红外报警器1.docx

红外报警器1.docx

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红外报警器1

红外报警器设计

一、概述

红外报警器由报警主机和红外探测器组成报警系统。

探测一旦探测到入侵，红外报警器立即把报警入侵信号无线密码传输到报警主机，主机接收到报警信号后，会立即启动高分贝警笛现场报警器，红外报警器主机面板上的LED显示报警防区，防区路数0-99路，明确显示入侵方位，同时报警主机还有时间显示、报警记录查询、自动开关机等功能。

性能用途：

红外报警器采用全套集成电路，调频传送报警信号，晶体稳频具有探测灵敏、报警准确可靠、安装简单的特点，质量符合GB10408、GB12633国家标准，被广泛用于家庭、别墅、银行、商畅?

仓库等地方，是防盗报警的最有效装置。

红外报警器分类及原理

类型分类：

红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警：

主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。

主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束（此光束的波长约在0.8～0.95微米之间），经过光学系统的作用变成平行光发射出去。

此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。

由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。

正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。

目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。

一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。

　　被动式红外入侵探测器,这种探测器又称为热释电红外探测器，它具有二维探测、识别特性。

满足这种红外探测报警的工作有两个：

一是存在具有一定温度的生物体；而是必须有一定的移动速度。

它对人体有很高的灵敏度。

它既可以进行直线型探测，也可进行空间探测，常用于室内和空间的立体防范，器隐蔽性更是优于主动式红外探测器。

故本次课程设计采用被动式红外入侵探测器。

被动式红外式传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转化成相应的电信号，并进行放大，处理，对被监控的对象实施控制。

它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。

同时，它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

二、研究方案

我们组采用红外反射探索方式，即使用红外发射，接收模块。

在离障碍物0.5米时发出报警信号以提示行者不要在接近。

下面给出整体架构：

三、主要原件和技术指标

滤波片

为了使热释电红外传感器辐射到的红外线与大气的红外透射率相结合，同时考虑到对人体外的红外辐射（特别是近红外辐射）干扰进行抑制，在热释电传感器元件前加上一个8~14um的干涉滤光片。

波长小于8um的红外线被吸收，只留下对人体敏感的热释红外光谱。

热释电红外传感器

用于人体探测的热释电红外传感器多采用双元或四元的器件，接收的红外线波长为6.5~14um。

要求器件的灵敏度高，噪声系数低，使用温度范围广。

外形及结构：

双元型，金属壳TO-5封装；

探测元：

芯片材料为钽酸锂（LiTaO3）；

典型响应度：

它是衡量灵敏度的重要指标，P228为6500伏每瓦，灵敏度较高；

等效噪声功能：

它是衡量稳定度的主要指标；

窗口波长：

它表明传感器（包括探测元件和滤光片）接收红外线的光谱范围，P228为7~15um；

使用温度：

表明在该温度范围内使用时，其主要性能参数能达到跟定指标，P228为-40摄氏度到60摄氏度。

监测角度：

水平面监视范围为110度。

电路主要由热释电红外传感器探测电路、光控电路、报警驱动电路等组成。

在温度为-20—+60度之间，电压为3—15V时，热释电能有效探测进入探测区域的红外发射体。

四、基本原理

释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而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。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

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，该电阻阻抗高达１０４ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器，来完成阻抗变换。

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。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

热释电效应

热释电红外探测器最重要的部件是热释电红外传感器。

这种传感器的原理基

于热释电效应。

某些强介电物质的表面接收了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。

这种现象在钦酸钡之类的强介电质材料上表现得特别显著。

若在钦酸钡一类的晶体的上下表面镀膜形成电极，在上表面加以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升乙T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷dP，设该元件的电容量为C，则该元件的电压为乙只℃。

需要指出的是，热释电效应产生的表面电荷不是永存的，只要它出现，很快便被空气中的各离子所结合。

因此，用热释电效应制成的红外线传感器往往需要在元件的前面加机械式的周期遮光装置，以使此表面电荷周期出现才能实现测量;或者只有当测移动物体时才可不用周期遮光装置。

因此红外线探测器在探测静止物体（包括人体）时需要加周期遮光装置;只有检测运动的人体时才无周期遮光装置。

被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。

人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。

人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10μm左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

　　1.被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。

　　2.为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

　　3.其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。

4.一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而报警。

检测原理

热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射的能量变化值的大小，在进行光学系统设计时，不仅应把检测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐的觉察出这些红外线能量的变化。

因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学镜面进行棱状或柱状处理，其设计用意在于使被检测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”（空区）。

当有人从镜前走动式，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进入“盲区”，传至红外传感器的红外线就会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，进转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接受的灵敏度，大大提高了其探测距离。

该自动防盗报警系统包括热释电红外探测电路、光控电路、报警驱动电路和发射、接收电路。

自动报警器在白天处于封锁状态；夜晚自动进入工作状态，只要有人进入热释电红外传感器探测的区域，扬声器就发出报警声。

五、设计电路

我们采用555芯片来获得发射信号，红外发射模块原理图如下:

