红外系统(精选十篇)
红外系统 篇1
红外成像系统效应理论建模、成像仿真和性能评估是光电成像技术领域的重要研究内容,也是成像仿真领域的研究热点.红外注入式仿真试验因其不受环境限制、可重复和费用较低逐渐成为红外设备性能评估的一种重要手段.红外注入式仿真试验中数字红外图像作为信号源直接注入信息处理机,在仿真回路中缺少光学系统和探测器介入,所以需对红外成像系统效应进行仿真.而基于具体红外设备参数和实测数据支持的红外成像系统效应仿真,其仿真结果更有说服力.
1 红外成像系统效应仿真原理与过程
在仿真中红外成像系统可假定为线性、空间移不变系统[1].假设物空间场景物分布用i(x,y)来描述,由狄拉克δ函数“细分性质”,场景物分布可以细分成单个光点(δ函数)的加权叠加,即
系统对理想点源δ函数的响应函数h(x,y)为系统的脉冲响应函数或点扩展函数.像函数用o(x,y)表示,对线性成像过程,应该满足叠加原理
dx′dy′ (2)
根据卷积定义,式(2)中像函数正是场景物空间分布i(x,y)与h(x,y)函数的卷积.
o(x,y)=i(x,y)*h(x,y) (3)
所以合理建立系统成像过程中脉冲响应函数或点扩展函数模型,并通过合理叠加噪声,就可以得到一幅包含系统各组成部分效应的红外仿真图像[2].
2 红外系统效应仿真
外场性能评估一般不能获取系统的基本结构参数,但能获取均匀红外图像、信号传递函数SiTF和特定条件下技术指标等,这样就无法利用理论模型进行系统效应仿真.如何将系统的测量参量与成像仿真进行有效结合,且与外场特定条件下技术指标联系起来进行红外成像系统的仿真,并进一步预测成像系统的外场性能,是希望讨论的,红外成像系统仿真主要为光学系统效应仿真和探测器效应仿真.
2.1 光学系统效应
2.1.1 像差效应
实测红外图像经光学系统成像,受像差效应影响.由上知,输出图像为几何光学理想像和该视场角下光学系统点扩散函数卷积.不同视场角其传递函数不同,即使是同一视场角在弧矢方向和子午方向点扩散函数也不相同.但对于轴对称光学系统,其光学系统点扩散函数也是圆对称的,且点扩展函数对于几何像点也是轴对称的[1,2].图1是根据系统具体参数计算得到红外设备光学系统9个视场方向的点扩展函数图.
在应用中需将精确连续理论模型进行离散化,即把光学系统视场划分为若干个等晕区,在一个等晕区内点扩散函数可以由给定多个点来近似.由表1知点扩散函数取点越密,其仿真越精确,但耗时越长.所以根据红外场景复杂程度和探测器类型,可以采用不同的简化模型.
2.1.2 离焦效应
试验过程中存在调焦误差或目标物距发生变化但像面位置未变而导致的离焦.光学系统离焦效应导致目标成像能量弥散、图像分辨率下降,影响设备目标探测能力和作用距离.在离焦情况下,光点在像面上所成弥散像形状与孔径相似,可认为是一个弥散圆[3].假定每个点强度均匀分布在半径为R的圆面内,则点扩展函数为
根据实测目标航迹、系统具体参数和目标几何成像过程可以求得R为
2.2 探测器效应
2.2.1 空间积分效应
一般目标模型数字图像像素规模较大,如进行缩放后使用点扩展函数进行处理明显多余.以C/D/C分析模型为基础,采用像素处理方法直接在空间域进行仿真,依据探测器像元间距和光敏尺寸所对应场景像素数目进行空间采样和辐射积分平均.图2给出某具体参数下不同距离飞机采样图像.
2.2.2 噪声仿真
1990年前后美国陆军夜视与电子传感器管理局提出了三维噪声模型,将噪声置于一个三维坐标系中(时间轴、垂直轴及水平轴)来考察噪声大小.模型中:图像数据用一个全程常数和7种特色噪声综合组成[4].用U(t,v,h)代表t帧v行h列的输出,信号和噪声单位都是‘灰度’,有
U(t,v,h)=S+Nt+Nv+Nh+Ntv+Nth+Nvh+Ntvh (6)
S为观察均匀背景时各个单元输出的均值,S项后7个噪声项随时间、空间波动,它们均值为0,均方根为σ.系统总噪声为
红外成像系统各个噪声分量均方根、系统信号传递函数SiTF(灰度/K)和等效温差满足式(8)[4,5].
不同红外成像系统,其三维噪声分量与其系统工作方式相关.对特定设备其σtvh是一个相对固定值,通过设备固有参数和式(8)可以计算得到σtvh.而根据设备情况、使用环境和噪声模型可以估计其他噪声分量大小;也可以结合试验前实测数据进行噪声测量,确定各个噪声关系进行系统噪声仿真.
3 图像仿真
取目标距离5 km、σtvh为3.5个灰度、中等噪声、填充因子0.9,结合红外系统具体参数,基于已有试验数据和模型默认参数进行红外图像仿真[5,6],仿真图像如图3所示.
由图3知,红外图像目标受光学系统像差、离焦效应和探测器空间采样效应的影响,在目标区边缘存在灰度缓慢变化和模糊.红外图像噪声分量由于有实际数据规范不再是简单不相关的随机分布,而是接近实际情况并呈现一定纹理分布,整个红外图像仿真取得了较好效果.
4 结 束 语
依据数学仿真思路结合已有红外图像数据,探讨了联系红外成像系统测量参量的红外成像系统效应仿真方法.通过设备精确参数和航迹数据进行红外成像系统光学效应仿真;试验前在红外成像系统前放置均匀背景目标,提取红外成像系统各个噪声分量,确定需要仿真的各个噪声分量与时间行列噪声相应关系,然后结合系统固有参数、设备状态和环境情况完成系统噪声仿真,其仿真结果因为有试验和实测数据的介入而更有说服力.通过外场试验和内场仿真试验相互验证和结合,可以更好地进行红外成像系统的性能评估.
