基于热释电红外探测的报警系统设计.pdf
河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 1 河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 Henan Polytechnic Institute 课程设计说明书 题 目热释电红外报警系统设计 班 级 电子信息 0701 姓 名 王永贵 指导教师 韩艳赞老师 时 间 2009 年 6 月 7 日 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 2 目录 目录 摘要3 1热释电红外探测器的分析4 1.1 红外辐射概述4 1.2 热释电红外探测器的结构4 1.3 热释电红外探测器的工作原理5 2 被动式红外报警器的结构理7 3 菲涅尔透镜及其工作原理7 4 电路设计9 4.1 信号放大电路9 4.2 电压比较电路10 4.3 延时电路10 4.4 电源电路11 4.5 整体电路工作原理11 附图12 元器件清单13 设计感想14 参考文献14 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 3 热释电红外报警系统设计 摘要：红外科学技术是研究红外辐射的产生、传输、转换探测及应用的一种高新技术。军事应用是推动红外技术发展的主要动力。在历次战争中,红外技术曾显示出巨大的威力,它已成为现代军事装备的重要组成部分。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等,在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。另一方面,由于红外技术的独特功能,近年来,军用红外技术已逐步实现了向民用部门的转化。红外成像、红外测温、红外测湿、红外检测、红外报警、红外侦查、红外夜视、等已是各行各业争相选用的先进技术,红外技术在民用部门中发挥着日益重要的作用。随着社会的进步，人们对家居生活安全性的要求也越来越高，各种防盗探测器应运而生。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因而在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，随着半导体技术和新型材料的发展，热释电红外探测器的防误报能力、控制范围与可靠性都有了很大程度的提高，可以满足多数环境下的使用要求，因此，在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。关键词：热释电 红外 报警 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 4 1 热释电红外探测器的分析 1.1 红外辐射概述 在自然界中，任何高于绝对温度(一273度)的物体都能够产生红外光谱，红外光的波长范围在0761 000 um，红外光谱学中将115um称为近红外波段；1550 um为中红外波段；501 000 um为远红外波段。温度不同的物体，其释放的红外光的波长就不同，因此，红外光的波长与物体温度的高低是相关的。由于红外辐射与物质相互作用时产生了热效应，能将肉眼看不见的红外辐射转变为可测量的物理量，依据这一原理，可做成红外辐射探测器。热释电红外传感器的外形如图1。1.2 热释电红外探测器的结构 热释电红外传感器的结构如图2所示，通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料，将敏感材料PZT的上、下表面做成电极，并在其上表面上加1层黑色氧化膜，以提高转换效率。在管壳顶端装有滤光镜片，它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。防盗报警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为8河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 5 14 um，而人体辐射的红外线波长在10 um左右，因此，该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。由于热释电传感器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设场效应管(FET)及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。图 2 热释电红外传感器的结构 1.3 热释电红外探测器的工作原理 热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达10000兆欧，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器，其结构示意图如图2所示。该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外，当环境温度改变时，两个晶体的参数会同时发生变化，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。该传感器使用时，D端接电源正极，G端接电源负极，s端为信号输出。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 6 图 3 双探测元热释电红外传感器的结构图 热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元 件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如图I所示 图 4 热释电红外传感器的内部电路框图 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 7 2 被动式红外报警器的结构原理 被动式红外报警器的组成如图3所示。物体射出的红外线先通过菲涅尔透镜，然后到达热释电红外探测器。这时，热释电红外探测器将输出脉冲信号，脉冲信号经放大和滤波后，由电压比较器将其与基准值进行比较，当输出信号达到一定值时，报警电路发出警报。