人体红外辐射检测电路课程设计.doc

XX大学
课程设计说明书

2013/2014 学年第 2 学期

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： XXXXXXXX
学 生 姓 名： XX 学 号： XXXXXXX
课程设计题目： 人体红外辐射检测电路设计
起 迄 日 期：201X年05月26日~201X年06月06日
课程设计地点： XX大学5院楼513、606
指 导 教 师： XXX

【目录】
摘要………………………………………………………………………1
关键词……………………………………………………………………1

第一章 课题要求
1.1课题背景……………………………………………………………2
1.2设计目的……………………………………………………………2
1.3设计内容和要求……………………………………………………2
第二章 方案分析
2.1课题名称……………………………………………………………3
2.2主要功能……………………………………………………………3
2.3设计思路……………………………………………………………3
2.4实现原理……………………………………………………………3
2.5主要过程……………………………………………………………4
第三章 电路设计
3.1 Protel原理图……………………………………………………4
3.2电气规则检测报告…………………………………………………5
3.3信号检测放大电路…………………………………………………5
3.4信号延时电路………………………………………………………5
3.5电压比较电路………………………………………………………6
3.6电源供电电路………………………………………………………7
第四章 PCB设计
4.1 PCB布线图…………………………………………………………8
4.2 PCB覆铜效果图……………………………………………………9
4.3线路焊盘图………………………………………………………10
第五章 Multisim仿真
Multisim仿真电路图：
5.1信号检测放大电路………………………………………………11
5.2延时电路…………………………………………………………11
5.3电压比较电路……………………………………………………12
5.4电源供电电路……………………………………………………14
第六章 主要元件介绍
6.1元器件清单………………………………………………………15
6.2主要元件介绍……………………………………………………15
6.2.1 热释电红外传感器——RE200B………………………………15
6.2.2 555定时器——NE555…………………………………………17
6.2.3集成运放——AD620 …………………………………………19
第七章 结果分析
结果分析………………………………………………………………19
第八章 设计心得
设计心得………………………………………………………………20
第九章 附录
参考文献………………………………………………………………20

【摘要】
红外辐射检测技术在各领域都有广泛地应用，其中基于热释电传感器的人体热辐射检测电路，通过对人体红外辐射的检测，进一步实现了对人体的识别。本文中所设计的红外检测电路设计了包含：信号检测放大电路、延时电路、电压比较电路、电源供电电路四部分，分析了本检测电路的工作原理，并进行了仿真论证。所设计的电路性能可靠、成本低、进一步完善后可应用于防盗、报警、照明等诸多实用电路中。

【关键词】
热释电传感器 红外检测 Multisim Protel

【第一章】课题要求

1.1课题背景
随着社会的不断进步和科学技术不断发展，基于热释电传感器的人体红外检测电路价格低廉、制作简单、成本低，安装比较方便，性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠等特点，应用前景广阔。

1.2 设计目的：
本设计是在学习光纤传感技术、光电子技术的基础上，把光电器件应用于红外辐射检测技术中，设计基于热释电传感器的人体热辐射检测电路，是在光电信息综合应用方面开展的一次实践活动，以巩固所学知识、培养动手能力。

1.3 设计内容和要求：
1)、掌握光电转换器的工作原理、性能，根据实际设计选用相应的光电检测器件；
2)、掌握自然界物体辐射红外光谱的原理，理解近红外波段、中红外波段和远红外波段的含义及其光谱特点；
3)、掌握红外辐射检测电路设计的原理和组成，基于热释电红外传感器设计红外辐射检测电路，并在protel下画出相应原理图；
4)、参考五篇相关论文。

【第二章】方案分析
2.1 课题名称
人体红外辐射检测电路设计
2.2 主要功能
（1）检测人体红外辐射
（2）对检测到的红外波段范围进行区分
（3）利用红、绿指示灯显示判断结果
2.3 设计思路
1、 利用热释电传感器感将红外辐射信号转换成电压信号
2、 将脉冲电信号进行延时
3、 利用电压比较电路对电信号所在范围进行判断
4、 利用变压器和整流电路将220v交流电变成5V直流电为电路供电
2.4 实现原理
红外线是一种光线，是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外热辐射(Infrared radiation)。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间;中红外线，波长为1.50～6.0μm之间;远红外线，波长为6.0～l000μm之间。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37°C左右，会发出10μm左右特定波长的红外线。
热释电红外线传感器是一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，该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。产生微弱的电压脉冲信号，由于脉冲信号不便于处理，利用运放电路对该脉冲信号放大，并通过延时电路将脉冲信号延时，后将该信号接入到由运放组成的电压比较电路中，通过与事先设置的上限电压V1和下限电压V2比较，实现电压在所预先设定的电压范围内时红绿两个指示灯同时亮起，表示检测到得红外辐射为人体红外波段。