参考文献
[1] 吕乃光.傅立叶光学[M].北京:机械工业出版社,2006:139-159.
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[3] 原育凯,程仕东,裴云天. 光学系统离焦对自动调焦评价函数的影响[J]. 光电工程,2005,32(12):51-54.
[4] 唐海蓉,金伟其,仇谷峰.二代热成像系统的三维噪声模型[J]. 红外技术,2000,22(6):7-11.
[5] ZUO Yue-Ping,ZHANG Jian-Qi,HUANG XI.Influence of detector noise on infrared images[J].SPIE Proceeding,2001,4548:381-386.
[6] Phil Richardson, Brian Miller.Third Generation FLIR Simulation at NVESD[J].SPIE Proceeding,2007,6543:65430K-1-65430K-11.
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远程红外温度采集系统设计 篇2
其能够实时的对周围环境温度进行采集和监视,通常条件下可检测10m左右的范围内的温度。
关键词 DS18B20;红外线;脉宽调制
0 引言
远程红外温度采集系统是通过红外通讯技术实现对温度的信息的数据传输,红外线经过发射器发射到指定位置,探测到有效数据后返回经过接收器接收,完成对温度信息的采集。
远程红外温度采集系统是采用红外通讯技术实现对温度数据的采集,红外通讯技术是基于AT89C51单片机的红外温度采集系统设计,其操作简单、使用方便、使用成本低等特性在温度采集方面得以广泛的应用。
其能够实时的对周围环境温度进行采集和监视,通常条件下可以检测10m左右的范围内的温度。
本文结合红外通讯技术介绍一种基于单片机远程红外测温系统,并对该系统的设计方案及设计原理进行了详细讨论。
1 红外通信原理
红外通信原理流程是发射模块是由单片机构成,能够调制二进制编码数据,使其转换为脉冲数据串信号,在经过发射管的推动发射出去红外信号。
在接收端通过红外线脉冲波的接收模块对红外信号进行接收,在通过检验、放大、编制、译码转化为可读的有效数据。
红外线接收模块通过一体化红外接收头接收解调,并通过单片机解码,再显示在数码显示管上供我们读取数据。
红外通信原理流程:
单片机(输出调制)-红外发射电路(发送)-一体化红外接收头(接收解调)-单片机(解码)-显示管(显示数值)。
2 系统设计方案
远程红外温度采集系统设计的硬件设备采用数字温度传感器(DS18B20)对周围环境的温度进行采集,在通过单片机(AT89S51)对温度信息进行输出调制,经过调制后通过红外线发射电路(二极管发射器)发射到空中,接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集,经过接收解调(检验、放大等),传送给单片机(AT89S51)进行解码,通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。
硬件设计与实现:
1)数字温度传感器(DS18B20)
数字温度传感器(DS18B20)能够感知环境周围的温度,并将感知的温度进行采集和将温度信息转变为数据,数字温度传感器(DS18B20)通过对1线I/O口进行数据写入,再采用串行通信与微控制器进行通信(温度传感器工作电压3V~5V,测量温度精度0.5°,测量温度范围-55°~+125°)温度采集电路如图示。
2)控制单元
远程红外温度采集系统的控制单元采用单片机AT89S51,单片机AT89S51拥有8KB的FlashROM内存,可进行反复的数据存储与擦拭,用于对数字温度传感器(DS18B20)感应到的温度信息进行存储和编辑。
单片机AT89S51拥有连接数字温度传感器(DS18B20)与数码显示二级管的连接接口,可将温度信息进行调制传输和解制显示。
3)显示模块
远程红外温度采集系统的温度是通过4位八段的数码管显示,能够将采集的温度数值精准到0.1°。
3 软件设计原理
经红外遥控接收器对红外脉冲信号的每个脉宽进行测量,通过CPU解码,同时执行指令还原PWM码。
将红外脉冲的脉宽以二进制数值(0,1)表示,对红外脉冲信号的脉冲宽度、间隔时间、脉冲周期进行划分脉冲宽度在0.56ms,间隔时间在1.68ms,脉冲周期在2.24ms的脉冲信号用“1”表示,其他宽度、间隔时间、脉冲周期的脉冲信号用“0”表示。
当INT0为高电平时启动定时器进行计数;到INT0变为低电平时,结束计数,读取这一周期T0的数值。
再将T0设置为初值0,进行循环操作。
通过单片机对二进制“0”“1”进行解码,并在数码管中显示出所探测的环境温度数值。
4 结论
远程红外温度采集系统的设计主要是通过数字温度传感器(DS18B20)对周围环境的温度进行采集,在通过单片机(AT89S51)对温度信息进行输出调制,经过调制后通过红外线发射电路(二极管发射器)发射到空中,接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集,经过接收解调(检验、放大等),传送给单片机(AT89S51)进行解码,通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。
我们通过对红外线传输与接收原理的学习,更好的掌握远程红外温度采集系统的设计。
制作的无线红外温度采集系统硬件,可以实现温度的无线采集,并且相当精确。
本系统中38kHz载波的产生和红外编码都是通过软件产生,节省了硬件。
当然,电路还有些改进的地方,比如可设置温度上下限,并能进行报警,起到提醒用户的作用。
参考文献
[1]陈杰.传感器检测技术[M].北京:高等教育出版社,.
[2]MoulyM,PauterMB.GSM数字移动通信系统[M].北京:电子工业出版社,.
[3]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,.
[4]孙涵芳,徐爱卿.MCS51系列单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991.
