热释电红外报警电路.doc

【设计题目】热释电红外报警电路
【设计要求】
1、 设计一热释电红外报警电路实现下述功能，当人靠近热释电红外传感器时电路开始报警并且人离开后电路依然延时报警一段时间，实现报警功能。
2、 对设计的报警电路实现仿真与实际电路的制作。
【设计过程】
1.【设计方案及论证】
热释电红外传感器的原理特性：
热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出｡由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。热释电红外传感器由传感探测元､干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成｡热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制､接近开关､遥测等领域｡用它制作的防盗报警器具有如下特点:
　　●不需要用红外线或电磁波等发射源｡
　　●灵敏度高､控制范围大｡
　　●隐蔽性好,可流动安装｡

图1. 热释电红外传感器的结构示意图

方案一：将热释电红外传感器输出信号经过LM358集成运放进行一级放大，并把输出信号输入窗口比较器进行比较，比较器中通过加电阻用作参考电压。再次输出高低电平信号作为555定时器组成的脉冲单稳电路的触发信号。再通过这一信号控制报警电路，实现报警和延时功能。
方案二：利用热释电红外传感器专用处理芯片BISS0001制作，它是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，只需加少量外围电路就能实现对热释电传感器输出信号进行放大比较以及延时处理，能方便的控制后续报警电路实现报警功能。

图2. 方案二的原理框图
比较方案一、二我们不难发现方案二中电路简单但是其中所用芯片BISS0001目前我们无法进行电路仿真因此不符合电路设计要求。综合考虑以上二种方案我们选择了方案一。方案电路图如下：

图3.设计方案电路图

2. 【元器件选择及其参数计算】
3.
2.1元器件选择：
2.1.1电源部分：
由于本系统仅需5V直流电源所以我们选择实验室常用的三端稳压芯片7805制作5V直流电源。
2.1.2传感器部分：
传感器部分我们采用目前实验室常见的D203S热释电传感器，该类传感器输出信号峰值大于3500mv。
2.1.3集成运放部分：
该电路用到两个集成运算放大器，第一个作为普通的放大器，第二个作为电压比较器因此我们选用常见的双运放LM358。
2.1.4定时延时部分：
采用数字电路中常用的555定时器来实现电路的定时延时功能。
2.1.5声光报警部分：
声光报警部分部分采用蜂鸣器实现声音报警，用三极管8050作为开关管，用LED实现光报警。

2.2参数计算：
2.2.1放大电路与比较器部分：
采用反相输入放大器，因为输入信号在几百毫伏左右，所以不需要太大的放大倍数。由反相放大器放大倍数可知当为470K，为1KΩ时放大倍数为470倍，假设输入信号为100mv则放大后信号理论值可达47V由于电源电压为5V故输出信号最大可达5V，已经满足后续信号处理电路对信号幅值的要求。电压比较器的参考电压端设置10KΩ的可调电阻,用来根据实际电路调节参考电压幅度。
2.2.2定时延时电路：
延时电路是由555定时器组成的脉冲启动单稳电路，其中延时时间可由公式求出，由于电路无需太长延时故Ω、f时延时时间。
2.2.3报警驱动电路：
因为三极管8050基极最大电流不超过80mA，由公式得R最小为54Ω所以我们选择实验室常用电阻ΩLED最大允许电流为20mA，所以R最小为165Ω,同样我们选取常用电阻Ω。

4. 【完整电路图】

图4.热释电红外报警器整体电路图
5. 【软件仿真】
1、 打开仿真软件按照电路图画出仿真电路图并设置信号源与示波器的参数。

图5.仿真电路图
2、打开仿真软件电源开始运行仿真输入输出信号如仿真示波器所示，此时没有信号输入555定时器后表示报警功能的LED灯不亮。仿真情况如下图：

图6. 尚未输入信号仿真结果
3、闭合仿真软件的信号输入开关J1此时电压比较器输出为低电平，触发555延时电路红色LED灯亮，此时仿真时间为0.700S实际结果如下图：

图7 按下按键输入信号时结果
4、打开开关J1观察电路延时情况结果如下图：

图8 延时中结果
5、灯延时结束报警指示LED灯灭此时仿真时间为6.111S，结果如下图所示：

图9. 延时后电路结果
由仿真结果可以读出延时在5.411S左右，理论值应为5.5S但由于人在操作完开关后才截屏处理致使时间与理论值不相等。
6. 【结论】
由仿真结果可知电路能够实现对热释电传感器输出信号的处理并且能够有效的进行延时报警，此仿真结果也说明了设计方案的可性行，为进一步的实际电路的制作做好了准备。
【制作及调试】
1、电路制作
根据仿真结果，用altium designer summer09画图软件画出电路原理图和PCB并制作PCB板，把先前准备好的元件焊接在PCB板上。PCB制版图如下：

