热释电红外报警系统设计自动检测.doc

郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书
郑州轻工业学院
课 程 设 计 任 务 书

题目 热释电红外报警系统设计
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
设计内容：
（1）整体电路设计（画出电路组成框图）；
（2）信号检测电路设计；
（3）放大电路设计，电路参数选取、数据计算；
（4）比较电路设计；
（5）延时及驱动电路设计。
设计要求
（1）采用热释电红外传感器组成测量电路；
（2）电路组成：热释电红外传感器、放大及比较电路、延时及驱动电路；
（3）在实验装置上进行模拟实验，测量出被测量与输出信号之间的关系；
（4）写出5000字左右的工作原理说明，附系统图一张。
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年 月 日

热释电红外报警系统设计
电子信息工程 级 班 指导老师：
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

目 录
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 5
1.3 热释电红外探测器的工作原理 6
2 被动式红外报警器的结构原理 7
3 菲涅尔透镜及其工作原理 8
4 电路设计 9
4.1 信号放大电路 10
4.2 电压比较电路 10
4.3 延时电路 11
4.4 电源电路 12
4.5 整体电路工作原理 12
5 元器件清单 14
6 设计感想 15
参考文献 16
附录 17
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0．76～1 000 um，红外光谱学中将1～15um称为近红外波段；15～50 um为中红外波段；50～1 000 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8～14 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3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。

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4所示

图4 热释电红外传感器的内部电路框图

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5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6(a)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6(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1—5cm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10～15 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。

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。

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。
4.2 电压比较电路
LM393 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 1／2 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 LM393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由高电平跳成低电平以便控制延时电路工作。静态时，LM393为低比较器输出高电平，VD1 导通，其高 电平使得开关管饱和导通，将IC2 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， 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。

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

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 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IC2输入到运算放大器IC2 中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2输出的信号已足够强。IC3 作电压比较器，它由R10、VD1 提供基准电压，当IC2输出的信号电压到达IC3 时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的输出端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 变为低电平时，C6 通过VD2 放电，此时IC4 脚变为低电平，它与IC4 脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4 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 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 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，同时可防止停电后又来电时产生误报。该装置采用9－12V 直 流电源供电，由T 降压，全桥U 整流，C10 滤波，检测电路采用IC3 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9－10um。IC2 采用运放LM358，具有高增益、低功耗。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0.1－10Hz，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7－10 m 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。

17

5 元器件清单
编号
名称
型号
数
量
编号
名称
型号
数
量
R1
电阻
47K
1
C10
电容
470u/25V
1
R2
电阻
1M
1
C11
电容
0.1u
1
R3
电阻
1K
1
VD1—VD5
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
220Ω
1
IC3
比较强
LM393
1
R20
电阻
560K
1
IC4
三端稳压器
78L06
1
C1、C2、C6、C8、C9
电容
47u/16V
5
BL
电磁讯响器
U=12V
1
C3、C5
电容
22u/16V
2
T
电源变压器
12V 5W
1
C4
电容
0.01u
1
S
开关

1
C7
电容
220u/16V
1

6 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 ]何道清 传感器与传感器技术第二版
[ 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.
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[ 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)：47—48．
[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

附录