高雄市高英高級工商職業學校 Kao Ying Industrial Commercial Vocational High School 專題製作報告 人體紅外線感測器 指導教授 : 黃文良 博士 指導老師 : 林勇志 老師 科別班級 : 電機科 3 年 1 班 座 號 : 15.20.12.26 姓 名 : 邱聖元張文鴻林明賢 陳昭佑 中華民國 100 年 3 月
誌謝 感謝電機科的主任及老師, 因為有你們的教導, 才能使我們學到許多有關電機方面的知識與技能, 也因為有你們的教導, 我們才能逐步的完成這次的專題報告 還有我們專題製作的指導老師, 感謝你平常的指點和提醒, 不然我們的報告也不知道怎完成 其中, 要謝謝我們自己的組員, 我們一起分工合作 互相討論後所做成的報告, 除了學到很多的知識以及做報告的經驗, 也多了一向互相努力且充實的回憶 陳昭佑 張文鴻 林明賢 邱聖元僅上 I
人體紅外線感測器 中文摘要 本篇專題研究報告是透過交電型人體紅外線感測器零件於構造的學習, 來了解他的原理以及如何應用於日常生活當中 紅外線感測器已經融入大眾一般生活當中, 像是便利商店的自動門 還有會說 歡迎光臨! 的來客報知器 家庭的電子防盜器, 還有外面的夜間監視錄影系統, 當人們一靠近期偵測範圍就會啟動照明或是攝影機來防止竊盜 犯罪在現在的社會屢見不顯, 如何在罪犯侵入家中前, 可以提前知道, 就成為一個重要的議題, 我們常在電影中可看見很多的重要禁地 博物館都會裝設這些紅外線警報器, 當有不明物體闖入被紅外線偵測出來, 就會立刻觸動警報器, 封鎖現場, 因為有它, 使人們的生活更為便利 II
目錄 誌謝... Ⅰ 中文摘要... Ⅱ 目錄... Ⅲ 表目錄... Ⅳ 圖目錄... Ⅴ 壹 前言... 1 一 製作動機... 1 二 製作目的... 1 三 製作架構... 1 四 製作預期成效... 2 貮 理論探討... 7 參 專題製作... 11 一 設備及器材... 11 二 製作方法與步驟... 13 三 專題製作... 14 肆 製作成果... 15 伍 結論與建議... 16 一 結論... 16 二 建議... 16 陸 參考文獻... 17 III
表目錄 表 1 紅外線感測元件的特徵... 5 表 2 紅外線感測元件應用... 5 表 3 器材設備... 11 表 4 材料清單... 12 IV
圖目錄 圖 1 專題製作流程圖...2 圖 2 焦電型 人體紅外線感測器. 7 圖 3 玄關的紅外線感測器 8 圖 4 紅外線感測監視器 8 圖 5 紅外線感測水龍頭 8 圖 6 紅外線感測馬桶 8 圖 7 物體阻隔紅外線...9 圖 8 物體反射紅外線 9 圖 9 圓盤上的細孔可通過紅外線...9 圖 10 傳輸帶上的細孔可通過紅外線...9 圖 11 製作過程實錄.15 圖 12 製作過程實錄.16 圖 13 甘特圖...17 V
壹 前言 一 製作動機因為走在路上, 經過別人店門口時, 門口上的 LED 電燈自動發亮, 當時覺得十分奇妙, 想說怎麼可以不經過任何實質的接觸就可以使 LED 燈發亮, 所以決定在這次的專題報告中研究一下人體紅外線感測器的原理所在, 並了解他還有其他那些功用 紅外線在日常生活中, 能使用在銀行保全 博物館防盜系統 還有男生廁所小便池等地方, 由於科技越來越進步, 很多地方都會使用到紅外線感測器, 不一定哪天家中浴室 廚房等地方也能用上這裝置二 製作目的由於現今社會的柯基發漲非常迅速人們的學習速度感不上社會的進步及變化, 所以現今學校便成專題製作的方式, 要讓學生對於自己學習的領域加以的探討以及研究, 以達到了解現今社會科技的發展狀況 我們本次專題的目的想以我們買來的材料及零件製作出人體紅外線感測器, 好在製作的過程中, 了解他的原理與結構, 並模擬出與外面差不多的紅外線感測器 三 製作架構 (1) 專題製作流程剛開始先跟組員討論要做什麼主題, 決定好主題, 在開使分配每人工作, 幾個負責上網查需要的資料等, 然後查好資料後, 開始準備開始製作 PPT(PowerPoint) 和成品還有書面報告, 一開始會先製作 PPT 來當作開始的製作流程圖, 最後開始寫書面報告和電腦手打資料, 最後就是將紅外線感測器的成品慢慢製作出來, 最後將圖片 書面報告 流程圖 甘特圖等資料全部整理過後作成一本報告書 1
