传感器课程设计热释电红外探测器.doc

摘 要

随着社会经济的日益发展，防盗成了人们越来越关心的问题。铁门铁窗等已经不能给人们带来太多的安全感，社会对报警器材的需求日益迫切。智能防盗系统，是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统。他包括以现代物理和电子技术及时发现侵进入破坏行为、产生声光报警阻吓罪犯以及提醒值班人员采取恰当的防范措施。
室内防盗智能控制系统作为一种新型的电子防盗设备广泛应用于家庭住宅区。目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗器进一步完善和提高。
这是一种基于单片机信号处理技术的防盗检测器的软硬件设计方法。应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。本系统利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理，设计的新型探测器，测量范围广, 响应速度快, 灵敏度高，抗干扰能力强，安全可靠 。并采用单片机89C51作为人体探测系统的核心，以热释电红外线为数据采集部件，经过比较放大之后，输入单片机进行数据判断及处理。当检测到有被测物体进入测量范围时，系统自动发出声光报警信号，等待一段延迟时间后自动消除报警信号，并可手动解除报警信号。当有主人在家系统无需报警时,可开启楼道灯控制系统，即传感器探测到有人经过时照明灯亮,等待一段延迟时间后自动熄灭,并可手动来控制延迟时间的长短。系统的另外一个功能是检测人数及最大容量人数控制，当探测头探测到有人经过时,系统自动计数加一，并可以通过键盘控制最大容量人数，如果探测到的人数超过最大容量人数时则发出自动报警信号，并通过LED显示检测到的人数与最大容量报警人数。系统使用单片机与PC机通信原理，把采集到的数据传输给计算机统一处理。
关键词: 热释电传感器 单片机 声光报警 键控

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第一章 传感器
1.1传感器的定义
根据中华人民共和国国家标准(GB 7665—1987),传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。对此定义需要明确一下几点：
(1)传感器是一种能够检测被测量的器件或装置;
(2)被测量可以是物理量、化学量或生物量；
(3)输出信号要便于传输、转换、处理和显示等，一般是电参量；
(4)输出信号要正确地反映被测量的数值和变化规律等，即两者之间要有确定的对应关系，且应具有一定得精确度。
1.2 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图1-1所示。

敏感元件
转换元件
转换电路
被测量 电参量

图1-1 传感器的组成框图
(1)敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。
(2)转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参量（电阻和电容等）的元件。
(3)转换电路将元件输出的电参量转换为电压、电流或频率的电路。如果转换元件的输出已经是电压、电流或电频率，则不需要转换电路。
1.3 传感器的应用领域
传感器是获取自然领域中各种信息的主要途径和手段，是构成现代信息技术的三大支柱之一。目前传感器涉及的领域非常广泛。在现代工业生产尤其是自动化生产过程找中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或是最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说没有众多的优良的传感器，现代生产也就失去了基础
1.4 传感器的发展趋势
社会需求是传感器技术发展的强大动力。随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及计算机的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用将更为突出，一股竞相开发和应用的热潮已在世界范围内掀起。新现象、新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感的重要基础，每一种新原理、新材料的发现都会伴随这新的传感器种类诞生。传感器还朝着微型化、智能化和多功能化发展。
1.5 红外传感器
红外传感器是利用红外线来探测物体的测量器件，内部发射特殊红外线光波，相当数据流，也就是数字信号转成红外信号---红外信号转成数字信号（达到控制，信号传输的效果）。 红外传感器属于精密型传感器，它具有相当好的测量针对性。
红外线传感器包括光学系统,检测元件和转换电路.光学系统按结构不同可 分为透射式和反射式两类. 检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测 元件.热敏元件应用最多的是热敏电阻.热敏电阻受到红外线辐射时温度升高, 电阻发生变化, 通过转换电路变成电信号输出. 光电检测元件常用的是光敏元件, 通常由硫化铅,硒化铅,砷化铟,砷化锑,碲镉汞三元合金,锗及硅掺杂等材料制成. 如图1-2所示。