图 5 被动式红外报警器的组成框图 3 菲涅尔透镜及其工作原理 菲涅尔透镜用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。其外形为半球，平面图形如图3所示。从图中可以看出，透镜在水平方向上分成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均放大滤 波电路 热释电红外传感器 菲 涅 耳透镜 物体 电 压 比较器 驱动器 报警器 基准电压 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 8 以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，如图3(b)。这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区(盲区)和明亮区(可见区)，使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元视场，(因为相邻透镜单元之间相隔很近)，传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和占区，还有聚焦作用，其焦点一般为5cm 左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方15cm的地方。菲涅尔透镜的展开图和安装位置图如下.图6 菲涅尔透镜的展开图和安装位置图 菲涅尔透镜是根据法国物理学家FRESNEL发明的原理，采用PE(聚乙烯)材料压制而成的。菲涅尔透镜是多焦距的，因而其各个方向与不同距离对光线的灵敏度能保持一致。透镜与热释电红外探测器配合，可以提高传感器的探测范围。实验证明，如果不安装菲涅尔透镜，传感器探测距离为2 m左右，而安装透镜后有效探测距离可达1015 m，甚至更远。这是因为移动的人体或物体发射的红外线进入透镜后，会产生交替出现的红外辐射“盲区”和“高敏感区”，从而形成一系列光脉冲进入传感器，该光脉冲会不断地改变热释电晶体的温度，使其输出一串脉冲信号。假如人体静止站立在透镜前，传感器无输出信号。图7为菲涅尔透镜检测示意图。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 9 图 7 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。4 电路设计 该电路主要由热释电红外传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路，电源电路等组成。4.1 信号放大电路 由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显的尤为重要。本系统设计的前置放大电路如图8所示。C1C2C3R2R1VT1R3R7R7R5R6R8C4C5R9R10R11VD1R12123FIR 图 8 前置放大电路 电路的核心为两片运算放大器，采用级联方式提高放大倍数。考虑到火焰的闪烁信号频率为低频信号，传感器的输出信号也以该频率变化，因此将放大器接成低通形式，截止频率为45 Hz，两级电压放大倍数分别为Au1=120，Au2=4，总的放大倍数为Au：Au1xAu2=480=54db。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 10 4.2 电压比较电路 LM324 另外两个运放组成电压比较检测窗口，由 R3,R5 和 R7,R8 将高、低通放大器的(3)脚和(5)脚均 设置为 12 Vcc，即 3 V。当红外传感器检测到人体的活动，其产生的微弱电压信号经过放大，传送到 LM324 的 10,13 脚时，用示波器可以检测到峰值约为 5 V 的正弦波，那么无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为低电平，使 IC2 的(2)脚由高电平跳成低电平以便控制延时电路工作。静态时，LM324 的(8)、(14)均为低电平，开关管截止，IC2 的(2)脚仍为高电平，延时电路不工作。当红外传感器检测到人的活动，在输入信号的正半周时，13 脚的电平高于 12 脚所加的 2.6V 比较电压，下比较器由 14 脚输出低电平，VD2 截止；此时 10 脚电平高于(9)脚，上比较器输出高电平，VD1 导通，其高电平使得开关管饱和导通，将 IC2 的(2)脚拉成低电平，致使延时电路工作。在信号负半周时，上、下比较器输出电平刚好相反，即(8)脚输出低电平，（14）脚输出高电平，VD2 导通。可见，只 要传感器检测到人体活动，无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为高电平，通 过开关三极管从而控制延时电路工作。R1R5R3R4R6R2R10R9C4C5C6C3C1C2GNDGNDR7R11R8D1D2C7 图 9 电压比较电路 4.3 延时电路 R14 和 C6 组成报警延时电路，其时间约为 60s。人体离开传感器的探测范围后，其辐射的红外线信号消失，IC2B 的 7 脚又恢复高电平输出，此时 VD2 截止。由于 C6 两端的电压不能突变，故通过 R14 向 C6 缓慢充电，当 C6 两端的电河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 11 压高于其基准电压时，IC3 的 1 脚才变为低电平，时间约为 60s，即持续报警 60s。由 VT3、R20、C8 组成开机延时电 路，时间也约为 60s，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。4.4 电源电路 1234C10C11VD5BATTERYC9220V+12VGND 图 10 电源电路 4.5 整体电路工作原理 红外线探测传感器 IC1 探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由 IC1 的脚输出微弱的电信号，经三极管 VT1 等组成第一级放大电路放大，再通过 C2输入到运算放大器 IC2 中进行高增益、低噪声放大，此时由 IC2脚输出的信号已足够强。