(2) 製作流程圖 主題確認 上線查資料 查詢相關書籍 零件購買 成品製作 撰寫報告 模擬實驗 完成報告 圖 1 專題製作流程圖 四 製做預期成效我們小組雖然是第一次合作專題, 雖然擔心可能會無法成功, 但幸好組員們都很努力的製作專題, 再加上老師的協助與指導, 才能有這份報告 我希望我們的努力製作能獲得良好的代價, 為此, 我們小組將專題製作的成效經過討論, 定義為 : (1) 當人走過去或用手揮過時, 紅外線感測器能順利感測到, 並且 LED 能即時發光 (2) 感測器除了感測到人體會觸發 LED 燈發亮外, 還能啟動蜂鳴器響起 2
紅外線的發現 公元 1666 年牛頓發現光譜並測量出 3,900A~7,600A(400nm~700nm) 是可見光的波長 1800 年 4 月 24 日英國倫敦皇家學院 (ROYALSOCIETY) 的 Sir William Herschel 威廉 赫歇爾發表太陽光在可見光譜的紅光之外還有一種不可見的延伸光譜, 具有熱效應 他所使用的方法很簡單, 用一支溫度計測量經過稜鏡分光後的各色光線溫度, 由紫到紅, 發現溫度逐漸增加, 可是當溫度計放到紅光以外的部份, 溫度仍持續上昇, 因而斷定有紅外線的存在 在紫外線的部份也做同樣的測試, 但溫度並沒有增高的反應 紫外線是 1801 年由 RITTER 用氯化銀 (Silver chloride) 感光劑所發現的 3
感測元件類型 紅外線感應器的種類非常多, 通常可以區分為量子型與熱型兩大類 而量子型感應器主要動作原理是利用光電效應, 例如光二極體, 以及利用光電效應的 CdS PbS 等元件, 此類型最為一般所常見 此外尚有利用焦電效應的焦電型紅外線感應器, 其動作原理是熱型的代表作, 而所謂焦電效應 (pyroelectric effect) 簡單地說就是利用溫度變化而產生電荷的現象 因此, 我們可以說若是沒有溫度變化, 即無法生電荷輸出訊號 焦電型紅外線感應器俗稱 PIR (Passive Infrared Sensor), 它主要感應方法為利用溫度的變化, 來感應待測物體的移動 舉例來說, 人在焦電型紅外線感應器的感應範圍之內移動, 其感應器上的感應點會因為溫度的變化而轉化成電流訊號輸出去, 這個訊號就可以使電燈開啟 警報器作響, 達成我們所要的需求 但是上述情形的感應方式會有一些問題, 那就是焦電型紅外線感應器的感應距離太近 ( 約 1~2 公尺 ), 而且感應點會不夠多, 所以最簡單的解決方法就是為 PIR 戴眼鏡, 我們可以利用凸透鏡可以將光線聚焦的原理, 將較遠處的人體的紅外線能量聚焦至焦電型紅外線感應器元件的感應點上, 如此有可大大增加了感應距離, 另一方面我們再把凸透鏡集合在一起, 形成一個透鏡陣列 (Lens Arrays), 這樣就可以增加許多感應點 至於透鏡的材質, 必須要讓人體所發出的紅外光能夠順利通過, 為了避免誤動, 我們選擇對可見光阻絕性好的高密度 PE 可以避掉許多光線之干擾, 而減少誤動情形 熱型原理 : 利用吸收紅外線來感測溫度的變化 量子型原理 : 利用半導體的光電效應來感測溫度 4
表 1 紅外線感測元件的特徵 表 2 紅外線感測元件應用 5
紅外線感測系統的區分 紅外線感測系統可區分為主動式紅外線 twin-bean infrared sensor ( 感應器本身會發射紅外線光束偵測物體移動 ), 與被動式紅外線 PIR ( 感應器本身不會發射紅外線光束, 而是靠物體之熱源移動觸發感應器 ) 一般而言, 主動式紅外線大多數皆為 2 個 ( 一組 ) 一起使用, 一為發射紅外線光束 (Transimter), 另一為接收紅外線光束 (Reciver), 適用於室內或室外點對點的直線距離使用 ( 像是室外防盜系統的對照式圍牆用紅外線投射器 ) 被動式紅外線則適用於室內封閉空間防盜器 感應照明 為什麼主動式與被動式會有這樣的區別? 是因為室外溫差氣候變化大, 像馬路溫度 汽車溫度 下雨天 颱風天... 等等外在因素, 都有可能會導致被動式紅外線誤報 而主動式紅外線因本身會持續發射紅外線光束, 故受干擾誤報機會不大, 相對的, 偵測範圍就僅限於點對點的直線距離, 不如被動式紅外線 PIR 有著整個空間的大涵蓋警戒範圍 紅外線感應照明早已在一般生活中可以看到, 像校園和一般住宅一樓常常有, 不過通常紅外線感應器都內建在燈上面, 您總是要先走到一半接近了燈, 它才會亮 要是我們把感測器與燈源分開, 就可以改善這個問題 6
