第1章 概述
1.1红外线概述
1.1.1红外线简介
近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学。它已广泛应用于生产，科研，军事，医学等各个领域。红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。
红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75??~1000??的频谱范围之内。相对应的频率大致在
4?1014~3?1011??之间，红外线与可见光、紫外线、χ射线、γ射线和微波、
无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱，在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。0.77??~3??为近红外区，3??~30??为中红外区，30??~1000??为远红外区。这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。
红外辐射的物理本质是热
红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。
红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，因而被广泛应用。
目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88??~0.94??之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为
0.88??~0.94??之间， 恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。
红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。
红外遥控的优点：
1. 采用红外线发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本底。 2. 红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。 3. 红外线不能通过阻挡物，不会产生信号串扰等误动作。 4. 功率消耗小，反映速度快。 5. 对环境无污染，对人、物无损害。 6. 抗干扰能力强，工作可靠。 红外辐射的基本定律 1. 基尔霍夫定律
基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示
??????
式中 ??---物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能； ?—物体的吸收系数；
??—常数，其值等于黑体在相同条件下发出的辐射能。 2. 斯蒂芬-玻尔滋蔓定律
物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量?为
?????4
式中 ?—物体的绝对温度，273K；
?--斯蒂芬-玻尔滋蔓常数， ??5.67?10?8W/(?2?K4)；
?---比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的??1。 3. 维恩位移定律
热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比。即
?m?2897/?(??) 该式称为维恩位移定律。
红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换为电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因
此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。
1.1.2红外传感器的分类
常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。 一、热传感器
热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。
热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。
热传感器主要类型有：热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。
1.热敏电阻型传感器
热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温
2.热电偶型传感器
热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。
利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。
3.莱气动型传感器
高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。
4.热释电型传感器
热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。
二、光子传感器
光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器。统称光子传感器。光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。
按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。 1.外光电传感器（??器件）
当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。
2.光电导传感器（?C器件）
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。
1. 光生伏特传感器（?U器件）
当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。
2. 光磁电传感器（???器件）
当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。
光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7??左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。
1.1.3红外传感器的应用
红外技术是最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工
农业生产等领域获得广泛的应用。
红外传感器的应用主要体现在以下几个方面： 1. 红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量
2. 搜索和跟踪系统：用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。
3. 热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。 4. 红外测距系统：实现物体间距离的测量。
5. 通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。 6. 混合系统：是指以上各类系统中的两个或多个的组合。
1.2 STC12C5A60S2概述
1.2.1 STC12CA60S2单片机简介
STC12CA60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。
1. 增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2．工作电压：
STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V-3.5V（5V单片机） 3.工作频率范围：0-35MHz,相当于普通8051的0-420MHz 4.用户应用程序空间8K/16K20K/32K/40K/48K/52K字节等 5.片上集成1280字节RAM
6.通用I/O（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉/可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能