2.5 主要过程
红外辐射→热释电传感器→电压脉冲信号→延时电路→电压信号→电压比较电路→指示灯

【第三章】电路设计
3.1 Protel原理图

利用Protel设计如上电路图，整个电路分为四部分：信号检测放大电路、信号延时电路、电压比较电路、电源供电电路，并利用网络标号将三部分电路连接。

3.2 电气规则检测报告

3.3 信号检测放大电路

图中JP1代表热释电传感器RE200B，U1为运算放大器AD620，JP1的2管脚为信号输出端，将其与运放的输入端3管脚相连，当热释电传感器接收到红外辐射刺激时，产生脉冲电压，通过JP1-3与U1-3，将信号传送至放大电路，该电路电阻值为R1=50Ω，放大倍率为G，R1=49.4KΩ/（G-1）,即G=1000，上图所示放大电路将信号放大1000倍。
3.4 信号延时电路

信号延时电路主要由555定时器NE555组成，采用了单稳态的电路接法。
3.5电压比较电路

电压比较电路主要由两个运放AR1、AR2构成，因为热释电脉冲电压微弱，在人体热辐射刺激下电压变化1mv左右，经放大电路放大后为1V左右，大致在1V到2V之间，所以将AR1的负输入端和AR2的正输入端分别接入1V和2V电压，作为与输入电压进行比较的参考电压，当输入电压值高于2V时AR1输出端为高电平，AR2输出低电平，即只有LED-D1亮起，当输入电压低于1V时AR2输出端为高电平，AR1输出电压平，即只有LED-D2亮起，只有当输入电压在1V到2V之间时，AR1和AR2才同时输出高电平，即D1、D2同时亮起，表示所测热辐射在人体热辐射范围内。
3.6电源供电电路

电源供电电路由两部分构成，一是由变压器构成的降压电路，即将220V交流电变成低压交流电，再通过桥式整流电路将该交流电压信号转换为5V的直流信号，为整个电路供电。

【第4章】PCB设计
【PCB图】：

利用Protel软件制作如上图示PCB电路图，采用双面制板，整个电路板长约74mm、宽约62mm，经手动布线后，横向布线多在顶层采用红色连线，纵向布线多在底层采用蓝色连线，横纵交错，使电路相互隔离，各元件排列紧凑，连线密布，显示部分位于电路板中下部，左侧为热释电探测器部分，右上角为电源接入部分和电源指示灯。

【效果图】：

利用软件的仿真功能，制作了如上图所示的效果图，上图展示了电路板的实际制作效果，白色轮廓为各元件的实际封装，铜色线路为电路板顶层的实际布线效果。

【线路焊盘图】：

上图清晰的显示了各元件在电路板的位置及连线、焊盘布局情况，展示了双面板两侧所有线路的连接情况。

【第5章】Multisim仿真
【Multisim仿真原理图】：
1、信号检测放大电路：

上图中V2=1mv模拟了人体红外辐射引起的热释电输出电压变化，经过运放电路放大后，运放输出电压约为1V，即实现了对输入信号的1000倍放大。
2、延时电路：

示波器对输入、输出信号的显示结果：

电压信号经放大器放大后接入上图所示延时电路，绿色波形代表输入信号，红色波形代表输出信号，由示波器显示可知，该延时电路实现了对信号的5倍延时。
3、 电压比较电路
下图中V1、V2、V3三个电压分别代表了三个经放大、延时电路处理后的信号电压，V2模拟人体红外辐射产生的电压值，V1、V3分别模拟高于人体和低于人体红外辐射的物体。

当V1=0.9V接入电压比较电路，红灯亮起，即表示该物体产生的红外辐射低于人体辐射。

当V3=2.1V接入电压比较电路，绿灯亮起，即表示该物体产生的红外辐射低于人体辐射。

当V2=1.2V接入电压比较电路，红灯、绿灯同时亮起，表示该检测电路所检测的电压在预先设定的电压范围内，即说明热释电所测红外辐射在人体红外辐射范围内。
4、 电源供电电路