貮 理論探討 紅外線感測器包含 HA17555 計時晶 JRC2909 晶片 78L05 晶片 繼電器 IN4148 開關二極管 以及多組電容 電阻 電感 其中 HA17555 晶片的主要功能是做為方波產生器 振盪器或是計時器, 是數位電路中常使用的元件 在此紅外線感測電路中,HA17555 晶片作為計時器使用, 並由一可變電阻調整時間由 1 秒 ~15 秒 人體紅外線感測器是以 TGG( 三甘氨酸硫酸鹽 ) 或 PZT( 汰酸細壓電材料 ) 等強介質所做成的感測器, 電源電壓為 3~15VDC, 使用溫度範圍在 -10 ~+50, 源極的輸出信號極小, 僅有數 mv 倒數十 mv, 能接受所有人體所幅射出來的紅外線 人體紅外線感應器之特性分析紅外線照射到強導電體元件上, 元件會吸收紅外線產生熱及溫度變化 因溫升會使元件表面產生電荷, 由此變換成電氣信號 此稱之為焦電效應 焦電型人體紅外線感測器應用在適用於檢出對象是波長很大的情形上, 偵測溫度, 給出 on/off 的訊號, 像是來客報知器 圖 2 焦電型 人體紅外線感測器 7
圖 3 玄關的紅外線感測器 圖 4 紅外線感測監視器 圖 5 紅外線感測水龍頭 圖 6 紅外線感測馬桶 8
紅外線感應器及其應用 1 計件器: 以電子電路偵測紅外線發射與接收之間的阻隔或反射情形來判斷是否物體通過, 為紅外線發與接收的位置安排, 圖 (6) 為物體通過時隔紅外線接收, 此時接收端無法接收到紅外線, 圖 (7) 為物體通過紅外線被反射, 此時接收端可接收到紅外線, 圖 (8) 與圖 (9) 只有在釘孔移至紅外線發射位置時, 接收端才能接收到紅外線 圖 7 物體阻隔紅外線 圖 8 物體反射紅外線 圖 9 圓盤上的細孔可通過紅外線 圖 10 傳輸帶上的細孔可通過紅外線 9
2 耳溫槍( 或額溫槍 ): 人體在不同體溫時, 輻射出的紅外線頻率會有微量的不同 因此, 透過紅外線偵測器, 就可以測出人的體溫 3 警報電路: 利用焦電型紅外線感測器, 可偵測人體幅射出的紅外線, 也有些是利用紅外線發射器與接收器之間的接收狀況, 來偵測是否有物體的存在 4 夜間拍攝: 有許多的收位相機或攝影機, 監視器等, 都有夜拍功能, 因為機器利用紅外線發射器發射紅外線, 再利用紅外線感測器接收反射回來的紅外線, 因此, 可在黑夜中拍攝影像 5 生物研究: 生命具有一定的生命象徵, 有一定的溫度與顏色, 利用近紅外線可以對皮膚探測, 早期發覺各種皮膚病變, 由體熱的分佈可以追查身體腫痛的原因與病灶 ; 夜間或穴居生物的生活情形 ; 生物分佈情形, 病蟲害傳播情形 ; 林相與林木研究等 10
參 專題製作 此章共分為三節依序說明本專題所應用到之設備及器材 製作方法與步驟及 專題製作等 一 設備及器材 儀器 ( 軟體 ) 設備名稱個人電腦數位相機雷射印表機電烙鐵烙鐵架焊錫 Microsoft Office Power Point Microsoft Office Word 剝線箝 應用說明撰打專題報告 尋找資料 擬定計畫表拍攝小組團結一致的製作過程及精神列印專題資料 實品圖片焊接必要焊接的地方電烙鐵放置在上面用來連接電路與電路板的黏著劑進行口頭報告 製作及專題成品報告呈現專題報告 製作過程的撰寫拿來剝導線的 表 3 設備及器材 11
材料清單材料名稱 規 格 單位 數量 繼電器 DC6V/AC12V 個 1 電容 470μF 個 1 電容 100μF 個 3 電容 0.1μF 個 7 電容 10μF 個 5 電容 1000PF 個 2 紅外線感測器 個 1 LED 個 1 電晶體 C1815 個 1 電晶體 78L05 個 2 電阻 22 KΩ 個 1 電阻 47 KΩ 個 3 電阻 33 KΩ 個 2 電阻 100 KΩ 個 2 電阻 3.3MΩ 個 1 電阻 1KΩ 個 2 電阻 100Ω 個 3 電阻 330KΩ 個 2 半固定電阻 1MΩ 個 2 IC 555 個 1 IC2 904 個 2 表 4 材料清單 12
