学士学位论文--热释电防盗报警器设计说明书.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书设计(论文)题目: 热释电防盗报警器设计专 业: 应用电子技术 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 二00八年十二月二十日四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学 生姓 名学号班级专业应用电子技术设计（或论文）题目热释电防盗报警器设计指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注高讲四川信息职业技术学院电子工程系、高级工程师081电子军工集团设计（论文）内容：1、查阅有关方面的相关资料，了解此方面的发展状况；2、掌握所用器件的特性3、采用合理的设计方案；4、设计、实现该系统；5、撰写设计报告进度安排：57周：根据要求设计出方框图和原理电路图。根据电路分析其工作原理。89周：根据电路准备电子元件.1012周：制作出印刷电路板,安装并调试，测试出相应的技术指标；1315周：根据调试分析其优缺点和提出整改措施，完成论文主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1黄继昌，徐巧鱼等 。传感器工作原理及应用实例M ，人民邮电出版社 。2被动红外探测器在安防工程中的应用3童诗白、华成英.模拟电子技术基础 第三版.北京：高等教育出版社，2001.审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。四川信息职业技术学院毕业设计说明书目录摘 要1第1章 绪论21.1 热释电报警器的发展2第2章 热释电报警器的设计32.1传感器32.1.1传感器的概念32.1.2传感器系统的原则32.1.3传感器的性能32.1.4热释电传感器的原理及应用42.1.5热释电报警器的设计62.2比较器的设计72.3光电耦合器92.4控制器的设计102.4.1 555定时器的介绍102.4.2主要参数计算142.4.3芯片14第3章 工作原理16第4章 结论17致 谢18参考文献19附录1 元件参数表20附录2电路总图21附录3 仿真图22I四川信息职业技术学院毕业设计说明书摘 要本文分析了用物体热释电传感器设计的报警器和用热释电传感器设计的报警器,提出了用热释电传感器设计的报警器，分析了电路工作原理，对电路参数进行了分析。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。热释电传感器报警器是物理信号转换成电信号的报警器设计。关键词 热释电传感器；光电耦合器；电压比较器；防盗报警器第 1 页 共 23 页四川信息职业技术学院毕业设计说明书第1章 绪 论1.1 热释电报警器的发展改革开放20多年来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步，主要表现在：一是建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地；二是MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；三是在“九五”国家重点科技攻关项目中，传感器技术研究取得了51个品种86个规格的新产品；四是初步建立了敏感元件与传感器产业，2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用；五是全国已有1688家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十五”计划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点。随着传感器的发展，又因为近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品、各总类型的移动机车和贵重物品为许多家庭所拥有，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路的原理。第23页 共 23 页第2章 热释电报警器的设计2.1传感器2.1.1 传感器的概念最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。2.1.2传感器系统的原则进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。2.1.3 传感器的性能传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源有源(a)和无源(b)传感器的信号流程无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。2.1.4 热释电传感器的原理及应用1. 前言 热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术。2. 热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图2-1表示了热释电效应形成的原理。图2-1 热释电效应的形成原理能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3 等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等），热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见图2-2所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。图2-2 热释电红外传感器的结构及内部电路图2-3菲涅尔透镜菲涅耳透镜（图2-3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区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，这样PIR就能产生变化电信号。如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。 3. 