，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1通R1、R2向C充电，以及C通过R2，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图4-10所示。图 47 构成多谐振荡器图图 48 多谐振荡器的

47、波形图输出信号的时间参数是 tw1=0.7（R1+R2）C (4-1) tw2=0.7R2C (4-2)其中，tw1为VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。 3. 组成占空比可调的多谐振荡器电路如图 49，D1、D2用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径(充电时D1导通，D2截止；放电时D2导通，D1截止)。图 49 555构成占空比可调的多谐振荡器可见，若取RA=RB，电路即可输出占空比为50的方波信号。4.4 COMS反相器结构电路及其工作原理4.4.1 COMS反相器如图 410所示CMOS反相器由两个增强型MOS场效应管组成，其中V1为NMOS管，称驱动管，V2为PMOS管，称负载管。 NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范围在25V之间。为了使电路能正常工作，要求电源电压UDD(UTN+|UTP|)。UDD可在318V之间工作，其适用范围较宽。图 410 CMOS反相器工作原理：(1) 当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此V1管截止，而此