红外变焦光学系统设计 篇3
关键词: 光学设计; 红外变焦; 折/衍混合
中图分类号: TN 21文献标识码: Adoi: 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.007
引言
变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化,而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基本不变,并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。连续变焦的红外光学系统不仅可兼顾大视场搜索和小视场瞄准跟踪的要求,而且还可以解决两档或多档镜头由于视场切换,在短时间内对快速运动的目标丢失这一缺陷。红外技术在医疗、工业方面等也得到了广泛的应用。它可以发现人体温度的微小差异,因而可用来诊断与体温有关的许多疾病。在工业方面,可用于工业热故障探测、热能耗散、无损检测等领域。所以设计红外变焦镜头具有一定的现实意义[1]。
2.3设计结果分析与像质评价
由于该系统的变倍比不大,并且考虑到尽可能小的光学系统筒长,因此采用负组补偿的结构型式为宜。对于后固定组,它主要是为了校正系统的像差。这里应用两片透镜,类似于Petzval物镜的结构型式。这样做有两点好处:(1)第4片透镜的通光口径较大,为了让光线逐渐会聚,所以用两片正透镜。为了避免入射光线在透镜表面的入射角过大(入射角过大,系统的像差不好校正),所以第4片透镜和第5片透镜间距相对较大。同时,第4片透镜与第5片透镜的光焦度分配要合适。(2)第5片透镜的作用类似于场镜,放在像面附近。它具有校正场曲,平衡系统像散的作用。
与可见光波段的材料相比,红外材料的透过率略低。同时要考虑材料对光线的吸收,所以尽可能减少透镜片数是很有必要的。通过合理使用非球面和衍射面,能减少透镜的片数,并且对像差校正也有好处,进而使整个系统结构简单、紧凑。
最终优化得到的长波红外连续变焦光学系统的结构示意图,如图1所示,依次为短焦位置、中焦位置和长焦位置,系统总长209.5 mm,后工作距离10 mm。光学系统在各个孔径处的球差和位置色差,如图2所示。由于系统引入了衍射面和非球面,可以看到在球差和色差得到很好校正。
3结论
设计了工作在8~12 μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统仅由5片透镜构成,采用负组补偿的型式。在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50~150 mm,光学筒长209.5 mm。该系统仅使用锗这一种材料,通过引入偶次非球面和衍射面,从而使系统结构简化,并提高了成像质量。系统在空间频率为20 lp/mm 处,各个视场的MTF均在0.5以上。单点金刚石车削的加工工艺已经成熟,非球面及衍射元件可以很好地应用在红外光学系统当中。该光学系统可以广泛应用于前视红外系统及红外扫描成像系统中。
参考文献:
[1]陈津津,赵劲松.一种紧凑型折射式红外搜索/跟踪光学系统设计[J].红外技术,2008,30(5):279-282.
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[4]孙强,刘宏波,王肇圻.红外折射/衍射超常温光学系统[J].光子学报,2003,32(4):466-469.
[5]范长江,王肇圻,吴环宝.红外双波段双层谐衍射光学系统设计[J].光学学报,2007,27(7):1266-1270.
[6]王肇圻,张轶楠,傅汝廉,等.折/衍混合 Petzval光电摄像物镜设计[J].光学精密工程,2005,13(1):1-4.
[7]崔庆丰,匡裕光.混合复消色差透镜组的设计原理[J].光学学报,1995,15(4):449-503.
[8]梁宜勇,杨国光.衍射光学器件的激光辅助制造[J].光学仪器,2002,24(5):86-90.
红外温度采集系统 篇4
关键词:单片机,液晶显示器,红外温度,MCS-51
1 系统方案设计
该系统仍采用MC S-51系列单片机A T 89S5 1作为控制核心。温度检测采用MLX90614红外温度传感器;显示采用液晶显示模块1602, 其体积小, 集成度高, 耗电量小。电路连线比较简单, 并且制作产品体积小, 便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性, 能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。
软件控制程序主要有主控程序、红外温度采集程序、延时子程序、液晶显示子程序、按键子程序等组成。主控程序中对整个程序进行控制, 进行了初始化程序及计数器、还有键盘功能程序、以及显示程序等工作, 红外温度采集程序是红外温度采集系统中比较重要的部分。而红外温度采集程序主要是MLX90614内部数据的转换以及信号的输出。
2 红外温度采集系统电路工作原理
该系统原理图可分为4个部分。分别是单片机最小系统外接模块、1602液晶显示电路模块、红外温度采集、电源电路模块和按键模块如图1所示。
各模块的工作原理。红外温度采集模块:主要作用是通过红外温度传感器MLX 90614将采集到的温度转换为数字信号送单片机89s51进行处理。单片机控制模块:作用是通过编写相应的程序控制各个模块的工作, 从而实现相应的功能。液晶显示模块:作用是将单片机处理后的温度采集信息在液晶显示屏上显示出来供我们观看。按键模块:作用是通过按键的按下给单片机一个动作信号从而控制数据采集的开始与结束。电源模块:电源采用适用比较广泛的7805构成一稳压源, 从而为各个模块提供相应的工作电压。
3 电路板的绘制
电路板的绘制步骤有以下几点。
(1) 电路原理图的设计:电路原理图的设计主要是Protel99se的原理图设计系统来绘制电路原理图。在这一过程中, 要充分的利用Protel99se所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能, 来实现设计目的。
(2) 印制电路板的设计:印制电路板的设计主要是针对Protel99se的另一个重要的部分PCB而言的, 在这个过程中, 我们借助Protel99se提供的强大功能实现电路板的版面设计, 完成高难度的工作。
4 ML90614发送与接收时序
ML90614时序如图2所示。MLX90614S MBus模式基本操作流程如下:
在进行SMBus设置是先将MLX90614转换到SMBus模式下, 转换方法是在请求时间段Treq时间段内, 强制将SCL置为低电平, 从而完成PWM模式到SMBus模式的转换。
5 液晶显示模块1602
基本时序如前1602液晶显示模块所述
读状态:输入:R S=L, RW=H, E=L输出:D0—D7=状态字
写指令:输入:RS=L, RW=L, D0—D7=指令码, E=高脉冲输出:无
读数据:输入:R S=H, RW=H, E=H输出:D0—D7=数据
写数据:输入:RS=H, RW=L, D0—D7=数据, E=高脉冲输出:无初始化设置?
