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1、摘 要红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，FW赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。红外技术的内容包含四个主要部分，红外辐射的性质，红外元件、部件的研制、把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械、红外技术在军事上和国民经济中的应用。目前，对于红外线的探究已经趋于成熟了，越来越多的此类产品已经被研发出来，并深受顾客的欢迎，比如说：红外遥控器，人体感应器和红外测距仪，以及其他一些。本课程设计是设计一个红外反射式通道计数器，红外反射式通道计数器利用发光二极管和接收二极管实现对进出人数所产生的信号的接收，通过对信号的处理达到对进出人数的计数，并在
2、数码管上显示，从而达到对进出人数进行统计的目的。关键词：红外辐射；红外反射；双通道计数器。目 录摘 要1 红外技术简介11.1红外技术的起源和发展11.2红外技术的应用21.3红外技术的发展前景31.4对红外技术课堂的意见及建议42 设计方案52.1设计要求52.2 原理方框图62.3 各单元电路原理介绍63 硬件制作与调试94 参考文献10致 谢11附 录I12附 录II13一红外技术简介1.1、红外技术的起源与发展红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，FW赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。 1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐
3、射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。 19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。 20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。 30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。 40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红
4、外探测器得到新的推动。 到60年初期，对于13、35和813微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。 60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，
5、使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。1.2、红外技术的应用 红外应用产品种类繁多，本文选择红外热像、红外通讯、红外光谱仪、红外传感器等几个比较大的领域做介绍。1)、红外热像仪红外热像仪行业是一个发展前景非常广阔的新兴高科技产业，也是红外应用产品中市场份额最大的一块，在军民两个领域都有广泛的应用。红外热像仪在现代战争条件下的卫星、导弹、飞机等军事武器上获得了广泛的应用。同时，随着非制冷红外热成像技术的生产成本大幅度降低，该产品的应用已延伸到了电力、消防、工业、医疗、安防等国民经济各个部门。 据美国著
6、名高科技行业咨询公司Maxtech International的预测，未来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率将达到15%，到2012年，全球民用红外热像仪的市场需求将达到38.12亿美元。由于国内经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到20%，预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元。以美国为例，2000年，美国红外成像与红外测温系统的市场销售总额为18.2亿美元，比1999年增长了3%，预计到2008年，总的市场销售额将达到28.2亿美元，年综合增长率达到6.5%。 “我国红外热像仪市场还处于起步阶段，未来发展空间巨大。”中国光光学学会常务理事兼秘书
7、长倪国强先生在中国光电产业高层论坛上表示：在发达国家的军用领域，红外热像仪已得到非常广泛的配置，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少，其市场远景需求量相当巨大。随着高性能多色红外焦平面以及智能灵巧型片上图像处理技术的发展，预计这一比例还将继续走高。 随着北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的增加，对安全的要求越来越严格，越来越多的场所需要24小时持续监控。红外线在夜间监视的应用更加突出，不仅金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门采用，而且也在一般监控系统中也被广泛采用，甚至居民小区监控工程也应
8、用了红外线摄像机。带动了红外摄像市场持续升温。 2)、红外光谱仪红外光谱仪主要用于化学物理分析领域，可应用于各种物理化学实验室、石油、农业、检测等领域。按应用范围可分为通用型红外光谱仪和专用红外光谱仪，按波长范围分可分为近红外光谱仪和远红外光谱仪，目前以近红外光谱仪为主。现代近红外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。只有三者的完美结合才能达到高性能的要求。目前近红外专用光谱仪器的研制及应用在国内已受到很多专家的关注，并已开发研制出一批适应国内分析对象的仪器及应用软件。如，中国石油科学院的一批年轻学者在陆婉珍院士的带领下，研制和开发出了有我国自主知识产权的近红外专用光
9、谱仪器及其在我国石油科学中应用的一些软件；以北京农业大学严衍禄教授领导的“中国农业近红外分析技术网络系统”课题已完成，研制和开发了有自主知识产权的、适用于中国农业品品质的分析的软件；相秉仁教授在中国药科大学分析计算中心建立了Internet近红外光谱分析虚拟建模中心，进行近红外光谱分析的建模和数学模型维护等工作，并建立了一些中草药近红外分析的数学模型。 3)、红外传感器在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，都是温度传感器大显身手的地方。在食品行业红外温度可以在不被污染的的情况下实现食品温度记录，因
10、此备受欢迎。光纤红外传感器还具有抗电磁和射频干扰的特点，这为便携式红外传感器在汽车行业中的应用又开辟了新的市场。 随着红外测温技术的普遍应用，一种新型的红外技术智能（Smart）数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点。另外，随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器
