基于热释电的人体红外探测系统设计.docx

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基于热释电的人体红外探测系统设计

基于热释电的人体红外探测系统设计

【摘要】本课题的主要内容是热释电在人体红外探测中的应用，最终落实到对热释电红外报警系统的开发。

课题主要对五部分进行了探索研究，分别是光学设计部分，光电转换部分、处理电路部分、报警系统和控制显示系统，利用了应用光学、模拟电路、数字电路、单片机等学科的知识。

涉及的知识面广，内容较多，但涉及的知识较浅，所以做起来并不是很难。

光学设计主要是针对菲涅尔透镜做了系统的设计，光电转换部分主要分析了热释电红外传感器的工作原理，并为其提供了适合电源。

处理电路部分主要对BISS0001的外围接口进行了设计，使它能够正常有效的工作。

报警系统主要是对蜂鸣器和发光二接管的电路进行了设计。

控制显示系统主要对静态显示部分、软件部分、报警部分进行了设计。

【关键词】热释电传感器AT89C51BISS000蜂鸣器

Designofhumaninfrareddetectionsystembasedonpyroelectriceffect

[Abstract]Thistopicprimarycoverageispyroelectricinthehumanbodyinfrareddetectionapplication,carriedoutfinallytothepyroelectricinfraredalarmsystemdevelopment,thetopicmainlyhasconducuedtheexplorationresearchtofiveparts,respectivelywastheopticaldesignpart,theelectro-opticconversionfraction,processedtheelectriccircuitpart,thealarmsystemandchecontroldisplaysystem.Usingappliedoptics,analogouscircuit,digitalcircuit,disciplineandsoonmonnlithicintegratedcircuitknowledge.Involvestheaspectofknowledgeisbroad,thecontentaremany,butinvolvestheknowledgeisshallow,thereforedoesisnotverydifficult.Theelectro-opticconversionfractionhasmainlyanalyzedthepyroelectricinfraredsensorsprincipleofwork,andtogetupprovideshassuitedthepowersource.TherocessingelectriccircuitpartmainlyhascarriedonthedesigntotheBISS0001peripheryconnections,enablesitthenormaleffectivework.Thealarmsystemwasmainlyhascarriedonthedesigntothebuzzerandlightemitterdiodeiselectriccircuit.Thecontroldisplaysystemmainlytothestaticdemonstrationpart,thesoftwarepart.Thecontroldisplaysystemmainlytothestaticdemonstrationpart,thesoftwarepart,thewainingparthascarriedonthedesign.

[keywords]PyroelectricsensorAT89C51BISS0001buzzer

引言

由于近几年经济的发展使人类的生活水平不断提高，与此同时也造就了现在社会的贫富差距过大，社会的不稳定因素增加。

随着现代高新技术发展和进步，加上从事安全技术防范行业同仁的共同努力，防盗报警系统已经成为安全技术防范体系的重要组成部分。

为了保证人们的财产及人身安全，高科技防范系统迅速走入寻常百姓的家，也为安防市场造就了巨大的财富空间。

防盗报警系统将为营造安全、舒适的工作和生活环境，为保证公共安全、维护社会稳定、构建和谐社会发挥更大的作用，并从中得到更大的发展。

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。

它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出，如果能很好地利用这种器件，我们会在防盗报警领域中获得得突破。

激光红外技术的迅速发展，推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。

近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路技术也迅速增长。

利用热释电红外传感器探测人体红外辐射，为隔离空间防盗报警系统的设计提供了简单方便、准确的办法。

本课题就是基于上述优点，对热释电红外报警系统进行的研究。

综上所述，由于具有良好的市场和丰富的理论，对热释电红外报警系统的研究，具有很大的现实意义和长远意义。

第1章前言

1.1热电检测器件分类和发展状况

一、热电探测期间的分类

热电探测器件按其工作机理大致可以分为三类：

热电偶及热电堆、热敏电阻、热释电探测器。

热释电探测器是将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件。

显然，输出信号的形成有两个阶段：

第一阶段是将辐射能转换为热能（即热辐射所引起的温升）这是每个热电探测器件都要经过的阶段，所以是共性；第二阶段是将热能转换为电能，这是个性，随具体器件而异。

（一）热电偶及热电堆

热电偶是一种热敏元件，在接收入辐射以后引起温度升高，随之产生温度差电势。

使用时不加外电源，当两种不同的金属A和B组成一个回路时。

如果两种金属的连接点一端温度升高（称为热端），另一端温度较低（称为冷端）。

在入射辐射作用下，在回路两端产生温度差△T,由于温度差便产生电位差△E,则在回路中就有电流流过，而Ⅰ=△E/R。

其中R称回路电阻。

这一现象称为温差效应（塞贝克热电效应）。

（二）热敏电阻

凡吸收入辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。

半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度的转换为电能，引起晶格震动加剧，器件温度上升，即器件的电阻值发生变化。