图中D1,D2是发射管。

下面给出接收模块原理图：

关于电位比较器中电压点的设定要先经过理论推导接收光强与距离的关系，并通过实验最终确定；下面给出推导过程及结论：

发射功率：

Φ’s=Φsτs（λ）Ks

激光在大气中传播时衰减系数为a（λ），经传播距离R后，目标反射系数为r,反射面积为At,到达目标上光斑的面积：

A=ΩsR2Ωs为发散立体角

在目标上的照度为：

E=Φ’s*e-a（λ）R/A=Φ’s*e-a（λ）R/ΩsR2

单位立体角内的反射强度为：

I=（1/π）rAtE=（Φ’s/πΩsR2）rAte-a（λ）R

假设接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收光学系统的过程任然遵守指数规律衰减，衰减系数为a（λ），接光学系统的口径为D0，Ωr=πD02/4R2

为接收光学系统的立体角。

则接收光学系统的接收功率为

Φ=IΩr=（Φ’sD02/4ΩsR4）rAte-2a（λ）R

探测器上输出的电流为：

IS=SISΦd

=（ΦsτsτrKsD02/4ΩsR4）rtAte-2a（λ）RSIS

τr为光学系统透过率

将R=1（往返长度）代入上式得出光强，从而得到对应电压。

于是可知道光电流强度与距离的关系，我们就可以得出离障碍物0.5米处对应的电压强度，利用比较器将该电压设为判别电压，在0.5米以内报警器启动。

六、电路设计

发射电路

电源电路

接收电路

PCB板

七、拟解决的关键问题

红外发射管出射光束性质不好，发散角很大对接收造成很大影响。

通过光学设计可以得到比较集中的光束，如图：

两镜共轴共焦放置。

接收装置必须要消除杂散光的影响，需要用到红外干涉滤波片。

如图:

八、实验过程

1、选题

2、课题设计理论分析

3、设计电路

4、实验器材和实验元器件的准备

5、在面板上搭接电路

6、仿真调试

7、焊接电路板

九、心得体会

《光电探测与信号处理》是一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强实践。

一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料，吸取别人的经验，让自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。

在本课程设计中，我明白了理论与实际应用相结合的重要性，并提高了自己组织数据及编写大型程序的能力。

培养了基本的、良好的程序设计技能以及合作能力。

这次课程设计同样提高了我的综合运用所学知识的能力。

程序的编写需要有耐心，有些事情看起来很复杂，但问题需要一点一点去解决，分析问题，把问题一个一个划分，划分成小块以后就逐个去解决。

再总体解决大的问题。

这样做起来不仅有条理也使问题得到了轻松的解决。

通过这段时间的课程设计，我认识到光电探测与信号处理是一门比较难的课程。

需要多花时间重新复习基本原理。

这次的课程设计培养了我实际分析问题、软件设计和动脑能力，使我掌握了程序设计的基本技能，提高了我适应实际，实践软件设计的能力。

这次的课程设计我对于专业课的学习有了更加深刻的认识，以为现在学的知识用不上就加以怠慢，等到想用的时候却发现自己的学习原来是那么的不扎实。

而课程设计作业的过程中由于在设计方面我们没有经验，理论基础知识掌握得不牢固，在设计中难免会出现这样那样的问题，这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。

对于我来说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。

在整个课程设计的过程中，我发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。

以后努力学好每门专业课，让自己拥有更多的知识，才能解决更多的问题！

总的来说，这次课程设计让我获益匪浅，对光电探测与信号处理也有了进一步的理解和认识。

作为一名大四即将毕业的学生，也做了许多课程设计，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。

此时：

两周的课程设计基础课程设计终于结束了，虽然很忙碌、很疲劳，但是收获很大。

我们几乎每天的专注和辛劳，唤回了我对光电探测与信号处理课程设计的重新的认识。

在已度过的大学时间里我们大多数接触的是专业基础课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？

如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次大作业的过程中，我感触最深的当数查阅大量的资料手册了。

为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次查阅资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

我们是在作设计，但我们不是艺术家；他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，而我们是“设计师”，一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，无法升级为设计。

另外；小组共同设计给我们提供了团体协作的途径，让我们更能有利于进行思考和设计，一个人的力量是有限的，但是团体的力量是无穷的，在设计过程中要进行换位思考，综合大家的力量进行初步的理论设计，然后要独立的完成自己的设计思路。

在学习理论知识的同时也要参加实践活动，同时，分组设计也有利于我们同学之间的团体协作。

把课本上的知识运动到社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。

十、其他说明

感谢常大定老师的指导，以及其他帮助过我们的同学。

参考书籍：

1，《光电技术》江文杰科学出版社

2，《光电系统与信号处理》常大定科学出版社