热释电红外报警器课程设计1.doc

华北科技学院课程设计XXXXX学校课 程 设 计题 目： 热释电红外报警器 课 程： 模拟电子技术基础 专 业： XXX 班 级： XXX班 学 号： 200903024312 姓 名： XXX 指导老师： XXX 目录目录.（2）一、设计要求.（3）二、设计的作用、目的.（3）三、设计的具体实现1.系统概述.（3）（1）菲涅尔透镜及其工作原理.（4）（2）基本电路.（5）（3）热释电红外报警器的控制电路.（12）（4）电路工作过程.（12）2.单元电路设计、仿真与分析.（13） 3.PCB版电路制作.（18）四、心得体会及建议.（21）五、附录.（22）六、参考文献.（23）热释电红外报警器设计报告一、 设计要求（1） .在探测器范围为有人活动时报警器发出10秒左右的报警声。（2） .白天不起作用晚上进入自动工作状态。（3） .红外探测可直接用集成热释电传感器。二、 设计的作用、目的1、 热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器，也称热探测型传感器。可用来直接接收目标物体发射的红外线并将其转换为电压信号输出，且不需要红外发射传感器。2、 热释电红外传感器反应速度快、灵敏度高、准确度高、使用方便，尤其是可以进行非接触式测量。主要应用在各类入侵报警、自动开关、非接触式测温、火焰报警、设备故障的诊断等自动化设施中。3、掌握常用电子器件（稳压管，二极管，三极管，电容，电阻等器件）的应用，并进行设计和综合分析应用。4、培养自我学习能力，提高自己的动手能力。三、 设计的具体实现1.系统概述：热释电红外报警器的组成如下图所示。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。 上图即为实际原理图的框图菲涅尔透镜及其工作原理（附） 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以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，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。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。、此图为菲涅尔透镜检测示意图 基本电路热释电红外报警器的构成主要由信号接收电路、放大电路、比较电路、延时电路、报警电路、电源电路构成。部分电路的图如下所示：通过此处可以得一个微弱的信号第一级和放大后的电压第二级放大第二级放大后的电压信号信号比较电路报警电路单稳态延时电路由于输出电压很低，要是它能够驱动负载，故必须采用一个增益足够高的放大器将其电压信号放大。一般要求放大器的增益应为6070dB，放大器的带宽为0.37HZ,放大器对热释电红外传感器的可靠性和灵敏度有很大影响。带宽窄，则噪声低；带宽宽，则噪声大，错误动作率高，但对人体移动的速度变化响应好。下图为此次设计采用的级联方式放大电路：热释电红外报警器的控制电路：热释电红外传感器通过人体辐射出的红外线，接收并得到一个微弱的信号，然后通过级联放大电路形成具有一定电压幅度的控制信号，用这一控制信号去控制三极管使其导通，就可制成具有自动控制功能的各种外接装置。但有人来时，得到一个信号，然后导通三极管等元件使得报警电路得意工作，隔一定时间的时间再一次扫描，检测是否还有人，有人继续通过得到的一个信号经过放大然后使得报警电路工作，若没有人，也得到一个信号，但与基准电压相比较，不符合则停止导通，从而报警电路停止工作。电路工作过程热释电红外传感器在探测区探测到人体辐射出的红外线信号时（相当于一个电位器通过改变阻性得到一个高电位和低电位）在由传感器输出微弱的电信号（脉冲的幅度不大于1mV），送入集成运放IC1-1和IC1-2两级低频带通放大器中进行高增益、低噪声放大，通常带宽取0.37HZ。IC1-3组成电压比较器，R10、R11将同向端脚电压分压为V，作为比较器参考电压当IC1-2输出的信号电压大于参考电压V时，IC1-3的脚输出低电平。此低电频通过二极管D1加至IC1-4的脚，使IC1-4的脚输出低电平。这一低电平通过电阻R12加至三极管VT1的基极，使其导通，在通过555时基电路从而使得报警电路能过运行。通过得到的电压信号的高低电平则能够控制电路运行。在电压比较器IC1-3中，将参考电压设定为V，目的是为了抑制干扰信号，使得低于参考电压V的干扰信号被抑制，从而保证了电路工作的可靠性。为了使得电路仅在夜间被触发，在IC1-3的输入端脚接入光敏电阻RL（相当于一个滑动变阻器改变阻值得到一个高的电阻和一个低的电阻）。该电阻在白天由于受光的照射，其阻值大于10K。因此，IC1-2输出端的高电平经R9与RL分压后，其电阻值总是小于参考电压。这就是IC1-3的输出端一直保持高电平，从而使得555时基不工作，继而报警电路也不工作。IC1-4和R16、C9组成但稳态延时电路。