6 设计流程图
按键子程序流程图如图3所示。
参考文献
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[2]赵晶电路设计与制版—Protel99高级应用 (第1版) [J], 2000, 11.
[3]张义和, 王敏男, 许宏昌, 等.例说51单片机 (C语言版) (第1版) [J], 2008, 4.
[4]杨成利, 董蕴华.数字电子技术 (第1版) [J], 2005, 6.
[5]胡宴如, 耿苏燕.模拟电子技术 (第2版) [J], 2004, 2.
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[8]周立功.单片机实验与实践 (第1版) [J], 2004, 8.
红外线自动们控制系统设计总结 篇5
红外线自动门控制系统的设计总结
本次设计的题目是“红外线自动门控制系统”,所以设计的自动门具有手动和自动开门功能和分时间段控制功能。通过使用红外线作为感应器,检测到人体辐射的红外线能量,传给单片机。通过单片机控制交流电机,使自动门打开,当人进门后,又可自动关门。
本论文着重阐述了以单片机为主体,LED点阵显示芯片及直流电机为核心的自动控制系统。该系统主要应用AT89C51作为控制核心,LED点阵显示芯片、直流电机、红外线传感器相结合的组成结构,充分发挥了单片机的性能。其优点是硬件电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,性价比较高等,具有一定的使用和参考价值。
红外系统 篇6
“通用红外对抗系统”(CIRCM)项目于2009年4月获得美国国防部负责采购的副防长授权,2010年开始招标。2011年8月,英国BAE系统公司、美国ITT Exelis公司、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼公司及雷声公司分别拿出了各自的竞标方案。
BAE系统公司拿出的是已经配套装备了83架CH-47“支奴干”直升机并于2009年就投入到伊拉克和阿富汗战场的AN/ALQ-212 “高级威胁红外对抗系统”(ATIRCM);ITT Exelis公司推出的则是使用了“量子级联激光器”技术的新型系统,并在UH-60“黑鹰”直升机上进行了测试;洛克希德·马丁公司的产品同样使用“量子级联激光器”技术,同时结合了DRS技术公司提供的指示跟踪器模块;诺斯罗普·格鲁曼公司的竞标产品为AAQ-24“复仇女神”定向红外对抗系统;雷声公司的方案使用了AIM-9X“响尾蛇”空空导弹的目标指示器,并整合了“量子级联激光器”模块。
最终,“通用红外对抗系统”(CIRCM)项目由BAE系统公司和诺斯罗普·格鲁曼公司共同研发,旨在为飞机提供一套轻型红外对抗系统,主要针对地面便携式防空系统进行防御,整套系统质量仅38.6kg。该系统可以提供直接的红外对抗,具备较强的目标跟踪能力,锁定目标后发射低功率激光脉冲来干扰导弹的制导系统,使其失去方向。“通用红外对抗系统”的首要任务就是保护机上飞行人员和乘员的生命安全,从类别上讲属于飞行生存设备,拟配备在直升机、倾转旋翼机和小型固定翼飞机上使用,例如AH-64阿帕奇直升机、UH-60“黑鹰”直升机、AH-1“眼镜蛇”直升机、MV-22“鱼鹰”倾转旋翼机上都可以安装,未来也有可能装备到KC-135飞机或无人机上。据悉,美国陆军定制了1076套系统,预计于2015年内开始批量生产,2017年正式装备,合同总价值约合15亿美元。
CIRCM系统两大优势
便携式防空导弹一般都采用红外制导方式,也就是对具备红外热敏信号特征的目标实施进攻,CIRCM正是利用激光来对抗红外探测系统,可以有效应对便携式防空导弹的威胁。
当前,军用飞机如CH-47“支奴干”直升机上装备的“高级威胁红外对抗系统”(ATIRCM)、大型机载红外对抗系统等体积都过大,中小型飞机难以负担载荷,而CIRCM具有轻便、安装简易等特性,是ATIRCM的轻便版,可以满足军队的需求。
CIRCM的优势主要表现在两方面:
一是信息化程度高,便携式设计易于拆装。CIRCM完全实现了自动化运转,对于飞行人员和乘员而言是极具价值的防空系统。整套系统由A套件和B套件两部分组成,B套件包含指示器单元、激光发射器和系统处理单元3个硬件组成部分;A套件主要是B套件安装所必须的线缆。如果飞机上已经安装了A套件,则B套件的安装时间会大大缩短。在这种设计结构之下,B套件会很容易安装,也就是说,整套系统可根据任务需要随时拆装,任务结束后即可拆卸下来用于其他飞机。迄今为止,美陆军已经订购了3000部A套件和1000部B套件安装在飞机上。
二是质量轻,扩展性强。CIRCM与其他对抗系统例如“高级威胁红外对抗系统”(ATIRCM)最大的区别就是质量轻,B套件仅有38.6kg,并且美陆军还在积极想办法降低A套件的质量。此外,CIRCM拥有开放式系统构架,易于扩展,今后可安装更多载荷应对多种威胁。CIRCM还能够提供极高的防护水准,在应对严峻威胁时具有更强的灵活性。
CIRCM系统研制进展
当前,CIRCM已经通过了里程碑A认证,在此认证阶段的过程中实现了技术成熟度,生命周期相关的成本风险也被降低了。如果里程碑B认证实现的话,陆军将正式授予设计合同。里程碑B阶段要研发建造和测试产品,以验证是否能够满足需求。据悉,2015财年内完成里程碑B认证,里程碑C认证则将标志着进入初始生产阶段,预计2017财年开始。
该系统预计将在2019财年在陆军和海军部署,未来还将取代CH-47支奴干直升机上的“高级威胁红外对抗系统”(ATIRCM)。
汽车追尾防撞红外测距系统 篇7
