任務五紅外感應傳感器的安裝與調(diào)試【學習目標】1．了解紅外感應傳感器的工作原理。2．能正確連接、安裝紅外感應傳感器，并讀取紅外感應傳感器的數(shù)據(jù)。3．養(yǎng)成耐心、細致的學習態(tài)度，建立規(guī)范化的操作習慣?！救蝿涨榫啊繛榱朔奖慵依锢先送砩掀鹨箷r照明，同時又不影響家中其他人的睡眠，請使用物聯(lián)網(wǎng)套件設計并制作一盞紅外感應燈?！救蝿辗治觥繛榱嗽谏钜贡３忠粋€安靜的環(huán)境，同時電燈又能在人靠近的時候自動打開，需要考慮采用更加安靜、可靠的信息采集設備——紅外感應傳感器。本任務使用紅外感應傳感器、RGB彩燈模塊、Arduino開發(fā)板等設備實現(xiàn)紅外感應燈的制作?！鞠嚓P(guān)知識】一、紅外感應傳感器簡介二、紅外感應傳感器的結(jié)構(gòu)三、紅外感應傳感器的工作原理四、紅外感應傳感器的應用一、紅外感應傳感器簡介紅外感應傳感器是一種用于檢測生物體運動的傳感器。紅外感應傳感器通過檢測周圍物體反射或發(fā)射的紅外線來實現(xiàn)感應，是一種非接觸式傳感器。紅外感應傳感器廣泛應用于智能家居、自動化控制、安防等領(lǐng)域。紅外感應傳感器可以分為發(fā)射型和接收型兩種。發(fā)射型紅外感應傳感器會發(fā)射一定頻率的紅外線，當有物體進入感應范圍時，物體會反射一部分紅外線回來，傳感器就會接收這些反射回來的紅外線信號并進行信號處理。接收型紅外感應傳感器通過接收周圍物體發(fā)射的紅外線來實現(xiàn)感應。在使用紅外感應傳感器時，需要考慮其感應范圍、感應角度、感應距離等因素。此外，由于紅外線在夜間或弱光環(huán)境下的反射效果較差，因此需要特別注意紅外感應傳感器的使用環(huán)境。紅外感應傳感器外觀二、紅外感應傳感器的結(jié)構(gòu)紅外感應傳感器由菲涅耳透鏡、熱釋電探測儀和放大電路組成。為防止外部環(huán)境對傳感器輸出信號的干擾，上述元器件被真空封裝在—個金屬匣內(nèi)。紅外感應傳感器的濾光片為帶通濾光片，它封裝在傳感器殼體的頂端，特定波長的紅外線可以通過它，到達熱釋電探測儀。熱釋電探測儀是紅外感應傳感器的核心元器件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后制成的，相當于一個以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當熱釋電探測儀受到非恒定強度的紅外線照射時，其產(chǎn)生的溫度變化會導致金屬電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電流。熱釋電探測儀外部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

紅外感應傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)紅外感應傳感器的熱釋電探測儀外部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、紅外感應傳感器的結(jié)構(gòu)一個放大電路可以包含一個高內(nèi)阻的場效應管源極跟隨器，其作為電路的一部分，用于阻抗匹配和驅(qū)動負載，通過阻抗變換，將熱釋電探測儀微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號并輸出。放大電路必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強的特點，以便從眾多的噪聲干擾中提取微弱的電流信號。熱釋電探測儀和放大電路通常集成在晶體管內(nèi)，以避免空氣中的水分使泄漏電流增大。這種結(jié)構(gòu)的放大電路信噪比高，受溫度影響小。