被动式热释电红外%传感器%的工作原理与特性 在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。 人体都有恒定的体温，一般在37C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（如图2-2侧视图C），环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。4. 被动式热释电红外探头的优缺点 不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如： 信号幅度小，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； 易受射频辐射的干扰； 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； 被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。 2.1.5热释电报警器的设计热释电报警器的设计，主要由传感器、双门限电压比较器、光电耦合器和555组成的沿时报警器等组成其框图如下2-4 图2-4 热释电报警器的设计框图检出偏差电压双门限电压比较器光电耦合器PC817触发器555检查偏差信号输出信号组成延时报警电源热释电传感器RE200传感器是把物理信号转换成电信号，检出正、负偏差电压。双门限电压比较器的功能是比较两个输入信号电压的大小，以便对输入信号进行幅值鉴别，检查输入信号的偏差信号。光电耦合器是由发光二极管和光电三极管相互绝缘地组合在一起的，把输入的信号经过转换而输出信号。触发555组成沿时报警器 2.2 比较器的设计电压比较器的功能是比较两个输入信号电压的大小，以便对输入信号进行幅值鉴别。通常把其中一个电压设置为参考电压，记为UREF(UREF可取正值、负值或零值)；另一个为输入信号电压ui，两个电压分别接于集成运放的两个输入端上。电压比较器中的集成运放有两种工作方式，一是开环工作，所构成的比较器。如单门限比较器和过零比较器等；二是正反馈工作，所构成的比较器如迟滞比较器等。输入信号ui只要在参考电压UREF附近有微小的增减，都将引起集成运放在正、负饱和状态之间转换，也就是说，输出电压将在输出高电平UOH和输出低电平UOL之间的转换。通常要求这一转换时间应尽可能短，以便实现高速鉴别。为此，除了选用转换速率（压摆率）高的集成运放外，在电路中可加接限幅电路，以防止集成运放进入深饱和度而影响转换速率。 电压比较器有单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。 图2-5中W1、W2是比较器上、下电压偏差的灵敏度调节器。传感器静止时，先测得0点中值电压V0值，然后调节W1，使测试点A的电压值比V0高0.05-0.1V，调节W2，使测得试点B电压值，比V0低0.05-0.1V。A、B点与0点电压偏差值，反比于报警器的灵敏度，正比于稳定性。调试时上述电压的取值，使灵敏度和稳定性互相兼顾。其设计电路图如下2-5所示：图 2-5 电压比较器设计电路图当输入的电压大于时，必然大于，所以集成运放A1的输出，的输出。使得二极管导通， 截止。当小于时，必然小于，所以集成运放A1的输出，的输出，因此导通，截止。当时，所以和均截止。其电压传输特性：UoUaoUbUcUohUoL0图2-6 电压传输特性曲线2.3光电耦合器光电耦合器，是近几年发展起来的一种半导体光电器件，由于具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如下图2-7。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离， 从而可有效的抑制电干扰。由光电耦合器PC817耦合的输出信号：其电路图如2-7：图2-7光电耦合器图2-7中Id是经IC1双运放组成的双门限电压比较器，检出的正、负偏差电压，Ic输出信号与555触发器的2脚联接。光电耦合器的传输特性如图2-8所示，它描述当发光二极管的电流为一个常量Id时，集电极电流Ic与管压降Uce之间的函数关系，即因此，与晶体管的输出特性一样，也是一族曲线，当管压降足够大时，Ic几乎仅决定于Id。与晶体管的相类似，在CE之间电压一定的情况下，Ic的变化量之比称为传输比CTR，即 CTR=不过CTR的数值比小的多，只有0.11.5。ID2ID1ID3ID增大图2-8光电耦合器的传输特性曲线光电偶合具有电气隔离的作用，使电路具有很强的抗干扰能力，适用于信号的隔离及远距离传送。2.4 控制器的设计由555定时器组成的延时报警器2.4.1 555定时器的介绍555定时器的组成和功能：图2-9是555定时器内部组成框图。它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5K电阻的分压器而构成。 图2-9 555定时器组成框图它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器定时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为 的情况下，555时基电路的功能表如表2-1示。表2-1 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端Qn+1放电管T功能00导通直接清零10导通置011截止置11Qn不变保持2）构成单稳态触发电路用555定时器构成的单稳态触发电路和工作波形如图所示（a）单稳态触发电路 （b）工作波形图2-10 单稳触发电路和工作波形接通电源后，未加负脉冲，而C充电，上升，当 时，电路输出为低电平，放电管T导通，C快速放电，使= 0。这样，在加负脉冲前，为低电平，= 0，这是电路的稳态。在t = t0时刻负跳变（端电平小于），而 = 0（TH端电平小于），所以输出翻为高电平，T截止，C充电。按指数规律上升。t = t1时，负脉冲消失。t = t2时上升到（此时TH端电平大于，端电平大于），又自动翻为低电平。在这段时间电路处于暂稳态。t t2，T导通，C快速放电，电路又恢复到稳态。由分析可得：输出正脉冲宽度 tW = 1.1RC注意：图2-10（a）电路只能用窄负脉冲触发，即触发脉冲宽度Ti必须小于Tw。图 2-11控制器设计原理图以上是控制器的设计原理图。