随着汽车事业的快速发展,汽车作为重要的交通工具步入了寻常百姓家。但交通事故,特别是汽车追尾碰撞事故也随之成为社会关注的重要问题。从20世纪90年代开始,人们就着手研究基于超声波测距的汽车防撞技术[1]。红外线因具有比超声波传播速度更快、传播方向性更好、发射功率可控性更强等突出优点,在汽车防撞研究中得到了广泛的研究[2]。
汽车防撞中的红外测距采用主动式测距[3,4],即在汽车行驶时,向前方发射调制脉冲式红外光波,当红外光波遇到障碍物,如前方的其他车辆等,反射回来后被红外接收器件接收,测量红外光波的这一飞越时间t,按式(1)计算可得障碍物距汽车的距离,称为脉冲式红外测距法[5]:
式中:c=3×108 m/s为光速。在汽车追尾防撞应用中,最大测距 s不超过70 m,红外飞越时间[6]小于1/3 μs。若要求测距精度达到±1 m,显然采用普通微处理器及其计数器的时间分辨率根本无法实现测量要求[7]。
时间比例放大技术[7,8]能有效提高时间测量分辨率,使得AVR ATmega 16单片机[9]等普通微处理器就能应用于汽车追尾防撞红外测距中,实现±1 m的测量精度。
1 基于计数的脉冲式红外测距
脉冲式测距方法主要测量过程[10]如下:
(1)红外发光源发射红外脉冲光波,同时启动计数器开始计数;
(2)红外光遇到待测目标物体,产生回波,并由接收系统接收,同时终止计数器计数;
(3)根据计数结果算出红外光波往返传播时间t。
设计数器的计数脉冲频率为f,t时间内的计数值为N,由式(1)可得
计数误差ΔN=±1,由式(2)可得测量误差Δs
当要求Δs为±1 m时,由式(3)可得计数频率至少在150 MHz以上,一般的单片机系统达不到如此高的工作频率。如AVR ATmega 16单片机的最高工作频率为16 MHz。故需要采用时间比例放大技术降低对单片机时钟频率的要求。
2 时间比例放大原理
时间比例放大使用电流幅值不同的恒流源使电容器以大电流充电、小电流放电,若电容器充电电荷量等于放电电荷量,则放电时间为充电时间的K倍,K是充电电流与放电电流的比值。通过计数器测量放电时间实现充电时间的测量,就实现了时间的比例放大,如图1所示。图中,U0即是电容器C充电初始电压,也是放电终止电压, UX是充电后的电压, t1为充电时间,t2为放电时间。
电容器线性或近似线性充放电。电容器C上的充电、放电电压分别为:
其中,Ic为充电恒流源电流,If为放电恒流源电流。
由式(4)、(5)可得电容器充放电时间与充放电电流的关系:
选择合适的K值(如1 000),通过单片机对放电时间t2进行计时,由式(6)计算即可得到充电时间,也即红外光在空气中传输往返时间t1。
3 硬件系统设计
3.1 红外测距系统组成框图
基于AVR ATmega 16的红外主动式测距系统主要由电源模块、探测器移动速度检测模块、红外线发射模块、红外回波接收[5]模块等几个部分组成,系统框图如图2所示。
3.2 红外发射与接收电路
红外发射电路如图3所示。Vin为脉冲信号,是单片机经过检测探测器移动速度档位后计算输出的脉冲信号。脉动光(调制光)的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比,为了增加红外光的作用距离,两个串联的红外发光二极管由脉冲方波信号Vin控制,使得TLN205工作于脉冲状态,Vin信号是由不同的车速档位控制得到不同幅值的信号。因此,可以通过控制脉冲信号的峰值电流大小来控制红外光的作用距离。红外光经过光学系统传播,遇到被测物时反射回来,经红外接收一体头BRM1020接收。此时BRM1020可以接收到与探测器移动速度对应发射功率大小的电信号,经过红外回波接收电路(如图4所示)中2级放大,在L-IN处得到一个与单片机I/O口匹配的高电平,输入到单片机ADC0脚,供单片机
处理。在图4中,由双运放LM358构成的2级放大电路除放大有效信号的作用外,当有干扰信号产生时,还能滤除干扰信号。
3.3 时间比例放大电路及其工作过程
测距系统使用的时间比例放大电路如图5所示。电容器C选取10 pF的高精度钽电容,充电恒流源Ic=I2=20 mA,放电恒流源If=I1=25 μA,由式(6)可知,充、放电电流比K=800,则计数时间扩大800倍。
当设定车速≥120 km/h时最大测距值为70 m。若要求Δs≤±1 m,则计数器的计数频率至少在150 MHz,时钟分辨率至少为6.6 ns。最高工作频率为16 MHz的AVR ATmega 16单片机达不到如此高的时钟分辨率。但经时间比例扩展800倍,就可选用10 MHz晶振作为时钟源。
工作过程分为4个阶段:
等待状态:不进行充放电时,S1、S2常闭触点闭合,电容器C上的电压稳压在0.1 V,电路稳定。
充电周期:当系统检测到启动红外发射信号时,红外发射脉冲信号上升沿时刻快速将S1常开触点闭合,电容器开始以恒流源I2充电,电容器C上的电压线性增加。
放电周期:当系统接收到红外回波脉冲时,红外回波脉冲快速将S1常开触点断开,常闭触点闭合,同时将S2常开触点闭合,单片机同时开始计数,电容器C开始以恒流源I1放电,电容器C上的电压线性减少。
结束标志:电压比较器LM339反相输入端接一个电压值为0.1 V的参考电压,当电容器上的电压减少到低于0.1 V时,电压比较器输出一个反转信号低电平OUT,即电容器C放电结束,给单片机提供停止计数信号,单片机计数结束。
故障报警:当在规定时间内,电容器C上的电压不能完全放掉时,控制S3闭合,通过R1对C快速放电,一段时间后检测OUT信号未翻转,则产生故障报警。
设单片机计数脉冲周期为T,计数值为N,经单片机对时间比例放大电路放电时间计算,由式(6)可计算得出红外光在空气中传输往返t1。
4 软件设计
基于时间比例放大的移动距离测量程序流程图如图6所示。将汽车里程表脉冲信号线接入单片机引脚,在单片机内部作脉冲-车速档位转换处理,得到相应的车速速度等级数据,存入寄存器中,程序不断查询车速档位等级的状态变化。