（三）热释电探测器件

对于大多数电介质，在可逆电池的情况下，整个电池处于电化学平衡状态，两个电极也分别处于平衡状态，电极电位是由能斯特方程决定的，是平衡的电极电位。

此时，通过电极的电流为零，即电极反应的速率为零。

若要使一个不为零的电流通过电极，电极电位必须偏离平衡电极电位的值，这个现象就称为电极的极化。

在电压除去后，极化状态随即消失，带电离子的运动又恢复到原来状态。

但是，有一类被称为“铁电体”的电介质，在外加电压除去后仍保持着极化状态。

这就是所谓的“自发极化”。

一般铁电体的极化强度PS（单位面积上的电荷）与温度有关，温度升高，极化强度降低。

升高到一定温度，自发极化就会自动消失，这个温度称为“居里温度”或“居里点”。

在居里点以下，极化强度PS是温度的函利用这一关系制造的热敏类探测器，成为热释电探测器。

二、热电检测器件的发展

热电检测器件是利用热电效应（实际某些低温热探测器则伴随有量子效应），即器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化，输出电信号。

从光谱角度响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷，因而是一些光电探测器不能取代的。

相反，由于热释电探测器的出现，已延伸到某些原为光电探测器所占的领域。

（一）热电偶与热电堆的发展

这是一类最古老的红外探测器，发明于1826年，但至今用途还很广，在光谱仪、光谱仪器以及光电器件测试定标等方面应用极为普遍，在最新式的红外光谱仪上也多用这种探测器进行校准。

（二）热敏电阻的发展

1950年荷兰PHLIPS公司的海曼等人，在BaTiO₃材料中掺入稀土元素做半导化实验时，发现这种半导体材料的电阻率具有很高的正温度系数，存在很强的PTC效应，探索这种现象的机理很快成为引人注目的研究课题。

十几年来，在世界众多科学工作者的努力下，在许多方面取得了重大突破，不仅理论日臻成熟，其应用范围也下不断扩大。

随着研发和设计工程师对PTC热敏电阻的了解越来越深刻，许多新用途不断被开发出来，目前渗透到日常生活、工作技术、军事科学、通讯、宇航、等各个领域。

（三）热释电器件的发现

热释电效应早在18世纪就在电气石中发现了。

1938年日本YeoyTa首次利用这个效应探测红外辐射，但是直到1956年贝尔电话实验室的Chynoweth用动态法研究钛酸钡（BaTiO₃）的热释电效应，为实用红外探测器的研制打开了局面。

接着1962年英国Cooper从理论上讨论了热释电探测器的性能，他计算出BaTiO₃热释电探测器在居里温度附近（381K）的NEP优于其他类型热探测器。

但由于当时材料性能的限制，实际上没有得到较好性能。

1969年英国人Putley对热释电探测器的工作原理作了系统的论述，这些工作成为热释电探测器技术发展的基础。

20世纪70年代，夜视仪、红外导弹指导等军事领域的应用需求推动了制冷性能热释电红外传感器的研究与发展。

近年来随着火灾探测、远距高温测试、入侵防盗安全监测、红外光谱测试等民用应用领域的扩大，低成本热辐射计、热电堆和热释电红外传感器全球每年有超过5000万只民用市场的巨大需求，推动了非制冷性热释电红外传感器的发展。