三、紅外感應傳感器的工作原理紅外感應傳感器可以探測生物體的存在和運動。其工作原理主要基于被動紅外（PassiveInfrared，PIR）技術(shù)。被動紅外技術(shù)利用生物體的熱輻射特性來檢測運動。在紅外感應傳感器中有一種特殊的晶體，它具有特別的功能：在常態(tài)下，晶體表面會自發(fā)地產(chǎn)生一些正電荷和負電荷，分別聚集在晶體的兩側(cè)?？諝庵写嬖谝恍┳杂呻娮?，這些電子會附著在晶體表面，與晶體表面的電荷發(fā)生中和作用。因此，在正常情況下，晶體不會表現(xiàn)出明顯的電性。然而，當溫度發(fā)生變化時，晶體表面的部分電荷會被消耗，導致晶體兩側(cè)產(chǎn)生微弱的電壓。當溫度不再變化時，晶體表面的電荷趨于平衡狀態(tài)，不再表現(xiàn)出電性。紅外感應傳感器可以用于檢測生物體產(chǎn)生的紅外線，它對體溫約37℃的生物體產(chǎn)生的紅外線具有敏感性。但需要注意的是，紅外感應傳感器只有在溫度發(fā)生變化時才會有反應；當檢測區(qū)域的溫度保持不變時，紅外感應傳感器不會產(chǎn)生感應電壓。換句話說，如果有人一直出現(xiàn)在檢測區(qū)域并保持靜止，由于該檢測點的溫度沒有變化，紅外感應傳感器將不會有任何反應。四、紅外感應傳感器的應用紅外感應傳感器廣泛應用于多個領(lǐng)域，以下是一些常見的應用場景。（1）安防系統(tǒng)紅外感應傳感器可用于安防系統(tǒng)，檢測生物體的運動。（2）自動照明紅外感應傳感器可用于自動照明系統(tǒng)。（3）智能家居紅外感應傳感器可用于檢測人員在房間內(nèi)的活動，實現(xiàn)自動控制燈光、溫度、安全系統(tǒng)等。（4）人體檢測紅外感應傳感器在人體檢測應用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。（5）紅外熱像儀紅外感應傳感器可用于紅外熱像儀。（6）自動化設備紅外感應傳感器也廣泛應用于自動化設備中?！炯寄苡柧殹炕顒右?/p>

組裝設備活動二

編寫圖形程序活動三

解讀程序代碼活動四上傳與調(diào)試程序活動一組裝設備一、梳理設備控制的邏輯關(guān)系紅外感應傳感器利用生物體的熱輻射特性來檢測運動，將采集到的生物體紅外狀態(tài)信號發(fā)送給ArduinoMega2560開發(fā)板。開發(fā)板根據(jù)檢測結(jié)果，向RGB彩燈模塊發(fā)送燈光控制信號。各硬件之間的關(guān)系活動一組裝設備二、組裝硬件設備1．識讀引腳標志仔細觀察各硬件模塊的引腳標志，并準確理解各個標志的含義。（1）紅外感應傳感器的VCC引腳表示電源正極。（2）紅外感應傳感器的GND引腳是接地引腳，用于連接電源的負極。（3）紅外感應傳感器的OUT引腳是信息輸出引腳，表示紅外感應傳感器的輸出狀態(tài)，輸出信號為數(shù)字信號，可以連接到Arduino開發(fā)板的任意一個數(shù)字引腳［DIGITAL（數(shù)字輸入）區(qū)域］上。（4）RGB彩燈模塊具有3個引腳R、G、B，分別代表紅色、綠色和藍色的燈光信號。（5）RGB彩燈模塊的GND引腳是接地引腳，表示電源負極。紅外感應燈的設備連接效果2．連接引腳（1）將紅外感應傳感器的VCC引腳接到Arduino開發(fā)板的3.3V或5V引腳上。（2）將Arduino開發(fā)板的GND引腳與紅外感應傳感器的GND引腳相連。（3）使用引線將紅外感應傳感器的OUT引腳接到Arduino開發(fā)板的DIGITAL區(qū)域的引腳5上。（4）將RGB彩燈模塊的R、G、B這3個引腳與Arduino開發(fā)板的數(shù)字引腳2、3、4分別相連。（5）將Arduino開發(fā)板的GND引腳與RGB彩燈模塊的GND引腳相連。活動一組裝設備三、組裝設備的注意事項如下。（1）紅外感應傳感器的OUT引腳傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號，因此需要接在Arduino開發(fā)板的DIGITAL（PWM）區(qū)域的端口上。（2）紅外感應傳感器的VCC引腳是驅(qū)動電流的輸入端，可以接3.3V電壓，也可以接5V電壓。（3）連接線上的引腳較尖銳，在操作過程中要注意安全?；顒佣帉憟D形程序一、分析程序流程紅外感應燈測試程序流程圖如左圖所示。（1）定義變量IR_status，表示紅外感應傳感器返回的檢測結(jié)果。（2）當紅外感應傳感器檢測到有生物體活動時，IR_status變量會接收數(shù)字引腳5的信號，當返回值為0時，表示沒有檢測到有生物體活動；當返回值為1時，表示檢測到有生物體活動。（3）串口輸出IR_status值的目的是在編程過程中檢測紅外感應傳感器是否正確工作，這并不是必需的部分。（4）對IR_status值進行判斷，在程序調(diào)試時，我們可根據(jù)IR_status值對RGB燈進行控制，同時，為了看清紅外感應傳感器返回的值，需要在每次檢測后使用延時1s的程序控制?；顒佣帉憟D形程序二、搭建程序積木紅外感應燈的程序完整流程活動三解讀程序代碼一、查看Mind+軟件自動生成的代碼通過活動二搭建好了程序積木框架，為了更好地理解程序的運行邏輯，還需要對Mind+軟件自動生成的ArduinoC語言的代碼進行解讀，以提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)編程能力?？梢园匆韵虏僮?，查看Mind+軟件根據(jù)程序積木自動生成的ArduinoC語言的代碼（Mind+軟件會自動修改變量名、添加注釋）。（1）單擊Mind+軟件右上角的“代碼區(qū)”按鈕。（2）單擊“自動生成”選項卡，就能查看Mind+軟件根據(jù)主窗口的程序積木框架自動生成的ArduinoC語言的代碼。紅外感應燈的ArduinoC語言的代碼活動三解讀程序代碼二、代碼解析代碼含義mind_n_IR_status=digitalRead(5);讀取數(shù)字引腳5的狀態(tài)（高電平或低電平）并存儲在mind_n_IR_status變量中。這里使用digitalRead()函數(shù)來讀取數(shù)字輸入的狀態(tài)Serial.println(mind_n_IR_status);將mind_n_IR_status的值通過串口發(fā)送給計算機，以便在串口調(diào)試窗口中查看數(shù)字引腳5的狀態(tài)