利用AVR ATmega 16单片机的8位定时计数器T0,对启动红外发射后是否有回波信号进行定时判断,避免长时间未接收到回波信号而查询等待。红外发射采用发射5组38 kHz信号(每组10个脉冲,间隔10 ms)的形式发射红外光波,一次性完成距离探测所需要的时间为60~100 ms,因此定时器T0定时时间取100 ms。利用AVR16单片机的8位定时计数器T2定时查询比较器LM339输出的OUT信号,当定时时间到而OUT信号未翻转时,则通过该OUT信号控制S2断开,停止I1对C的放电,闭合S3,通过R1对电容器C快速放电。
定时器T0/T2工作在CTC模式下,将OC0(OC2)引脚设置为输出,在寄存器OCR0/(OC2)中写入初值,当累加计数与初值比较匹配时,OC0(OC2)引脚电平将会改变,查询OC0(OC2)引脚电平变化判断定时时间是否到。
5 实验结果分析
当车速v=30 km/h时,红外发射波形如图7所示。车速v=70 km/h时,红外发射波形如图8所示。可见,图8的发射功率大于图7的发射功率,对应的检测距离更远,表1、表2和表3分别是车速v为30、70、120 km/h时,以行人、电动车、汽车为测试目标的室外测试数据。
由3个表的数据可知,对同一被测物,车速越高,测量距离越远,对应红外发射功率越大;对同一车速,汽车、电动车、行人的检测距离依次变短,原因是它们的反射强度不同,汽车对红外的反射强度最高,故可检测的距离最远,人对红外的反射强度最弱,故可检测的距离最短。在表3数据中,去除不同目标测试数据的最大、最小值后,可计算出测距均值为:
行 人:30.35 m;
电动车:38.437 5 m;
汽 车:69.112 5 m。
对于目标汽车,平均测量距离与最大测量距离70 m偏差约为0.9 m,满足汽车追尾防撞系统的测距精度要求。
进一步试验可知,增加被测目标物对红外光的反射面积可以提高检测距离。
红外发射、接收模块实物如图9所示。
6 结束语
近距离红外测距系统需要高频时钟源才能达到±1 m的测量精度,一般的单片机系统难以实现。本设计使用时间比例放大技术实现待测时间的扩展,有效地降低了对单片机时钟源精度的要求, 以较低的成本实现了较高精度的距离测量系统的设计。针对汽车、电动车和行人三种不同的被测目标物,本文所设计的测距系统能够可靠地检测出到目标物的距离,且汽车行驶速度越高,可检测距离越远,测距误差Δs≤±1 m,适用于汽车追尾防碰系统。
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[9]刘斌儒,戴勇.基于AVR单片机ATMegal6的电子时钟设计[J].国外电子元器件,2008(7):47-53.
长波红外连续变焦光学系统设计 篇8
机械补偿法变焦系统的焦距能够在一定范围内连续地改变, 因而得到了广大光学设计者的青睐.本文设计的长波红外连续变焦光学系统采用机械式补偿方式对像面漂移进行补偿.连续变焦光学系统与间断变焦光学系统相比, 在一定范围内可以连续改变焦距从而得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围, 因其使用方便得到了越来越广泛的应用[3].
1 变焦距系统原理
变焦距系统的原理是利用系统中2个或2个以上透镜组的移动来改变系统的焦距, 同时保持像面稳定, 相对孔径基本不变, 在均匀改变焦距的同时保证有良好的成像质量.对于机械补偿法变焦光学系统, 通常由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组4部分组成, 其中后固定组对系统变焦没有贡献, 主要负责使整个系统成像质量达到最佳状态, 同时起到调整系统后工作距和光学筒长的作用.
系统的设计过程分为2个阶段:第一阶段是外形尺寸计算, 即求取高斯解;第二阶段是像差设计.求取高斯解是根据系统要求的焦距范围、相对孔径、像面大小和外形尺寸确定系统中每个透镜的焦距、透镜间隔和变焦透镜组的移动范围[4].变焦距系统的像差平衡方法基本上和定焦距像差平衡一样, 为了在全视场和全孔径内获得满意的像质, 要尽可能降低高级像差、轴上点和轴外点像差以及细光束和宽光束像差.各种像差都要校正好, 以利于离焦后有满意的像质, 同时还要保证校正好变焦距系统各个变焦位置的像差.对于机械补偿变焦光学系统, 一般应使前固定组、变倍组、补偿组系统像差相等而且尽可能小, 其残留的像差用后固定组来校正.反之, 残留像差太大, 靠后固定组校正是比较困难的.
2 系统设计
2.1 光学设计参数
该长波红外连续变焦光学系统采用320×240非制冷焦平面阵列探测器, 探测器像元尺寸为45 μm×45 μm, 红外连续变焦光学系统设计指标如表1所示.
2.2 设计结果与像质评价
最终优化得到的长波红外连续变焦光学系统的外形结构示意图如图1所示, 图1a~图1c分别为短焦 (50 mm) 、中焦 (100 mm) 和长焦 (200 mm) 3种情况下的外形结构示意图.变焦系统由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成, 它们对系统光焦度的贡献分别为正、负、负、正, 其中前固定组和补偿组均为一片锗透镜, 变倍组由2片透镜组成, 材料分别为ZnSe、Ge, ZnSe起到了消色差的作用.因为变焦系统补偿组的光焦度为负, 所以该系统为负组补偿系统, 由于负组补偿系统轴上点光线经过前固定组会聚后, 要连续经变倍组和补偿组2次发散, 则其后固定组的第一辅助光线高度和孔径角都较大, 因此后固定组的结构比较复杂.变焦系统总长358 mm, 当系统由短焦向长焦变化时, 变倍组和补偿组先是互相分离, 然后靠拢, 最后一起向右移动.