器件的发展又反过来进一步促进了热释电材料的研究与发展。

到目前为止，热释电材料，如TGS材料、钽酸锂材料、PVDF，PZT等铅基陶瓷材料都有较大发展。

1.2课题研究主要内容

课题基于热释电效应，利用热释电探测器探测人体的红外辐射，将光信号转换成电信号，再经过放大处理后，驱动报警系统，以此来达到报警目的。

研究的主要流程如下：

（1）探讨选题的目的和意义，对热点探测器件进行总结对比。

（2）介绍热释电效应的产生、发展与应用。

（3）对报警系统做总体设计。

（4）报警系统硬件的实现。

（5）报警系统软件的设计。

第2章热释电红外传感器的原理

2.1前言

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。

它能检测到人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。

早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。

直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才推动了对热释电效用的研究和对热式电晶体的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术。

2.2热释电效应

热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变是在材料的两端出现电压或产生电流。

热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。

对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。

通常，晶体自动所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。

当温度变化时，晶体结构中的正负荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图2-1表示了热释电效应形成的原理。

图2-1热释电效应的形成原理图

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料（LiTaO₃等），压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷△Q，即在两个电极之间产生一微弱电压△V。

由于它的输入阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，△T=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生△T，则有信号输出，若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

热释电红外传感器的结构及内部电路见图2-2所示。

传感器主要由外壳，滤光片，热释电元件PZT，场效应管FET等组成。

其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。

可以很好地滤除太阳光和荧光灯光的短波长。

热释电元件PZT将波长在8μm到12μm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在他的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到滤光片的抑制作用。

2.3热释电传感器的分类

热释电探测器根据其工作原理可以分为主动式和被动式两种类型。

主动式热释电红外探测器是由收、发装置两部分组成。

发射装置向装在几米甚至于几百米远的接收装置辐射一束红外线，当被遮挡时，即发出报警信号，因此，它是阻挡式报警器，或称对射式探测器。

通常，发射装置由多谐振荡器、波形变换电路、红外发光管及菲涅尔透镜等组成。

振荡器主脉冲信号，经波形变换及放大后控制红外发光管产生红外脉冲光线，通过聚焦透镜将红外光变为较细的红外光束，射向接收端。

而接收装置由光学透镜、红外光电管、放大整形电路、功率驱动器及执行机构等组成。

光电管将接受到的红外光信号转变成为电信号，经整形放大后推动执行机构启动报警设备。

但由于主动式热释电存在着不易安装，功耗大，以及容易造成目标重叠等缺点而优先采用被动式热释电红外传感器。

在自然界，任何高于绝对温度的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

任何有温度的物体都在不断向外界辐射红外线，人体的表面温度大概为27到36摄氏度，其大部分辐射能量其中在8到12μm的波长范围内，热释电作为人体红外辐射转变为电量的传感器，把接收到的辐射装换成电信号并相应输出。

被动式热释电红外探测器不向空中辐射能量，而是依靠接收人体发出的红外辐射来实现探测目的的。

在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8到12um之间的红外信号变化转变为电信号，并对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人替移动时，热释电红外感应器应到的只是背景温度，当人体进入警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外传感器感应到的是人体温度与物体背景温度的差异信号。

因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度差异。

另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。

菲涅尔透镜作用有两个，一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号即所谓的报警信号。

由于本课题是利用被动式热释电人体红外传感器，所以，下面只介绍被动式传感器结构、工作原理及特性。

2.4被动式热释电人体红外线传感器的结构

热释电人体红外线传感器（以下简称：

传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成，下面主要介绍敏感元件和滤光窗。

一、敏感元件

对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。

例如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成，P2288由LiTaO₃制成。

这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容，因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

但这两个电容的极性是相反串联的。

这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于这两个小电容自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的。

所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。

当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到这两个小电容的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反，能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。

同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，这两个小电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消，再加上传感器的响应频率很低（一般为0.1到10Hz）,即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为5～156um）。

因此，传感器对它们不敏感。

当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因这两个小电容做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反，能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。

从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。

环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号。

而传感器的低频响应（一般为0.1到10Hz）和对特定波长红外线（一般为5到15um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。

所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感，它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

二、滤光窗

它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0到14um波长以外的红外线。

例如，SCA02-1对7.5到14um波长的红外线的穿透量为70%；在6.5um处时下降为65%；而在5.0um处陡降为0.1%；P2288的响应波长为6到14um，中心处波长为10um。

物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足

（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。

人体的正常体温为36到37.5摄氏度，即309到310.5k，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309～310.5）k=9.67～9.64um，中心波长为9.65um。

因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7～14）的中心。

所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光，灯光等可见光中红外线的通过，以免引起干扰。

综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

2.5被动式热释电人体红外传感器的工作原理与特性

在自然界，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摄氏度左右，会发出10μm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。

红外线通过菲涅尔滤光片增强聚集到热释电元件，这种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，后经检测处理后就能产生报警信号。

被动红外探头，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（如图2-2侧视图c）,环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

图2-2热释电效应红外传感器的结构及内部电路

2.6被动式热释电人体红外线传感器的优缺点

不同于主动式红外传感器，被动式红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。

但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：

①信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；

②被动式红外穿透能力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；

③容易受射频辐射的干扰；

④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；

⑤被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。

第3章热释电报警系统的总体方案

3.1热释电报警系统的结构和原理

1、热释电红外报警系统的硬件结构

硬件结构如图3-1所示

图3-1热释电报警系统硬件结构示意图

二、热释电报警装置的工作过程

首先装置第一部分（热释电红外传感器）接收到人体发出的红外辐射，它能感应37摄氏度人体发出的红外光，产生微弱的电信号。

微弱的电信号输入到装置的第二部分（BISS0001热释电红外传感器处理芯），它将输入的电信号去除干扰，进行放大处理，产生高电平信号，用以驱动后面的报警器开关电路。

装置第三部分是声光报警器，由蜂鸣器，发光二极管组成，用于声光报警（在被闯入房间安装，用来提醒房间内部人员）。

三、多房间控制显示的工作过程

由图3-1所示，这部分是多房间控制系统，当热释电报警装置处于开启状态时，有人进入房间后，热释电报警装置的第二部分的输出将为高电平（热释电报警装置发生报警），将此高电平作为晶体管开关的输入信号，输出引入到AT89C56单片机的P1口的低四位，经软件处理后，房间号经P1口的高四位通过数码管显示。

3.2光学系统的设计

1、菲涅尔透镜的设计

（一）菲涅尔透镜简介

菲涅尔透镜是带阶梯表面的光学零件。

相邻阶梯的间距越小，越能在较小的透镜厚度下精确地满足减小残余相差的条件。

阶梯可以分别是同心的、螺旋形的或平行的沟槽。

在前两种情况中阶梯是锥面或球面的一部分，而在第三种情况中则是平面或柱面的一部分。

（二）轮廓带母线位置的确定及焦距的计算

如图3-2所示，阶梯轴对称表面的有效轮廓单元，该表面两侧的介质折射率为n1=1和n2=n现在假设该表面的每个阶梯都是无线狭窄的，讨论利用这种表面得到同心光束的可能性，此同心光束将形成轴上点A的像A’。

光线AM与无限窄的有效轮廓相交于离光轴距离h的M点上，折射以后与光轴相交得到A´点。

所取轮廓带在M点的法线与光轴成夹角φ决定了所取轮廓带母线的位置。

图3-2位置及焦距计算示意图

在给定A点和它的象A´的位置时（线段a和a´已知），求不同入射光线高度的角φ值。

如图所示，可得到，

-ε=-σ+φ，φ=-ε´+σ´

按照折射定律sin（φ-σ）=nsin（φ-σ’）

由上式，经过变换以后，得到下列计算角φ的公式，它可以确定，例如阶梯折射表面的锥型环带轮廓的斜率。

tanφ=

（3-1）

这里，角σ和σ´对于不同的h根据给定的线段a和a´预先算出。

上式可以用于计算第二面为平面的菲涅尔薄透镜，它的相差可以忽略不计。

当σ=0时，根据σ´值可以计算菲涅尔透镜的后焦距，在这个条件下，由3-1式得到，

tanφ。

=

（3-2）

因而：

б＇=

因此，在高度h很小时：

f＇=

（3-3）

这里，tanφ。

在h值很小的条件下，由式3-3得到

（三）通光孔径的计算

当光线入射角—ε=90度时可以得到透镜的通光孔径Dcb,由图3-3得到；

图3-3通光孔径计算示意图

tan

=tan（φ+

）=

（3-4）

3-4中ε＇m----折射角的极限值。

由式3-4得到Dbc=2a＇

（3-5）

注意到：

tanφ=-2a/Dcb代入上式，得到：

（3-6）

这里，tan

=

解二次方程式，得到菲涅尔