if((mind_n_IR_status==1)){這是一個條件語句，用于檢查mind_n_IR_status的值是否等于1，即數(shù)字引腳5是否為高電平

Serial.println("來人亮燈");向串口發(fā)送消息，表示有生物體靠近，燈需要亮起

analogWrite(2,200);向數(shù)字引腳3、4、5輸入數(shù)字信號

analogWrite(3,200);

analogWrite(4,200);

Serial.println("無人關(guān)燈");向串口發(fā)送消息，表示沒有生物體靠近，LED燈需要熄滅活動四上傳與調(diào)試程序一、連接設備在Mind+軟件中選擇“上傳模式”，使用USB連接線將ArduinoMega2560開發(fā)板連接到計算機上，并單擊“連接設備”下拉按鈕，單擊相應的設備進行連接。如果沒有出現(xiàn)設備，則單擊“一鍵安裝串口驅(qū)動”后再嘗試。二、上傳程序在Mind+軟件中單擊右上角的“上傳到設備”按鈕，完成程序的上傳。三、檢查運行效果用手指觸碰觸摸開關(guān)，觸摸開關(guān)模塊指示燈呈紅色，查看串口調(diào)試窗口的數(shù)據(jù)顯示是否反映出燈狀態(tài)的變化。觸摸開關(guān)實物連接。觸摸開關(guān)控制程序運行效果。 紅外感應燈的點亮與熄滅效果【任務評價】序號主要內(nèi)容評價標準分值/分得分/分1紅外感應傳感器的工作原理能正確說出紅外感應傳感器的工作原理10

2紅外感應傳感器的識別能快速、準確地從物聯(lián)網(wǎng)實訓套件中找出紅外感應傳感器10

3紅外感應傳感器引腳的識別能準確說出紅外感應傳感器引腳標志的含義10

4紅外感應傳感器的組裝能根據(jù)設備連接圖快速組裝電路10

5紅外感應傳感器的調(diào)試能根據(jù)需求，正確搭建和配置Mind+軟件10

能使用Mind+軟件，利用程序積木正確編寫功能程序10

能正確運行程序，使運行結(jié)果與功能需求一致10

6職業(yè)素養(yǎng)實驗中，操作要安全、規(guī)范。完成實驗后，應將相關(guān)元器件、模塊等收納整齊，保持實驗桌面干凈、整潔10

7學習態(tài)度能主動參與課堂討論和實踐活動，積極尋求解決問題的方法10

能按時完成學習及工作任務10

總計100

【拓展學習】紅外感應傳感器能全方位探測的原因紅外感應傳感器中使用的透鏡——菲涅耳透鏡，它是法國物理學家菲涅耳（Fresnel）設計的，最早用于導航燈塔，現(xiàn)在廣泛應用于探測距離在30m以內(nèi)的探測器中。菲涅耳透鏡內(nèi)部刻有齒紋，可以將入射光的頻率峰值限制在10μm左右。菲涅耳透鏡一般設計厚度為0.65mm～1.5mm，表面加工成由小到大的同心圓，它們看起來像是一圈一圈的鋸齒。每個鋸齒的頂部是由相同大小的圓弧組成的圓弧線。圓形菲涅耳透鏡可以切割成小片并組成多層、多視區(qū)的菲涅耳透鏡，視區(qū)越多，探測角度就越大?！舅伎寂c練習】1．在日常生活中，還能利用紅外感應傳感器進行哪些新穎、獨特的設計呢？2．使用Arduino開發(fā)板控制紅外感應傳感器，在檢測到物體時點亮LED燈，要求如下。（1）使用紅外感應傳感器。（2）程序中應包含對紅外感應傳