由上图（2-11）可以知道这是单稳态触发器，其中2与光电耦合器IC连接，R9是IC2单稳态输出沿时的调节电阻，R9值正比于沿时时间，R8、C1、BG2组成报警器初始启动沿时电路。没有触发信号时电路工作在稳态， 若接通电源后，555定时器中基本RS触发器是处于1状态，即Q=1，=0、截止，则这种是不稳定的，经过一段时间之后，电路会自动地返回到稳态。因为截止，电源会通过R9对C2进行充电，将逐渐升高，当上升到时，比较器C1输出0，将基本R C触发器复位到0状态，Q=0、=0、饱和导通，电容C通过迅速放电，使0，即电路返回到稳态。单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳态和一个暂稳态；第二，在外来触发脉冲的作用下，能够由稳态状态翻转到暂稳态状态，第三，暂稳态维持一段时间以后，将自动返回到稳态转状态，而暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。2.4.2 主要参数计算(1)确定R，假设输出脉冲宽度tw=15s,C=470uf Tw=1ln =RCln =RCln3=1.1RC 可得R=30K，由此可得C=470uf(2)恢复时间恢复时间，就是暂态结束后，定时电容C经饱和导通的晶体三极管TD放电的时间，一般取=35，即认为35倍时间常数电容就放电完毕。由于，而很小，所以极短。(3)最高工作频率若输入的触发信号U1是周期为T的连续脉冲时，为了保证单稳态触发器能够正常工作，不难理解，应满足下列条件： T 即U1周期的最小值Tmin应为，即 因此，单稳态触发器的最高工作频率应为 2.4.3 芯片前面介绍了555定时器的内部框图和芯片功能表下面介绍555时基电路，图中（2-12）的各管脚的功能简述如下：图 2-12 555芯片比较器C1的反向输入端U6(接引脚 6)称为阈值输入端，用TH来表示，比较器C2的同向输入端U2(接引脚2)称触发输入端，用TR标注。C1和C2的参考电压(电压比较的基准)UR1和UR2由电源经三个5k的电阻分压给出。当控制电压输入端UCO悬空时，UR1=2/3Ucc,UR2=1/3Ucc；若UCO外接固定电压，则UR1=Uco,UR2=1/2Uco。RD为异步置 0 端（对应管脚4），只要在RD端加入低电平，无论U6、U2的输入电平如何，基本RS触发器就置 0，电路输出UO为零。平时RD处于高电平； 管脚6称为高触发端，该引脚的电平与2/3Ucc作比较；管脚2称为低触发端，该引脚与1/3Ucc作比较，所以在RD=1时，U6和U2有三种状态组合。使555定时器电路的输出UO有低电平0、保持和高电平1三种状态。定时器的主要功能取决于两个比较器输出对RS触发器和放电管V1状态的控制。第3章 工作原理由热释电传感器SD检出的正、负偏差电压，经IC1 358双运放成的双门限电压比较器，检出偏差脉冲（发光管D1、D2指示正负偏差讯号）。由光电耦合器PC817耦合的输出信号，触发器555组成的沿时报警电路。只要传感器每输出一个角度偏差电压，即可得到一个沿时数秒至数分的报警电压，以推动讯响器发声。W1、W2是比较器上、下电压偏差的灵敏度调节器。传感器静止时，先测得0点中值电压V0值，然后调节W1，使测试点A的电压值比V0高0.05-0.1V，调节W2，使测得试点B电压值，比V0低0.05-0.1V。A、B点与0点电压偏差值，反比于报警器的灵敏度，正比于稳定性。调试时上述电压的取值，使灵敏度和稳定性互相兼顾。R9是IC2 555单稳态输出沿时的调节电阻，R9值正比于沿时时间。R8、C1、BG2组成报警器初始沿时电路。附录3是EWB仿真出来后的现象，灯泡发光，说明555定时器输出正常，等几秒后D3发光，说明由R8、C1、BG2组成报警器初始沿时电路正常工作，由此宣告实验成功。第4章 结论经过此次的设计，使我学习了很多知识，譬如：传感器的概念、分类用法等。很多知识，让我再次学习并且巩固所学的专业知识。让我了解到知识的重要性，还有就是理论与实际联系的重要性，也让自己知道自己也有很多不足，多亏赵文宣老师的帮忙，让我学到了很多知识。希望自己能将所学的东西在以后的人生道路上运用好！致 谢在次毕业设计论文中，赵老师对该论文从构思、质料到最后定稿，各个环节给予细心的指引和教导，使我对热释电报警器有了深刻的了解和认识，使我最终完成毕业设计，在此我表示衷心的感谢。赵老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。在三年的大学生涯里，还得到众多老师的关心支持和帮助，在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!参考文献1黄继昌，徐巧鱼等 。传感器工作原理及应用实例M ，人民邮电出版社。2被动红外探测器在安防工程中的应用。3童诗白、华成英.模拟电子技术基础 第三版.北京：高等教育出版社，2001。 附录1 元件参数表序号编号名称数量说明1R1电阻15.1K/0.25w2R2电阻15.1K/0.25w3R3电阻11K/0.25w4R4电阻11K/0.25w5R5电阻1100/0.25w6R6电阻1500/0.25w7R7电阻1100K/0.25w8R8电阻115K100K/0.25w9R9电阻130K/0.25w10R10电阻1270/0.25w11R11电阻11K/0.25w12W1电位器12K/0.5w13W2电位器12K/0.5w14C1电解电容1330uf/16V15C2电解电容1470uf/16V16C3瓷片电容1223/25V17C4电解电容147uf/50V18BG1集成运放1901319BG2集成运放1901320BG3集成运放1901321Speaker蜂鸣器1只8欧 6V22DC2555定时器555定时器123SWITCH开关124D1发光二极管1只25D2发光二极管1只26D3发光二极管1只27D4稳压二极管1只58v28PC817光电耦合器1只29RE200热释电传感器1只2.2-15V附录2 电路总图附录3 仿真图 仿真图1仿真图2仿真图3四川信息职业技术学院学生姓名学号班级专业应用电子技术设计（论文）题目热释电防盗报警器指导教师指导老师考核意见 等级： 指导教师：答辩评语等级： 答辩老师： 总评成绩等级： 考核小组组长：备注以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。毕业设计（论文）评语