11、的了解，其潜在用户正在增加。 1.3、红外技术的发展前景红外线自1800年被发现以来，人们对她的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看到红外的身影。但人们对她的研究仍然延续，时不时出现的新发明新应用，带给我们惊讶与感叹，人类对这座宝藏的开发还远远不够，红外产业还有广阔的扩张空间！红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种，其中红外成像精确制导是各国红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从60年代初开始研创。有资料统计，在过去的20年里，世界范围内多次的局部战争和有限军事冲突中，被导弹击中的飞机中有90%是被红外制导导弹击落
12、的, 有85%的地面和海上目标是被有红外制导能力的武器系统所击中。红外制导技术的扩展应用领域相当宽广，大量装备的还有阵地型、机载型、舰载型和星载型制导火控系统和预告警系统。这些地面系统由于基本不受体积、重量、造型和时效性的严格限制，又有人工参与进行维护和参数的现场设置。 在欧、美发达国家，非消耗性红外成像制导（指挥、预警和火控）系统的列装率较高，几乎军用（警用）舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备，并发挥了相当重要的作用。 民用领域根据美国Maxtech International 发布的红外市场报告， 2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，几年来，
13、全球民用红外热像仪市场需求年均增长率已超过了15%，预计2010 年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势由于红外技术具有很高的军用和民用价值，近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。1.4、对红外技术课堂的意见及建议我认为这门课程可以拓展学生的视野，扩大学生的知识面，虽然只是一门专业限选课，但它的重要性仍不能忽视。我们要重视这门课程的学习，因为它和当今的先进科学技术紧密联系，我们可以通过这门课程了解这一方面科技的新的科研成果，以及它将来的发展方向和趋势，便于我们准确定位，将来从事哪一方面的科学研究，对我们今后的
14、发展都是具有很大的意义的。我认为每节课都应有具体的任务，明确的目的和要求，每节课都给学生留有思考的空间，即留一些问题，问题的设计是有利于学生去思考二、设计方案2.1、设计要求设计并制作用于识别、计算通过管道的物品数目的光电识别计数器。（1）能够对通道内进出的人数进行统计；（2）当有人进入时自动加一，反之自动减一；（3）有效作用距离 20cm；（4）至少一位数码管显示。方案一：电路包括入口和出口的光电发射接收电路、信号放大电路和两位计数/译码/显示电路。应用到了电阻、发光二极管、光敏电阻、运算放大器、十进制加减计数器CD40110及数码管等元器件。如图2-1所示，LED正向压降1.66V，工作电
15、流5mA，所以选择阻值为665的电阻R1、R2为保护电阻。 图2-1 光电发射电路如图2-2所示，利用光敏电阻特性，使电桥电路输出电压变化，产生脉冲。Ra为盖黑胶布的光敏电阻3系列GL3516，亮电阻为10K，暗电阻为600K，提供温度补偿，电阻固定为600K。Rb为600K，Rc为10K。Rd为光敏电阻3系列GL3516，亮电阻为10K，暗电阻为600K。图2-2 光电接收电路方案二：电路包括光电发射接收电路、反相短路、信号互锁电路、计数/译码/显示电路和辅助电源电路五部分。其中Ra、Rb、Rc、Rd、Re为零欧电阻，可当做导线，作用是在焊接电路时替代飞线。不难看出方案二中的设计灵敏度更高，
16、顾选择方案二。2、原理方框图如图2-3所示，电路各部分工作原理及作用如下。光电发射接收电路(ST168反射式红外光电传感器)信号处理电路(4069反相器)计数译码显示电路(40110及数码管)信号互锁电路(74LS74双D触发器)图2-3 原理方框图3、各单元电路原理介绍a)光电发射接收电路如图2-4所示，该部分电路采用ST168作为核心器件，当有工件经过ST168时，便会产生脉冲。没有物体经过时，ST168内部为通路，输出为高电平。有物体经过时，输出为低电平。KST168外形如图2-5所示。内部为高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光图2-4 光电发射接收电路 图2-5 ST168外形图b)信
17、号处理电路因为由4069芯片对信号进行反相，以便有物体经过ST168时，输入到74LS74的是高电平。如图2-6所示，4069为6个反相器，引脚功能如图。图2-6 4069引脚功能图c)信号互锁电路如图2-7所示，74LS74是上升沿触发，此芯片将由4069芯片反相后输出的后一个信号始终封锁在高电平。如图2-8所示，74LS74是双D触发器，引脚如图。图2-7 信号互锁电路图2-8 74LS74引脚图d)辅助电源电路如图2-9所示，利用7805芯片将9V电源转为5V，芯片前后有两组电容起滤波作用。图2-9 辅助电源电路三、硬件制作与调试首先在电源输入端输入9V电压，然后用遮挡物依次挡住两个反射
18、式红外光电传感器，让其产生一个高电平，反相电路输出低电平脉冲，电路开始计数。在调试中，遇到了以下问题：1）接通电源后，数字显示管显示，LED灯不亮；2）工件计数器无法实现计数功能；3）工件计数器只能完成减法计数，无法完成加法计数。解决方案：1）换LED灯；2）检查电路，查看是否所有线路都连接完全，是否有引脚没有接通；3）检查是否焊接不好，线路中有断路情况。参考文献主编张克农 .数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年彭介华 主编.电子技术课程设计指导.高教出版社出版.第一版.2002年曾建唐 主编.电工电子基础实践教程.机械工业出版社.2002年康光华 主编.电子技术基础.高教出版社
19、出版.第四版.1999年电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP-5220、电子学习机型号规格WL-V、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。致 谢在此次设计过程中得到了很多老师的帮助，他们扎实的专业知识，认证负责的工作态度，严谨求实的作风使我受益匪浅。我们非常感谢我的指导老师邱雄迩老师，他对此次设计提出了很多宝贵的意见和建议，对于我们成功的完成设计任务起到了至关重要的作用，设计中遇到的难题，他能够引导我们的思路，并能够耐心的提出自己的观点和见解。附 录 I元器件清单表1 元器件清单元器件序号型号封装数量备注P1、P2ST168HDR1X42R1、R32220R2、R4220kR511kR61510Ra、Rb、Rc、Rd、Re504069CD4069VBEDIP141CT74LS74HD74LS74APDIP14140110CD40110BEDIP161C1、C424.7FC2、C320.1FU2L7805CVTO220ABN1STL36WW150501DLED0附 录 II设计方案电路