调制传递函数是光学系统的主要评价手段, 图2为连续变焦光学系统的调制传递函数曲线 (MTF) , 具体传递函数值 (11 lp/mm) 见表2.由图2和表2可知, 各个变焦位置各个视场的MTF在奈奎斯特频率11 lp/mm处均高于0.66, 说明该系统在各个变焦位置都取得了较好的成像质量.
连续变焦光学系统的点列图如图3所示.由图3可知, 变焦系统短焦、中焦、长焦的最大均方根弥散斑半径和最大几何弥散斑半径分别为21.13、25.12、23.45 μm和49.48、79.39、57.09 μm, 均满足系统成像要求.
3 结 论
介绍了一个适用于长波非制冷式320×240焦平面阵列探测器的连续变焦光学系统.该系统采用机械补偿的补偿方式, 变焦过程中相对孔径不变, F数为1, 在50~200 mm焦距范围内可实现连续变焦, 并用ZEMAX光学设计软件进行了像质评价.结果表明, 在空间频率11 lp/mm处, 各个变焦位置各个视场的MTF都大于0.66, 成像质量良好, 各项指标都满足成像要求.
参考文献
[1] 薛鸣球.电影摄影物镜光学设计[M]. 北京:中国工作出版社, 1971:167-168.
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红外传感智能劝导系统的设计 篇9
中国现代化建设面临资源和能源问题的严重挑战。因中国人口、资源等因素的制约, 能源工业的发展长期不能满足经济迅速增长的需求, 短期内中国仍然将处于依靠大量资源消耗、增加能源供给来维持经济增长的状况。
智能交通技术于上世纪80年代起源于美国, 随后各国都积极寻求在这一领域中的发展。它是现代化交通运输体系的发展趋势, ITS涉及领域广泛, 具有巨大的市场容量, 这一新兴产业已成为全球最大产业之一。但它仅仅是关注车辆的行动控制, 而对行人交通这一块几乎没有涉及, 因此在行人交通这一领域有很大的发展前景。
1 设计原理
1.1 系统工作原理
假设进入人行道绿灯亮行人能通行的模式, 在人行道旁的人站在等待区域内, 利用红外传感器发射红外信号, 若人比较多其接收端接收不到信号反之接收到信号。为提高精确度, 用噪声传感器对周围声音采集处理转换成相应的信号送给MSP430, 由其分析并控制语音提示装置发出声音的强弱, 同时将检测信号通过无线通信的模式传送给上位机并通过界面的形式显示出来, 根据需要可通过上位机控制语音提示的格式。
1.2 系统结构框架的搭建
系统由MSP430主控制器、LED显示 (模拟交通信号提示灯) 、红外传感器、噪声检测、语音提示、上位机控制模块 (图2) 。
1.3 主要单元模块设计
1.3.1 控制器
系统选用16位的MSP430器, 具有较强的数据处理能力。其功耗超低, 在资源节约型社会中是一大优势。
1.3.2 红外传感器模块
系统采用多对红外传感器检测人流量的大小, 当人流较多时便将红外对管的发射管发射的红外线挡住的时间较长, 使接收管只接收到较弱的信号或接收不到信号。电路如图4。
1.3.3 噪声检测模块
该模块使用MICsensor。其基于麦克风为声音检测, 可对环境中的声音强度进行检测同时放大100倍, 输出的模拟信号能使用3.3V和5V基准AD采集, 用来检测周围环境的人嘈杂声。
1.3.4 语音提示模块
使用FS-K81多功能语音模块。通过按键、高低电平等方式触发语音播放。使用时, 先用Voice Reader生成语音, 再用语音处理软件GoldWave将语音转换成6000HZ、8000HZ等FS-K81支持的语音采样频率, 一般采样频率越高音效越好。
MATLAB具有强大的数值计算、可视化功能和系统建模仿真能力, 图形用户界面是目前计算机应用程序界面的主要形式。MATLAB为用户提供了功能强大的集成图形用户界面开发环境 (GUIDE) , 通过GUIDE, 用户可方便、快捷地开发应用程序。界面如图5。
该上位机大体包含5个区域:
1区为端口设置区, 进行端口及波特率的选择, 因为上位机需要接收单片机传输的噪声数据, 故该区还可以进行串口中断方式的选择。
为方便上位机的调试增强通用性, 2区保留了命令窗口, 在该处可直接输入通信命令对单片机进行控制。例如输入“0#”表示关闭系统提示音。坐标轴窗口则是对坐标方式进行选择, 分为浮动和固定两种模式, 固定时, 坐标轴最大值最小值固定, 可以纵观噪声变化规律。浮动时, 坐标轴根据噪声数据的大小自动调节, 可以观察噪声变化的细节。
3 区为噪声采集窗口, 通过该窗口可观察外界交通噪声的变化。由于交通噪声是高频变化的, 所以该处的噪声显示只可以作为外界噪声变化的一个参考。
4区是劝导提示音控制区, 当串口通信正常并点击该区内的Ope n按钮时, 打开上位机与下位机的语音控制通道, 当选择AUTO时, 系统则自动根据外界交通噪声的大小智能调节劝导提示音的大小。当选择MANUAL时, 转换为人工控制状态, 可人工控制滑动条来改变提示声音。
5区为噪声数据存储区, 噪声数据默认存储在NACTranS.txt中, 该区的设置是为深入的交通噪声研究提供数据。分析研究数据可得知交通状况:噪声数据值很小, 则可知交通较为顺畅, 反之则较为拥堵。
1.4系统软件设计
系统软件采用C语言编写, 程序框图如7。
2创新特色
1) 采用太阳能装置给系统提供电源, 节能环保, 满足社会的而发展需求。2) 行人通道过马路时语音提醒装置的音量大小及发音内容可以根据人流量的多少智能调节。3) 噪声检测模块采集信号的波形及语音提示的开启断开可以通过上位机界面来实现控制。
3 结语
在本次设计的系统中, 我们基本实现了智能控制语音劝导的功能。系统利用太阳能电池作为供电能源, 语音提示模块可以根据人流量的大小自动调节播报音量。此外从人机界面互动的角度, 利用上位机的那界面对现场也可以实时控制, 从而提系统的适应能力。