图 1-2红外传感器工作原理
1.6 红外传感器的技术参数
1 响应率：所谓红外传感器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。
2 响应波长范围：红外传感器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系。
3噪声等效功率：若投射到传感器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于传感器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率。噪声等效功率是一个可测量的量。
第二章 红外线
2.1 红外线
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍肯尓于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。红外线具有：1.有热效应2.穿透云雾的能力强因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。
19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。
17～18世纪，许多物理学家认为，光（包括红外光和紫外光）具有波动的性质,有一定的传播速度,波长是它的特征参数并可以测量。可见光的彩色不同，反映了它们的波长不同。紫光的波长最短,红光的波长最长,红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律,提出了存在电磁波的可能性,它的传播速度可用纯电学量计算出来。后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。因而猜想，光波就是电磁波。1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。已知带电体受到扰动就发射出电磁波。扰动越强烈，发射出电磁波的能量就越大，波长就越短。
2.2 红外技术
红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。
红外技术的内容包含四个主要部分：
1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。
2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。
3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。
4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。与红外线相关的技术还有：探测技术;精确制导技术;光电子技术;先进材料技术
2.3 红外技术的发展史
自从1800年英国天文学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。
红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。
2.4 红外探测器
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。
从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。
2.5 红外报警器
红外线报警器分主动式和被动式两种。主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红线线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。红外线报警器 在电影《偷天换日》和其它的电影、电视剧中我们常可以看到，神偷在偷取宝物时，总会有一个把风的在外面用电脑监测着。电脑屏幕上面，显示着神偷周围有一根根红线，如果神偷不小心“触”到了这根红线，那么报警器就会发响。这就是红外线报警器，如图2-1所示。

报警电路
信号处理
红外传感器
待测
目标
光学系统

图2-1 报警器的结构图

被动式报警器少了一项功能，就是发射红外线。物理学上告诉我们，当物体的温度高于0K的时候，就会发出红外线，换句话说任何物体都能发出红外线。而其后的原理，被动式报警器和主动式是一样的。红外线报警器对温度敏感,温度越高的物体辐射出的红外线越强,当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时,就触发反警。
在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内。报警器的工作电路图如2-2所示。

图2-2 报警器的工作电路图
3、系统硬件模块设计
3.1、电源电路

整流桥对1,2端输入的12V交流电进行整流，从而有利于后面的稳压管稳压。直接采用芯片稳压，LM7806将电压稳定在6V直流电压上，由1端输入，3端输出。
3．2、报警执行电路

芯片CX20106A的管脚注释：
l脚：红外信号输入端，接红外接收管VDL。
2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为R4=4.7Ω，C4=3.3μF。
3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，参数为3.3μF。
4脚：接地端。
5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6脚： 该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚： 电源正极，4.5V～5V。
3.3、三极管反相电路

用三极管9013将基极和集电极的电位反相，即在截止状态和饱和导通状态下的两种情况。且三极管也起增益放大的作用。R6,R7，R8均为偏置电阻，分别取值为10k,5.1k,10k。
3.4、延时控制电路

R9,C8分别为延时电阻和延时电容，延时长度T=R9*C8*1.1，R9=1M，C8=100UF，即延时大约两分钟。为防止该NE555被反相电动势击穿，则并联保护二极管VD5。 （JDQ为继电器）
3.5、报警发声电路

IC5选用KD -9561四声模拟声集成电路，SEL1,SEL1不接，则发出报警声，R10=240k以符合芯片要求。BL选用YD100 -1型8Ω,0.5W电动扬声器，由该KD-9761和三极管8050驱动。
4 系统总电路图

总结与展望
总结
从传感器考试结束，我就开始了我的传感器课程设计工作。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了好多天的奋战，紧张而又充实的课程设计终于落下了帷幕。
几周设计对热释电红外防盗报警器的设计，大大提升了自己的能力，对自己知识面的扩展都有了很大的提高，我也深深的体会到，实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。我也将许多遗忘的知识又给温习了。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。
在不断的修改及创新终于看到了自己的劳动成果，真不愧是“梅花香自苦寒来”。当然由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的进一步设计过程中不断完善。
展望
通过了整个课程设计的过程，我学到了很多新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。

参考文献
[1] 刘笃仁，传感器原理及应用技术[M] 西安；西安电子科技大学出版社，2003.
[2] 宋文绪. 传感器与检测技术. 北京: 高等教育出版社，2004.
[3] 何希才.传感器及其应用实例.北京：机械工业出版社，2004.
[4] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.12.