2022年热释电红外防盗报警器 .pdf

热释电红外防盗报警器的设计电子信息工程 08 级 1 班指导老师：摘要 ：随着社会的不断进步，电子技术的不断发展，人们的生活水平得到了很大的改善，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律，因此人们对自己所处环境的安全要求就越来越高，特别是家居安全，不得不时刻留意不速之客的光顾。为此，许多小区，家庭都安装了报警系统，这有效的保证了居民的人身财产安全。在本文中，介绍一种利用热释电红外传感器进行监控，并进行报警的系统的设计。该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路，报警电路组成。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，从而实现报警功能。关键词 ：热释电红外传感器；报警电路；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1 1 目录1 绪论 . 2 1.1 、设计背景 . 2 1.2 、设计概述 . 2 2 方案的设计与选定 . 3 2.1 方案设计 . 3 2.2 选定方案 . 4 3 热释电传感器概述 . 5 3.1 、热释电红外传感器. 5 3.2 菲涅尔透镜 . 7 4、系统硬件模块设计 . 9 4.1 、电源电路 . 9 42、报警执行电路 . 9 4.3 、三极管反相电路 . 10 4.4 、延时控制电路 . 11 4.5 、报警发声电路 . 11 5 系统总电路图 . 12 总结与展望 . 13 总结 . 13 展望 . 13 参考文献 . 14 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 22 1 绪论1.1、设计背景随着时代的不断进步， 人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。这里所设计的被动式红外报警器则采用的传感元件是热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装。1.2、设计概述随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，人们自身的安防意识也在逐渐增强。 此类装置设计的要点： 其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。本设计是利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。内容广泛，灵活应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - 33 2 方案的设计与选定2.1 方案设计方案一：利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。系统主要有红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。 人体都有恒定的体温，一般在37 度左右，会发出特定波长10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。 人体发射的 10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷， 后续电路经检测处理后就能产生报警信号。方案二：利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。主要由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成。接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在 0.8 0.95 微米之间 ) ，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 44 应用在周界防范居多， 最大的优点就是防范距离远， 能达到被动红外的十倍以上探测距离。2.2 选定方案方案二的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案一较为复杂。由于是系统要求有节能的特点， 并且要在电路元件和模块的选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。综上所述选择方案一： 由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。主要由电路由红外线传感器、 信号放大电路、 电压比较器、开机延时、音响报警延时和 12V电源电路组成。组成框图如下：图 1 人体红外线感应报警器组成框图红外线传感器信号放大延时电路音响报警电压比较开机延时电源电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 55 3 热释电传感器概述3.1、热释电红外传感器一、热释电效应及传感器结构热释电元件和压电陶瓷一样，都是铁电体，除具有压电效应外，当其表面温度发生变化， 也将引起表面电荷的变化， 这种现象就是热释电效应，用具有这种效应的介质制成的元器件称为热释电元件。热释电辐射传感器由滤光片，热释电元件，高输入阻抗放大器等组成。由于热释电元件的内阻抗极高，需要场效应管做阻抗变换， 制作中把热释电元件和场效应管封装在同一壳体里， 为防止可见光对热释电元件的干扰，还得在其表面安装一个滤光片。滤光片的波段范围应选择与被测物体的红外辐射波长一致，例如，作为人体红外探测，滤光片应选取7.5 14m波段，因外人体温度为 37时，辐射的红外线在9.4 m处最强。由于热释电元件不像其他光敏元件那样可连续接受光照，因为极化电荷在元器件表面停留过久就会与环境中的电荷中和或者泄露，即表面温度只有变化过程中才会有信号输出，但大部分物体的红外辐射都是恒定的。所以，必须对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变为交变辐射。设法使红外辐射不断变化， 这样才能使传感器不断有信号输出。为了满足这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。热释电红外传感器的结构如图2 所示（其中 D 接正电源， S 为输入，G 接地） 。其内部由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内冲入氮气封装起来。图3 为引脚功能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 66 图 2 内部结构图 3 引脚功能二、热释电红外线传感器的优缺点优点：本身不发任何类型的辐射。器件功耗很小，隐蔽性好，流动安装。价格低廉。缺点：容易受各种热源、光源干扰。