参考文献
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红外线报警系统设计 篇10
随着社会的发展, 社会治安状况更趋复杂和人民生活水平的提高, 安全防范意识的不断增强。所以智能安全防盗报警器系统应运而生, 并日益受到广泛的重视和运用。电子防盗和人体探测器领域中, 被动式热释电红外探测器的应用非常广泛, 因其本身不发任何类型的辐射, 器件功耗很小, 抗电磁干扰, 抗灯光干扰, 隐蔽性好, 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。本红外线报警监测系统是由红外线探头, 单片机技术, 液晶显示模块技术于一体。设计简单, 实用性强, 广泛适用于实验室、银行、仓库、办公室、家庭等场所。
2 系统设计
红外线报警监测系统由红外线探头 (kds9) 热释放元件为核心以及放大电路组成, 当人体经过时, 由人体发出10μm左右的红外线, 红外线探头产生 (-3v) 的信号。这样单片机 (分机) 就可以采集到这个信号并进行处理, 并由主机报警。每个分机可以检测20个红外线探头, 红外线探头最长距离80m。主机和分机构成I2C总线串行通讯系统。为了提高主机和分机通讯可靠性和传输距离更远一些, 主机和分机通讯接口分别采用MAX485驱动 (通讯距离最长可达1200m) 。主机对分机时刻处于巡检状态 (自动巡检和奇偶校验) 。本系统为了便于操作性和实用性, 采用液晶显示和键盘操作进行控制, 以时钟芯片ds1302为核心组成了定时系统, 进而设置本系统的工作时间范围和显示时间功能。
2.1 红外线探头与分机接口电路设计。
如图1所示, DC3V加到红外线探头KDS9的1端, 电容C1、C2、C3起到滤波作用, R1为采样电阻。当有人体经过时, KDS9接受人体红外线。这时KDS9的2脚输出-3V电压, 经R2加到运放 (LM324) 的同相端, R3、R4, C7与运放组成的射随跟随器, 由运放输出端把采集到的信号 (低电平) 送到AT89S51的P2.1作报警信号。正常 (无报警) 情况下P2.1为高电平, 软件设置标志位4FH为“0”, 分机地址不变 (10H、20H、30H) 。当有报警时P2.1接收到报警信号 (即低电平) , 由软件设置标志位4FH为“1”分机地址变为 (11H、22H、33H) 。分机检测信号由MAX485传送给主机。
2.2 主机电路设计。
如图2所示, 本系统以时钟芯片DS1302为核心, 完成定时报警, 报警时间为PM 10:00-AM 5:00。红外线探头采集报警信号, 通过多机通讯, 由分机把采集来的报警信号传给主机, 再由主机判断出分机的机号, 送液晶显示U2 (即报警显示) 。R1调节液晶显示亮度。单片机的串行口与MAX485相连 (TXD-DI、RXD-RO) , 通过单片机的P2.1与MAX485控制端 (2、3脚) 相连, 控制MAX485的发送和接收数据 (P2.1置1发送、置0接收) , 各MAX485的A-A、B-B相连作为总线 (I2C总线) 实现主机和从机间的通信。
芯片DS1302是一种具有高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片, 它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时, 且具有闰年补偿功能。
2.3 多级通讯接口的设计。
单片机多机系统采用的总线型主从式多机通讯系统。主机与各分机实现异步串行通讯, 半双工数据传输方式。另外, 主机和分机通讯端口 (RXD和TXD) 外加MAX485芯片, 使主机与分机通信距离增长 (1200m) , 且更加稳定。分机的地址分别为10H, 20H, 30H (其中高四位为地址, 低四位为报警状态) , 分机机系统由初始化程序将串行口编程为方式2接收, 即9位异步通讯方式, SM2和REN置1, 允许串行口中断。在主机和某一分机通讯之前, 先将分机地址发送给各个分机系统。接着才传送数据或命令, 主机发送的地址信息的第9位为1, 数据 (包括命令) 信息的第9位为0。当主机向各分机发送地址时, 各分机的串行口接收到的第9位的信息RB8位为1, RI中断标志位置1, 各分机相应中断, 执行中断服务程序, 判断主机送来的地址是否和本机的地址符合。若为本机的地址, 则SM2位清0, 准备接收主机发送来的数据或命令。若地址不相符, 则保持SM2=1的状态。接着主机发送数据, 此时各分机串行口接受到的RB8=0, 只有与前面地址相符合的分机系统 (即分机SM2位已清0的) 才能激活中断标志位RI, 从而进入中断服务程序。在中断服务程序中接收主机的数据或执行主机的命令, 实现和主机的信息传送。其它的分机因SM2保持为1, 又RB8=0不能激活中断标志位RI, 所接收的数据丢失不作处理, 从而实现主机和分机间的通讯。
3 结论
本红外线报警监测系统, 采用了多机通讯技术、液晶模块显示技术, 时钟芯片技术。具有通信距离远、传输速度快、抗干扰性好, 可以对现场进行远程智能检测和控制。因此, 其应用范围广, 实用价值高。
摘要:基于AT89S51微处理器为核心的红外线报警系统, 系统主要由多机通信电路、时钟芯片DS1302、液晶显示模块, 红外线探头 (KDS9) 和单片机组成。本系统实现了多点报警和远距离 (1200m) 数据传输, 具有传输速度快, 抗干扰性强, 可外接255个分机等特点。
关键词:红外线报警,多机通信,远距离数据传输
参考文献
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