220V交流电经变压器降压后再经整流电路，变化为5V直流电源。
【第6章】主要元件介绍
6.1元器件清单

6.2主要元件介绍
6.2.1热释电红外传感器——RE200B
实物图：

内部结构示意图：

灵敏元面积 2.0×1.0mm2；视场 139°×126°
输出信号 >2.5V (420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz 带宽72.5db增益)
平衡度 <20%；工作电压 2.2-15V
工作电流 8.5-24μA (VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)
源极电压 0.4-1.1V (VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)
工作温度 -20℃- +70℃；保存温度 -35℃- +80℃
热释电传感器的内部结构由敏感元件、场效应管，高阻值电阻，滤光窗，菲涅尔透镜等构成。热释电体是一种具有强烈自发极化效应的电介质材料如锆钛酸铅（PZT）陶瓷、钽酸锂（LiTaO3）单晶体等，这类介质的表面平时靠捕获大气中的浮游电荷保持平衡，当受到热辐射而产生温度变时，介质内部极化状态随之发生变化，由于内外层电荷变化速度发生“失步”现象，使得介质表面出现热释电效应。热释电传感器采用的干涉滤波片的厚度一般为8～14 μm，而人体辐射红外线的波长大约在10 μm左右，因此，传感器能够探测到是否有入进入了探测区域。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FET及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。
对于传感器感受到的红外信号，热释电传感器通过安装在前端的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。热释电元件的等效电阻高达1010Ω，为了获得最佳噪声系数，必须进行阻抗匹配，前置极一般采用高输入阻抗，低噪声JFET与其匹配。制作时，热释电体、输入电阻器、第一级JFET通常封装于一个管壳内，成为一个不可分割的整体。等效电路如下图所示。

第一级JFET输出信号的信噪比由热释电红外传感器决定。同时，为了使热释电红外传感器只对红外光谱中某一段红外辐射敏感，必须在热释电体前设置滤光片。当热释电红外传感器作为入侵防盗报警使用时，主要是使热释电红外传感器波长在0.2～20μm范围内几乎是稳定不变的，在传感器的设计中，热释电体表贴上波长为7~10μm的滤光片，这样可以避免太阳光的辐射和其他的红外辐射的干扰，从而减少虚报。

6.2.2 555定时器——NE555
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型（TTL）工艺制作的称为 555，定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。
（1）实物图引脚排列如下图所示：

（2） 555定时器内部电路图：

（3）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。
2脚：低触发端TR。
3脚：输出端Vo
4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、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0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：高触发端TH。
7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
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。
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，
（4）555时基电路的功能表如下表示。
清零端
高触发端TH
低触发端TR
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零

6.2.3 集成运放——AD620
AD620是一个低成本，高精度的仪表放大器，使用方便，仅需使用一个外部电阻即可设置增益。其放大倍数为1-10000，为精度考虑，在放大5000的时候最为准确。
（1）实物图引脚排列如下图所示：

（2）各管脚功能：P1与P8脚接外部增益设置电阻；P2与P3脚是输入端；P6脚是输出端；P4与P7脚接±5V电源；P5是输入参考电压400mv

【第七章】结果分析
本次课程设计，通过对电路的原理分析和仿真论证，证明该电路可以利用热释电传感器实现对热辐射的探测，将红外辐射信号转换为电压信号，并能将微弱的电压信号进行放大，将短暂的脉冲信号进行延时， 并利用电压比较电路对采集到的电压信号进行大致的范围判断，从而实现了对人体红外辐射的探测和识别。

【第八章】设计心得
心得体会：通过本次课程设计，更深入的了解了热释电传感器，555定时器，集成运放——AD620等器件的运用，理解光电转换的原理以及自然界物体红外光谱的一些知识，学到了很多以前没有了解过的知识，让我更加清楚的了解到理论知识与实践能力的差别，培养了我的独立思考能力，发现问题和解决问题的能力，同时发现了自己的不足之处，有待进一步学习，在未来的学习过程中应更好的适应和提高自己。

【第九章】附录
参考文献：
1、郝晓剑，李仰军.光电探测技术与应用. 北京：国防工业出版社, 2009
2、陈汝全 电子技术常用器件应用手册.北京：机械工业出版社, 2004
3、王庆友 光电技术. 北京：电子工业出版社，2013
4、韩焱，张艳花，王康谊.数字电子技术基础. 北京：电子工业出版社, 2009
5、江月宋 光电技术实验. 北京：航空航天出版社, 2012