平时IC1-4的反相输入端脚通过R10、R11被分压就在V，而同相输入端脚则由电源经RP1向C9充电使其保持在接近电源电压6V的状态，这就使IC1-4的输出端脚保持高电平。当有传感信号电压使IC1-3的输出端脚变为低电平时，电容C9通过D1放电。当放电使C9的正极电压IC1-4的脚低于V时，IC1-4的脚输出低电频并通过VT1使报警电路得以正常工作。当传感器输出的信号消失后，IC1-3的脚恢复高电平，D1截止，电源通过RP1向C9充电，当充电使C9的正极电压升至大于V时，单稳态电路的暂态结束，C1-4的脚恢复高电平，使得VT12截止，报警器停止工作。2. 单元电路设计、仿真与分析 第一部分传感部分：由于在multisim7中没有合适的传感器，故选用了一个电位器来代替，只需要改变相应的阻值就能够得到不同的信号，故当需要一个信号时可以调整电位器，使其满足需求。即通过R17的阻值来得到一个自己想要的信号大小，从而满足仿真需求。第二部分放大信号部分：通过级联放大电路来放大从传感器得到的微弱的电压信号。级联图如下图所示通过IC1-1放大传感器的微弱信号，然后在经过IC1-2再一次放大信号，得到一个需要的信号来保证电路的运行。故向介绍的那样采用的是级联的方法来放大基础信号。IC1-3一个单独成了一个独立的电压比较器，来对电压进行筛选如图所示高于参考电压的电压信号被通过，而低于参考电压的信号电压被抑制，阻止其通过，从而达到筛选的目的。假使信号电压大于参考信号，则信号通过，当信号消失后，IC1-3的8号管脚恢复了以往的高电平，从而使其后面的二极管D1截至。从而达到抑制干扰信号的目的。单稳态延时电路的电路图如下图所示：通过前一步的电压比较器的筛选，大于参考电压的信号经过二极管D1通过IC1-4的5号管脚进入了单稳态延时电路，IC1-4和R16以及C9组成了单稳态延时电路，一般IC1-4的6号管脚也就是IC1-4的反向输入端通过前一步的R10、R11被分压在参考电压，而其5号管脚也就是IC1-4的同向输入端则在C9的作用下一直保持在电源电压6V左右，（附图）从而让7号管脚得以保持高电平。这是单稳态延时电路的原理机器工作方式。这是555时基电路的报警电路作用是通过555时基电路来确定设计所需要的报警声10S。具体原理及其部分参数的确定是当前面的信号经过TRIG进入时基电路，作用于此电路，而这时报警电路就开始工作，而从达到报警的目的。此处的电阻阻值和电容的大小是进过需要得到的报警声时间得到的。具体公式是：1.1R*C=t，根据这个公式，由于知道设计所需要的报警时间为10S，故先确定一个元件参数则另一个元件参数就可以通过公式算的，故有上面的具体阻值和电容值。3. PCB版电路制作PCB版的制作流程：第一、 先运行Protel程序，并按照原理图制作一个SCH文件，先通过SCH中的各项功能将检查电路，然后将电路中所需要的元件封装，然后到处网络表并检查是否全部封装。第二、 在原理图编辑的环境下，创建一个PCB文件并存入与原理图文件相同的文件夹中。第三、在原理图编辑环境中，执行Design/Update PCB命令 ,系统弹出工程变化列表后，单击左下角Execute Changes按钮，系统按照变化一步一步执行载入操作，完成后，关闭工作变化表。第四、进入PCB编辑器工作环境，执行Design/load Nets，检查是否有错误，若有错误并改正错误，直到将所有的错误修正，最后将所有元器件导入到工作区。第五、 执行Tools/Auto Placement/Auto Placer命令，进行自动布局。自动布局结束后可手工调整布局。将不符合自己想的的元件分离开来，并进行排布。第六、 布局结束后执行Auto Route/All命令，单击弹出的对话框右下角Router All按钮进行自动布线。第七、执行Place/Polygon Plane命令，在弹出的对话框中单击OK按钮，会出现是自的定位线跟随在鼠标指针上，依照电路板中需要GND的区域画出一个闭合多边形。完成后，敷铜会自动进行。第八、选择敷铜电路层为“Bottom Layer”,重复上述步骤，便完成了所有PCB制版过程。四.心得体会及建议通过这次课程设计，我学会了怎样运用软件设计电路、仿真电路、制作PCB版。通过学习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。由于学习时间很少，所以花的时间很多。 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，并向老师求证，最后确定最后的方案，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！ 五.附录元件明细：六. 参考文献 1 谭克清 陈国培.电子技术基础实训.北京：高等教育出版社，2009.5 2 王煜东 传感器及应用第二版 3 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. 4 徐曼电子基础与技能M北京：电子工业出版社，2006 5 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 第 23 页 共 23 页