二 製作方法與步驟先把買好的材料清點後, 然後照著網路上查到的階線圖組合, 把零件一個一個的焊到電路板上, 做完後開始測試功能, 功能可以之後, 再把成品做點修飾, 用外面買來的精美盒子, 成品裝在裡面露出感測器 LED 登和蜂鳴器即可 這樣就是一個完成的成品了 13
中文名稱人體紅外線感測器專題名稱三 專題製作 表 6 專題製作計畫書 專題型別 個人型專題 團隊型專題 專題性質 科別 / 年級 英文名稱 利用熱電型紅外線光敏原件量子型紅外線光敏元件製作 電機科三年級 人體紅外線感測器是採用熱電型紅外線光敏元件 和量子型紅外線光敏元件來製作 常用於防盜 警報 來客告知和生活上的飛接觸開關等 未感 專題內容簡述 測到人體的紅外線或沒有溫度變化時, 輸出高電 位 ; 感測到人體的紅外線有溫度變化時, 輸出低電位 指導老師姓名 林勇志老師 參與同學姓名 邱聖元 陳昭佑 張文鴻 林明賢 專題執行日期 99 年 9 月 13 日至 100 年月日 14
肆 製作成果 一 製作過程實錄 圖 11 製作過程實錄 15
圖 12 製作過程實錄 16
8/309/129/2410/1710/3011/1311/261/131/221/302/303/25專題題目工作分配查詢資料專題內容專題大綱呈現前言呈現正文購買材料製作 PPT 製作成品測試成品資料統整結論上台報告圖 13 甘特圖 17
伍 結論與建議 一 結論 : 由於我們人體的溫度範圍輻射出的電磁波主要在紅外線的範圍, 一般來說, 溫度高的物體會放出紅外線 像是暖爐會釋放出許多肉眼看不見的紅外線 因為人體的溫度比周圍物體的溫度還要高, 雖然人的眼睛感測不到紅外線的信號, 但是如果紅外線信號夠強, 我們的皮膚還是感覺得出來, 也就是會感覺到熱, 相對的如果強度較弱時, 雖然人類的五官感測不到, 但是人類能利用可以接受紅外線的儀器, 來測量紅外線 例如現在很多的防盜器, 所以假設能把這項防盜的技術縮小並且移植到我們日常生活中的物品上, 像是皮包 筆記型電腦這些重要的私人物品, 以我們的身體當作是發射器, 而重要物品是接收器, 當我們的重要物品被偷的時候, 因為紅外線的信號被阻斷, 警報器就會開始響, 如此一來就可以達到防竊的效果 紅外現在我們日常生活中扮演這不可或缺的角色, 幾乎我們走到哪裡都會跟紅外線感應器有接觸, 以廁所為例, 紅外線的感應馬桶, 一靠近就感應, 等人離開的時候就會沖水, 當我們要洗手的時候, 紅外線感應的水龍頭, 一靠近就會有水, 紅外線感應的烘乾機, 一靠近手就會吹乾, 光是上個廁所就會至少有三個跟紅外線感應器有關的物品, 假設生活中缺少了紅外線感應器, 那會帶給我們生活上會有多大的不便呢? 二 建議 : 危險的地方進行溫度上的監控, 專門的紅外溫度計, 可用於各種應用, 紅外線技術是解決表面溫度測量挑戰的理想的解決方案 三 心得 : 這是我們人生中的第一個專題報告, 可能報告會有許多的缺點以及瑕疵, 但我們在過程中學到了許多以前沒有過的經驗, 也學到了團體間互相合作 分工的方式 這是個難得的經歷 18
參考文獻 紅外線控制馬達驅動器 http://www.me.lit.edu.tw/mewww_files/download/upload/7/%ac%f5%a5~%bdu% B0%A8%B9F%B1%B1%A8%EE%BE%B9.pdf 紅外線感測器 http://tw.myblog.yahoo.com/jw!acec37sdhrydhaefg7hr/article?mid=1339 紅外線感測器初探 http://www.shs.edu.tw/works/essay/2009/03/2009031914565946.pdf 紅外線感應器材料 http://w1.cpu.com.tw/kh/sensor/infrared/kk20.html 電路圖 http://www.jin-hua.com.tw/admin/product_mang/pdf/2110000000417%20sense R.pdf 19
高足盈校英才輩出 高雄市高英高級工商職業學校校址 : 高雄縣大寮鄉鳳林三路 19 巷 44 號電話 :(07)7832991 網址 :www.kyicvs.khc.edu.tw E-Mail:kyic@kyicvs.khc.edu.tw 20