图10. PCB制板图
2、电路调试
2.1、调试环境
PCB电路板、信号源、示波器、万用表、5V电源。
2.2、调试方法
1、测试PCB板电路连接：把万用表打到二极管测试档测试各焊点之间是否连接正常。
2、电阻测量：将万用表打到电阻档用表笔分别接触电阻两端，如果万用表显示数据与电阻标称值相差不大则电阻符合要求，如果测量值与标称值相差很大说明电阻已经损坏必须更换。
3、测试蜂鸣器：将蜂鸣器按正负极接到5V电源上，如果蜂蜜器响则正常否则已经损坏。
如果上述测试正常则接通电路调试
2.3、调试步骤
1、断开热释电传感器的输出脚并接上引线。
2、为了使测试方便直观便于检测在输入脚上接上信号源输出幅度为0.75V频率为100HZ的正弦波，并在放大器的输出端与点压比较器的输出端用示波器检测波形并记录。
3、用示波器检测热释电传感器在有人与无人时的输出信号变化并记录波形。
4、接入热释电红外传感器，调节滑动变阻器R4改变虚拟地的电位，用示波器检测电压比较器输出波形直到有人靠近输出低电平为止。
5、用手接近热释电电传感器用示波器检测放大器输出波形，与电压比较器输出信号并记录数据。
6、用手接近传感器并触发555使电路报警，用秒表功能记录报警延时长度。并记录电路灵敏度测试感应距离，并测试传感器感应信号的角度。
2.4、测试数据

图11.传感器输出信号波形图

输入信号
放大器输出信号
电压比较器输出信号
幅度
0.75V
4.8V
4.8V
波形

表1 信号输入与输出测试结果

方向
角度
横向
120
纵向
100
表2 传感器感应角度
测试结果显示感应距离在0-20CM之间。
经测试555延时电路延时时间T=5.87S。
3、【数据分析】
1、由图11 传感器输出信号波形图可知，热释电传感器器在无人接近即没有感应信号时输出为0.72V的直流电平，当有人靠近时产生感应信号为幅度在100mv以内的正弦信号，频率与人体接近的频率有关。
2、当输入幅度为0.75V频率为100HZ的正弦波时由理论计算可知放大器放大倍数为470倍输出信号应为352.5V的正弦波，但由于电源电压为5V影响故输出信号最高电压不超过5V，而是输出经过削波之后的方波信号，最高电压为4.8V（因为放大器本身压降所以不为5V）。
由于该电路采用虚地接法所以能够把双电源集成运算放大器改为单电源供电而不影响其放大，所以在本电路中虚拟地的电压为电阻R3、R4分压所得，所以当信号源输出信号幅度大于虚拟地电平，电路才认为为高电平信号进行反相放大，因此造成了输出方波占空比不为50%的现象，在理论可以解释的范围内。因为本电路只需要输出数字信号触发555定时器工作，所以波形失真并不影响后续电路的工作。
3、 因为放大器输出为方波所以经过反相电压比较器后输出为反相后的波形。
4、 经测试该电路延时时间为5.87S比预设时间5.5秒稍长，其原因有以下两个方面：
（1） 试验中选用的定时电阻与电容精度有限使延时时间与理论不符；
（2）试验中采用人工按表计时方法其精度与可靠度有限。
5、 经测试该电路响应距离为0-20CM左右。
6、 测试角度：由表可以看出传感器在不同方向探测角度不同，且横向探测角度大于纵向角度。
【设计总结】
1. 设计中出现的问题和相应的解决方案。
在电路调试过程中，起初用手触碰传感器时并没有触发报警电路，经检查后发现是参考压设置过高，即电阻R7设置过高，以致灵敏度不高。通过调低电阻后，只要将手置于传感器10cm左右即可实现报警。
2. 个人体会：
通过本次课程设计，对于运算大放器，基本放大电路等有了更深入的了解，能较熟练地使用Multisim画图软件，并通过Multisim画图软件设计实验电路仿真模拟成功；另一方面，在这个过程中让自己了解到许多自己不懂的问题，通过对问题的分析、讨论与解决，基础知识有了一定的提高。通过对实际电路的制作与调试，将理论用于实际，进一步提高了自己的动手能力，也加深了对模拟电子这门课的认识，为下一步的学习指明了方向。

【参考文献】
[1] 童诗白.华成英．模拟电子技术基础[M]．高等教育出版社，2006年5月第四版
[2] 葛汝明．电子线路实验与课程设计[M]．山东大学出版社，2006年10月第一版
[3] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社，2006年7月第三版
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