被动红外穿透力差， 人体的红外辐射容易被遮挡， 不易被探头接收。环境温度和人体温度接近时， 探测和灵敏度明显下降， 有时造成短时失灵。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 77 3.2 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变， 多在 1mm 左右，特性为面积较大， 厚度薄及侦测距离远。一、菲涅尔透镜的原理菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL 发明的原理采用电镀模具工艺和 PE （聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。 同一行的数个同心环组成一个垂直感应区， 同心环之间组成一个水平感应段。 垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。 由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。 镜片从外观分类为： 长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离 B区或近距离 C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 88 图 4 菲涅尔透镜的展开图和安装位置图二、菲涅尔透镜作用作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR 上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR 上产生变化热释红外信号图 5 菲涅尔透镜检测示意图不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2m ， 只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到lOm 三、菲涅尔透镜的主要技术指标外形尺寸，根据传感器和探测摘要来设计和生产不同尺寸的透镜。水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 99 4、系统硬件模块设计4.1、电源电路整流桥对 1,2 端输入的 12V交流电进行整流， 从而有利于后面的稳压管稳压。直接采用芯片稳压，LM7806将电压稳定在 6V直流电压上，由 1端输入， 3 端输出。42、报警执行电路芯片 CX20106A 的管脚注释： l脚：红外信号输入端，接红外接收管VDL 。 2脚：该脚与 GND 之间连接 RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分， 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1010 大电阻 R或减小 C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为 R4=4.7，C4=3.3F。 3脚：该脚与 GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，参数为3.3 F。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源端 VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0 ，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k 时，fn 42kHz，若取 R=220k ，则中心频率 f0 38kHz。 6脚： 该脚与 GND 之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 8脚： 电源正极， 4.5V5V。4.3、三极管反相电路用三极管 9013 将基极和集电极的电位反相，即在截止状态和饱和导通状态下的两种情况。且三极管也起增益放大的作用。R6,R7，R8均为偏置电阻，分别取值为10k,5.1k,10k 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1111 4.4、延时控制电路 R9,C8分别为延时电阻和延时电容，延时长度T=R9*C8*1.1，R9=1M ，C8=100UF ，即延时大约两分钟。为防止该NE555被反相电动势击穿，则并联保护二极管VD5 。（JDQ为继电器）4.5、报警发声电路IC5 选用 KD -9561 四声模拟声集成电路， SEL1,SEL1不接，则发出报警声， R10=240k以符合芯片要求。 BL选用 YD100 -1 型 8,0.5W 电动扬声器，由该 KD-9761和三极管 8050驱动。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1212 5 系统总电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1313 总结与展望总结从传感器考试结束， 我就开始了我的传感器课程设计工作。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。 历经了好多天的奋战， 紧张而又充实的课程设计终于落下了帷幕。几周设计对热释电红外防盗报警器的设计，大大提升了自己的能力，对自己知识面的扩展都有了很大的提高，我也深深的体会到， 实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。我也将许多遗忘的知识又给温习了。 这段旅程看似荆棘密布， 实则蕴藏着无尽的宝藏。在不断的修改及创新终于看到了自己的劳动成果，真不愧是“梅花香自苦寒来”。当然由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的进一步设计过程中不断完善。展望通过了整个课程设计的过程，我学到了很多新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想是一次意志的磨练， 是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 1414 参考文献1 刘笃仁，传感器原理及应用技术 M 西安； 西安电子科技大学出版社，2003. 2 宋文绪 . 传感器与检测技术 . 北京: 高等教育出版社， 2004. 3 何希才 . 传感器及其应用实例 . 北京：机械工业出版社，2004. 4 康华光，陈大钦，张林. 电子技术基础模拟部分 （第五版）M. 北京：高等教育出版社， 2006.12. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -