热释电红外传感无线电遥控报警电路设计.docx
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热释电红外传感无线电遥控报警电路设计
第一章绪
论································
············3
1.1课题研究的背景和方
向···························
1.2课题研究的意义和目
的···························
1.3设计要求与重
点································
··
1.4设计方
案································
·········
第二章热释电红外传感
器·······························
2.1热释电红外传感器的结构原
理····················
2.2菲涅尔透
镜································
········
2.3热释电红外传感器的主要技术参
数·················
2.4热释电红外传感器的安装与使
用···················
第三章发射电
路································
1
·········
3.1BISS0001 芯
片································
·····
3.2编码集成电路
YL5026·····························
·
3.3TWH8778 的应
用································
··
3.4无线电发射电
路································
····
第四章接收电
路································
··········
4.1译码集成电路
YL5027·····························
··
4.2无线电接收电路中 JD400 的应
用····················
第五章热释电红外探测数字编码无线报警系
统············
5.1 电路组
成································
············
5.2 工作原
理································
2
············
设计总
结································
·············
参考文
献································
·············
附
录································
··················
第一章绪论
1.1 课题研究的背景和方向
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应
工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。
其响应速度虽不如光子型，
但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，
容易使用。
这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。
因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，
目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有 PCB 控制电路的传感
器。
常用的热释电探测器如：
硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）
探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。
热释电红
外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。
价格低廉。
在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测器的应用非常广泛，因其
价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。
1.2 课题研究的意义和目的
随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，
尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。
现在现在很多小区
3
都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民
的人身财产安全。
由于红外线是不见光很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、
警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
此外，在电子防盗、人体探测等领域
中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到
广大用户和专业人士的欢迎。
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外
发射／接收以及微波等技术为基础。
而这里所设计的被动式红外报警器则采
用了美国的传感元件——热释电红外传感器。
这种热释电红外传感器能以非
接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能
鉴别出运动的生物与其它非生物。
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与目
前市场上销售的许多防盗报警器材相比，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。
1.3 设计要求与重点
1.4 设计方案
这套被动式红外探测无线报警系统，总体设计思路是由探测发射
电路和接收报警电路两部分组成。
探测发射电路通过热释电红外探测器探测
人体的红外辐射信号，并经过放大、编码和发射等环节，将人体的移动信号
转为电信号应用无线电技术发射出去；而接收报警电路则是通过对电信号解
调、译码和声光报警等环节，将电信号转为声音、光源信号，从而达到无线
报警的目的。
由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件
和模块的选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路
来设计电路。
本设计用的 P2288 传感器、BISS0001 芯片、编码集成电路
YL5026、电子开关 TWH8778、发射电路 FD400、译码集成电路 YL5027、接
收电路中 JD400 等电子元件。
4
第二章热释电红外传感器
2.1 热释电红外传感器的结构原理
2.1.1 热释电效应
自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（－273℃），总是不断地
向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。
物体向外辐射红外辐射的能量
与物体的温度和红外辐射的波长有关。
假定物体发射红外辐射的峰值波长为
λm，它的温度为 T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长 λm 与物体温度 T
的乘积。
这一乘积为一常数，即 λm·T＝2998≈3000（μm·K）。
物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射
的能量也越大。
某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘
钛、钽酸锂等，受到红外辐射后其温度会升高，这种现象称为红外辐射的热
效应。
通常,电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。
但是任
何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的，即自由电子和原子核组成的。
在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负
极，带负电荷的粒子趋向正极。
其结果是使电介质的一个表面带正电，另一
个表面带负电，我们称这种现象为电极化。
在电压加上去的瞬间到电极化状
态建立起来的这段时间内，电介质内部的电荷顺着外加电场的方向运动，形
成一种电流，这个电流称为位移电流。
但是当极化状态建立之后，位移电流
即消失。
对于大多数的电介质，当电压除去后，极化状态随之消失，其带电
5
粒子的运动又恢复原态。
对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电
体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然保留下来，这种现
象被称为自发极化。
自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度
降低。
自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。
在某
些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效
应。
将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理
制成的红外传感器称为热释电红外传感器。
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。
当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温
度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人
体温度与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的差异。
需要指出的是，如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平
衡状态，表面电荷也同时达到平衡。
这时它就不再释放电荷，也就不再有信
号输出了，如图 1 所示。
因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐
射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输
出，而在稳定状态下，输出信号则为零。
因此在应用这类传感器时，应设法
使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。
为了满足这一要
求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜下一节作重点介绍.
6
图 1 电介质的热释电效应
2.1.2 热释电红外传感器组成
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。
按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，
用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。
按照热释电红外传感器
的用途来分，有以下几种：
用于测量温度的传感器，它的工作波长为
1～20μm；用于火焰探测的传感器，它的工作波长为 4.35±0.15μm；用于
人体探测的传感器，它的工作波长为 7～15μm。
将高热电材料制成一定厚度的薄片并在其两面镀上金属电极，然后加电
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。
图 2 是一个双探测元的热释电红
外传感器的结构示意图。
该传感器将两极性相反、特性一致的探测元串接在
一起，目的在于消除闭环境温度和自身变化起的干扰。
它利用两个极性相反、
大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用。
对
于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔
透镜将其聚焦后加至两个探测元上，因此传感器会输出探测信号电压。
用来制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波
长范围为 0.2～20μm。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在
传感器的窗口上加装了一块干涉滤光片。
这种滤光片除了允许某波长范围的
红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其他红外辐射拒之门外。
图 2 双探测元热释电红外传感器
7
热释电红外探测元的阻抗高达104 MΩ ，因此必须采用变换元件对其输
出的信号进行阻抗变换后才能作为控制信号输出。
通常使用具有高输人阻抗
的场效应管，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放
大器的输人端相匹配。
这和驻极体话筒中采用场效应管进行阻抗变换的作用
很相似，其中电阻 R：
是用来释放场效应管的栅极电荷，使其正常工作的。
热释电红外传感器有两种封装形式，图 3（a）为金属封装形式。
在图
3（d）中，D 为内部场效应管的漏极，S 为源极，G 为栅极。
图 3（e）为塑
料封装形式。
实际使用时，D 端接电源正极，G 端接电源负极，S 端为信号输
出端。
图 3 封装形式
2.2.1 菲涅尔透镜的原理
菲涅尔镜片是根据法国光物理学家 FRESNEL 发明的原理采用电镀模具工
艺和 PE（聚乙烯）材料压制而成。
镜片（0.5mm 厚）表面刻录了一圈圈由小
到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。
圆环线多而密感应角度大，
焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。
红外光线越是靠进同心环光
线越集中而且越强。
同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间
组成一个水平感应段。
垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段
越多水平感应角度就越大。
区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量
少被感应人体移动幅度就要大。
不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之
间的盲区。
区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。
由于镜片受到红
8
外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。
镜片
从外观分类为：
长形、方形、圆形，从功能分类为：
单区多段、双区多段、
多区多段。
当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离 A 区或
中距离 B 区或近距离 C 区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个
适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电
路驱动负载工作。
整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标
探测器。
镜片主要有三种颜色：
一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易
变形。
二、白色主要用于适配外壳颜色。
三、黑色用于防强光干扰。
镜片还
可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。
2.2.2 菲涅尔镜片主要参数：
①外观描述——外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。
以毫米为单位。
②探测范围——指镜片能探测的有效距离（米）和角度。
③焦距——指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。
长形
和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。
镜片与探头的配合应用——我们常用的是双源式探头，揭开滤光玻璃片，
其内部有两点对 7—14um 的红外波长特别敏感的 TO—5 材料连接着场效管。
静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产
生电信号输出。
动态情况下，人体经过探头先后被 A 源或被 B 源感应，
SaSb 产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，
9
见图 4（C）。
当人对着探头呈垂直状态运动，Sa=Sb 不产生差值，双源很难
产生信号输出。
因此，探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜。
根据以
上原理探头与镜片结合可以做成以下感应方式的人体探测器。
A、单区多段水平式和单区多段垂直式。
图 5
图（5A）单区多段水平式感应角度大，这是探头水平视场角度大的缘
故，形成一个长方形扇面感应区，单区多段水平式亦称水平幕帘式感应，此
感应方式能避开上下红外线干扰。
图 5（B）单区多段垂直式感应角度小，这
是探头垂直视场角度小的缘故，形成一个垂直形扇面感应区，单区多段垂直
式亦称垂直幕帘式感应，此感应方式能避开左右红外线干扰。
图 5（C）探头
与镜片配合不符合 SaSb 产生差值的要求，因此感应不灵敏。
采用
双区同心圆相近的镜片也能达到幕帘式感应效果。
单区多段和双区多段多用
于局部区域感应。
10
B、多区多段感应式和多区多段圆锥体式。
图 6（A）是多区多段感应式探头与镜片对应位置和探测效果图，多区
多段感应式多用于挂墙式安装，倾斜向下探测三个不同的区域。
图 6（B）是
多区多段圆锥体感应式，多用于吸顶式安装，直接向下探测。
采用双源探头
配用圆形镜片感应方向图不似圆锥体，因为探头水平视角大于垂直视角而且
出现 Sa=Sb 的现象，圆锥体效果图会中间凹陷。
如果圆形镜片配用四源探头，
感应方向图更趋似圆锥体，见图 6（B）探测效果图。
多区多段感应式和多区
多段圆锥体式感应区域宽广，多用于大面积探测。
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）
在 PIR 上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测
区域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。
2.2.3 菲涅尔透镜的主要技术指标
①外形尺寸，根据传感器和探测摘要来设计和生产不同尺寸
的透镜。
②水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。
③焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。
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型号
敏感面积
2
（mm ）
敏感元件数
封装
窗口材料
工作电压
（V）
2288-02
2×1
2
TO-5
带通滤波器
3～15
工作温度
存储温度
光谱响应
敏感度
噪声
NEP
图 7 几种常用透镜的外形图
由于本设计用的 P2288 传感器，所以重点作一下介绍：
P2288 采用 TO-5 型金属壳封装，传感器顶部装有一长方型硅玻
璃窗口，用来接收红外线。
封装图和内部结构如图（8）所示，
参数如下表
（1），
图 8 封装图和内部原理图
12
（℃）
（℃）
（μm）
（1Hz,10Hz）
（V/W）
（μV/Hz）
（500,1,1）
1/2
（W/Hz ）
-40～60
-55～125
7～15
6500,1000
15
1×10-9
DK
（500,1,1）
1/2
（cmHz /W）
信号提升时间（0～65％）
（ms）
温度系数
（％/℃）
偏移电压
（RL＝22kΩ）
（V）
1.5×106
100
0.2
0.4
表 1
2.3 热释电红外传感器的主要技术参数
（1） 响应度 k
热释电红外传感器的响应度也称灵敏度，它的单位为 V／W 或
μV／μW，它表明传感器的输出电压与输入的红外辐射功率之比。
常用的热
释电红外传感器，它的响应度一般为几百～几千伏／瓦。
（2） 响应波长范围
传感器的响应度 k 与人射红外辐射的波长 λ 有关，可用如图 8 所示曲
线来表示，其中 λp 为峰值响应波长，响应度下降到峰值波长的一半时所对
应的波长 λc 称为截止波长。
（3）噪声电压 Vｎ
任何一种传感器都不同程度地存在着噪声电压，它是一种无法避免的、
毫无规律的电压起伏。
如果噪声电压过高，它的数值接近或已超过有用的信
号电压，则该传感器就无法使用了。
因此必须将传感器的噪声电压限制在一
定的允许范围内。
常见的热释电红外传感器的噪声电压的峰-峰值一般为几
十至几百毫伏。
（4） 等效噪声功率 NEP
若辐射到传感器上的红外辐射功率所产生的有用输出电压恰与传感器本
13
身的噪声电压相等，此时的辐射功率称为等效噪声功率，即信噪比为 1 时所
需要的输人功率。
等效噪声功率仅是一个理论界限，并不意味着辐射功率大
于 NEP 就可以检测出来。
事实上，要检测出辐射信号的存在，辐射功率应是
NEP 的 2～6 倍。
热释电红外传感器的 NEP 值为 1× 10-3 ～1×10-9 。
（5） 探测度 D
探测度的定义为等效噪声功率 NEP 的倒数，即 D＝1／NEP（W -1 ）。
显然，
D 越大越好。
实验发现，许多红外传感器的 D 和／NEP 均与探测元的有效面
积 A 和放大器带宽 Δƒ 有关，故引人归一化探测度：
D＝（AΔƒ）
1/ 2
／NEP（cm·Hz） 1/ 2 ·W -1
图 9 响应波长图
2.4 热释电红外传感器的安装与使用
2.4.1 热释电红外传感器的安装
热释电红外传感器根据其使用目的的不同，每一型号都有自己的响应波
长范围，使用时应根据使用目的选择合适的传感器。
例如：
当用来测量温度
时，应选用响应波长为 1～20um 的传感器。
用于火焰探测时，则应选用响应
波长为 4.35±0.15um 的传感器。
如果用于人体探测，如防盗或保安等，则
应选用波长为 7～15um 的传感器。
若选择不当，则会使仪器失去控制作用或
达不到控制要求。
14
图 10 传感器的安装图
如图 10 所示。
其中图 10（a）为传感器安装示意图，图 10（b）为探测
方向示意图。
2.4.2热释电红外传感器使用注意事项:
（1）避免误报警探测范围内不要放置会发热的物体，
（2）探测范围内避免强光照射干扰，
（3）探测范围内避开被风吹而引起飘动的物体,
（4）探测范围内避免动物干扰，可调高下深测区，使 0.5 米以下动物活动不
在探测区内,
（5）发现误报探测器，找出原因排除之,
（6）选择经公安部检验合格，性价比好的探测器。
2.4.3 如何避免漏报警
（1）探测范围内不要有障碍物遮挡，留有探测空隙不足以引起报警
（2）探测器安装位置不要致使探测范围造成盲区，给盗贼可乘之机
（3）探测器安装位置要靠近被保护物体，如保险柜等贵重物,
（4）探测范围要有余量，要考虑到夏天， 当环境温度升高与人体表面温度一
致时（30～32℃），探测距离会缩短 1/3 以上，甚至个别探测器会出现
不探测。
因此，务必引起注意。
第三章发射电路
15
热释电红外控制集成发射电路的作用不仅仅是将热释电红外传感器输出
的探测信号电压进行放大。
该电路通过集成化制作技术，在电路内制作出具
有各种功能的电路，因此使电路具有完全的控制功能。
使用这种控制电路可
使热释电红外控制电路结构简化，功能齐全，功耗降低，工作可靠，性能优
良，组装方便.
3.1 BISS0001 芯片
BISS0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电
红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速
开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池
等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区
域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
它不仅能和热释电红外
传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。
它的内都
是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定
时间控制器和禁止电路等组成。
BISS0001 采用 16 脚标准型塑料封装结构。
①脚（A）为触发方式控制端，
当 A＝1 时，电路可重复触发；当 A＝0 时，电路不可重复触发。
②脚（V0）
为控制信号输出端，当有传感信号输人时，V0 输出高电平。
③脚（RX）和④
脚（CX）为输出定时控制器 T，的外接元件端，定时时间为：
TX≈24576×RXCX。
⑤脚（Ri）和⑥脚 Ci）为锁定时间控制器 Υi 的外接元件，
锁定时间为：
Ti≈24×RiCi。
⑧脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般
接 VDD，若按ⅤSS，可使定时器复位。
⑨脚（Vc）为触发禁止端，当 VC＜VR 时
禁止触发；当 VC＞VR 时，允许触发，VR＝0.2VDD.⑩脚（IB）为偏置电流设置
端，由外接电阻 RB 接ⅤSS 端，RB 一般取 1MΩ 的电阻。
12 脚（OUT2）和 13
脚（IN2-）分别为第二级运放的输出端和反相输人端。
14 脚（IN1+）和 15 净
（IN1-）分别为第一运放的同相和反相输入端。
16 脚（OUT1）为第一运放的
输出端。
11 脚（VDD）和 7 脚（VSS）分别为电源正、负端。
16
图 11 BISS0001 的管脚图
（1）BISS0001 的特点
①CMOS 工艺
②数模混合
③具有独立的高输入阻抗运算放大器
④内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
⑤内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
⑥采用 16 脚 DIP 封装
（2）BISS0001 的内部框图
17
脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端
升级会员 