IC3 作电压比较器，它的第脚由 R10、VD1 提供基准电压，当 IC2脚输出的信号电压到达 IC3 的脚时，两个输入端的电压进行比较，此时 IC3的脚由原来的高电平变为低电平。IC4 为报警延时电路，R14 和 C6 组成延时电路，其时间约为 1 分钟。当 IC3 的脚变为低电平时，C6 通过 VD2 放电，此时 IC4 的脚变为低电平，它与 IC4 的脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4 的脚变为高电平，VT2 导通，讯响器 BL 通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3 的脚又恢复高电平输出，此时 VD2 截止。由于 C6两端的电压不能突变，故通过 R14 向 C6 缓慢充电，当 C6 两端的电压高于其基准电压时，IC4 的脚才变为低电平，时间约为 1 分钟，即持续 1 分钟报警。由 VT3、R20、C8 组成开机延时电路，时间也约为 1 分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 12 防止停电后又来电时产生误报。该装置采用 912V 直流电源供电，由 T 降压，全桥 U 整流，C10 滤波，检测电路采用 IC5 78L06 供电。本装置交直流两用，自动无间断转换。IC1 采用进口器件 Q74，波长为 910um。IC2 采用运放 LM358，具有高增益、低功耗。IC3、IC4 为双电压比较器 LM393，低功耗、低失调电压。其中 C2、C5 一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。R12 是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度密封型。制作时，在 IC1 传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体的活动频率范围为 0.110Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。安装无误，接上电源进行调试，让一个人在探测器前方 710m 处走动，调整电路中的 R12，使讯响器报警即可。其它部分只要元器件质量良好且焊接无误，几乎不用调试即可正常工作。本机静态工作电流约 10mA，接通电源约 1 分钟后进入守候状态，只要有人进入监视区便会报警，人离开后约 1 分钟停止报警。如果将讯响器改为继电器驱动其它装置即作为其它控制用。附图元器件选择与制作 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 13 元器件清单见下表。编 号 名 称 型 号 数 量 编 号 名 称 型 号 数 量 R1 电阻 47K 1 C10 电解电容 470u/25V 1 R2 电阻 1M 1 C11 涤纶电容 0.1u 1 R3 电阻 1K 1 VD1VD5 整流二极管 IN4001 5 R4 电阻 4.7K 1 U 全桥 2A/50V 1 R5、R6、R9、R12、R13、R15、电阻 100K(R12 为线性微调电阻)6 VT1 晶体三极管 9014 1 R7、R10、R11、R17 电阻 10K 4 VT2 晶体三极管 MPSA13 0.5A 30V 1 R8、R16 电阻 300K 2 VT3 晶体三极管 8050 1 R14 电阻 470K 1 IC1 红外线传感器 Q74 1 R18 电阻 2.4K 1 IC2 运算放大器 LM358 1 R19 电阻 220 1 IC3 比较器 LM393 1 R20 电阻 560K 1 IC4 三端稳压器 78L06 1 C1、C2、C6、C8、C9 电解电容 47u/16V(C2、C5 用钽电解）5 BL 电磁讯响器 U=12V 1 C3、C5 电解电容 22u/16V 2 T 电源变压器 12V 5W 1 C4 涤纶电容 0.01u 1 S 钮子开关 1 C7 电解电容 220u/16V 1 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 14 设计感想 通过这次课程设计，我能够把理论知识同实践结合起来，收获很多，在设计过程中遇到很多问题，通过上网查资料和同学讨论，最终得到解决。设计中我发现自己的理论知识掌握的还不是很牢固，没有理论作支持，实践是很难进行的。这次课程设计从选题、找资料、确定设计方案、设计过程都是我们自己独立完成的。在设计的过程中遇到了许多的问题，但自己通过仔细的分析，不断的改进，实现了设计成功。这次课程设计使我懂得了要想设计一个成功的电路，不但要认真细心，而且要有耐心，全面的去考虑问题。在整个电路的设计过程中，对整个设计要有系统的把握，还要对一些细节考虑周全。只有这样才能设计好电路。在设计中总感觉知识的重要性及运用知识的能力。总体来说，这次课程设计使我收获颇丰。不但巩固了学过的知识，而且学到了许多其他的知识。理论结合实际，加强了对理论的理解，增强了解决问题的能力，同时也拓宽了我们的思维。希望学校多开展这样的设计，丰富我们的学习生活。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！参考文献 1 王煜东 传感器及应用第二版 2 陈有卿.新颖集成电路制作精选M.北京:人民邮电出版社,2005.3 李 冰,姜 波,汪滨瑜.BZSS0001在热释电红外开关上的应用 J.应用技术,2006,33(2):31233.4 李玉忠.双音多频译码器MT8870的应用技巧 J.无线电,2001(6):40240.5 马兴兵,杨鼎才,易小葱,等.一种新型热释电红外无线监控电话报警系统 J.现代电子技术,2004,172(5):83285.6 吴英才，林华清热释电红外传感器在防盗系统中的应用J传感器技术，2002，21(7)：4748 7 徐曼电子基础与技能M北京：电子工业出版社，2006 8 黄继昌，乔苏文，张海贵，等实用报警电路M北京：人民邮电出版社，2005 河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计 15 指指 导导 教教 师师 评评 语语 及及 成成 绩绩 评评 定定 课程设计成绩课程设计成绩:指导教师（签字）指导教师（签字）:年年 月月 日日
