热释电感应报警器的设计.docx
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热释电感应报警器的设计
热释电感应报警器的设计
[摘要]：
通过介绍热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。
这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。
该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和报警指示电路等组成。
当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警信号，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。
概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。
利用热释电红外传感器设计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。
[关键词]：
热释电红外（PIR）；传感器；热释电效应；
Thedesignofpvroelectricinductionalarm
Abstract：
Theworkingprincipleofpyroelectricinfraredsensor,introducesthestructureprincipleandapplicationcircuitofapassivepyroelectricinfraredalarm.Thecircuitoftheinfraredconcealmentiswellappliedtothealarmsystem,soastoachievetheanti-theftalarmfunction,achievethepurposeofsafetyprotection.
Thealarmcandetecttheinfraredraysemittedbyahumanbody,composedofaninfraredsensor,asignalamplificationcircuit,avoltagecomparator,adelaycircuitandanalarmindicationcircuitetc.Whenthemonitoredareaintothealarm,canemitalarmsignals,suitableforhome,office,warehouse,laboratoryandotherimportantoccasionsanti-theftalarm.Thestructureandworkingprincipleofthermalinfraredradiationofknowledge,thepyroelectricinfraredsensorsareoutlined.Usingthepyroelectricinfraredsensortodesignakindofpassiveinfraredalarmcircuit,andanalysesthefunctionandworkingprincipleofthecircuit.
Keywords：
pyroelectricinfrared；sensingelement；pyroelectriceffect
第一章绪论
1.1电路设计背景
近年来，随着改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展.人民的生活水平有了很大提高。
各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。
然而一些不法分子也是越来越多。
这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强，造成偷盗现象屡见不鲜。
因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
报警器这时正为人们解决了不少问题。
但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司及财政机构。
价格高昂，一般人们难以接受。
如果设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
由于红外线是不可见光，有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。
红外报警器大多数采用国外的先进技术，其功能也非常先进。
其中包括被动式热释电型红外报警器，也即是本文将研究的产品。
还有红外监控无线报警器，超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器，红外报警器，红外线声光报警器。
其外，可用红外报警器原理控制各种电器的运行。
1.2对于专业知识的综合应用情况
根据在学校中学习的知识对于热释电感应报警器的实际研发要求，热释电感应报警器的功能确定为当有人靠近报警器时，会产生红外辐射，报警器上的红外接收电元会接收红外辐射信号，经信号处理后进行报警。
在学院三年的单片机学习过程中，我们学习单片机都是采用学院设计的单片机开发板以及C语言进行学习，学院的51单片机开发板在单片机最小系统的基础上配置了数码管显示、LCD显示区、独立键盘输入区以及模拟量输入、A/D转换等资源，满足了单片机实际开发的绝大部分要求。
开发板上常见的电路模块可以为热释电报警器的设计提供较好的电路基础，根据热释电的设计要求，我重新学习的汇编程序指令，采用汇编程序进行程序的编写。
本课题的选题难度适中，能够对应用电子技术专业学习的专业课程有较为全面的应用与掌握，能够应用所学习的专业进行实际工业产品的开发，同时也与自己的专业能力符合，与就业的岗位能力符合。
1.3课题论述总体结构
第一章叙述了基于热释电感应报警器背景以及现实意义
第二章则主要介绍设计工作总体概述以及产品工作的原理，按照功能电路的分别进行详细的分析讨论，最终分析电路的总体工作原理。
第三章主要讨论应用Portel软件来实现电路原理图的绘制
第四章是基于热释电感应报警器的软件实现部分，主要是利用C语言进行程序的编写，完成产品运行功能。
第五章为基于热释电感应报警器安装。
第六章为总结和展望，总结本课题设计的总体思路，产品的功能以及对于产品功能升级等进行情景展望。
第二章基于热释电感应报警器的工作概述以及原理分析
2.1基于热释电感应报警器的工作概述
热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。
双探测元热释电红外传感器的结构。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
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，从而使传感器输出电压信号。
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，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
2.2基于热释电感应报警器的产品功能与特点
1.不需要用红外线或电磁波等发射源。
2.灵敏度高、控制范围大。
3.隐蔽性好，可流动安装。
4.工作稳定、性能可靠，适应性强
2.3系统硬件电路总体结构框图
图2-1基于热释电感应报警器控制板总体结构框图
2.4基于热释电感应报警器总体电路原理图
基于热释电感应报警器是由电源电路，声光提示，单片机信号处理，传感器接口报警电路等四个功能部分构成
图2-2为热释电感应报警器主板电路原理图
2.5主要器件介绍
2.5.1、电阻
在物理学中，用电阻（Resistance）来表示导体对电流阻碍作用的大小。
导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。
不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。
电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。
电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。
电阻是所有电子电路中使用最多的元件。
在本设计中电阻作为限流元件使用对于电路的正常工作具有重要的意义。
2.5.2、LED
LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，灯球刚开始全是蓝光的，而是后面再加上荧光粉，根据用户的不同需要，调节出不同的光色，广泛使用的有红、绿、蓝、黄四种。
由于LED工作电压低（仅1.5~3.6V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。
把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏分为单色和全彩，把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。
如果只有一种色就叫做单色，制作室内LED屏的象素尺寸一般是2-20毫米，常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体，室外LED屏的象素尺寸多为8-32毫米，每个象素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称象素筒，双色象素筒一般由2红1绿组成，三色象素筒用1红1绿1蓝组成。
2.5.3、AT89c52单片机芯片
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
主要功能特性
1、兼容MCS51指令系统
2、8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
3、32个双向I/O口；
4、256x8bit内部RAM；
5、3个16位可编程定时/计数器中断；
6、时钟频率0-24MHz；
7、2个串行中断，可编程UART串行通道；
8、2个外部中断源，共8个中断源；
9、2个读写中断口线，3级加密位；
10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.6产品各单元电路原理介绍
2.6.1基于热释电感应报警器电源电路
热释电感应报警器中由于对于电源稳定度没有特别高的要求，因此电路中采用了常见且性价比较高的串联形稳压电源作为电路工作的电源。
电路原理图如图2-4所示。
此电路用USB接口接通电源，然后通过稳压芯片进行稳压输出，电路的输出电压为5v。
图2-4产品中采用的电源电路
2.6.2基于热释电感应报警器中的单片机控制电路
单片机最小系统电路由单片机、单片机复位电路、晶体振荡回路组成，能够完成单片机工作的最基本需要，由于合泰系列的单片机可以省略复位电路，工业产品要求能够使用最小的硬件系统实现产品必要的功能，热释电感应报警器中采用的单片机控制系统电路模块如图2-5所示
图2-5产品中采用的单片机控制电路
2.6.3基于热释电感应报警器中的显示模块
图形设计自由度大工作电压比较低可靠性高（环境适应性好）的优点，显示模块中为了增强效果采用了三极管作为显示驱动电路，改善了显示模块的工作效果。
热释电感应报警器显示模块如图2-6所示。
图2-6产品中采用的显示模块
2.6.4基于热释电感应报警器中报警声光模块
热释电感应报警器具备自动设置工作要求以及按照设定模式进行工作的能力，对于电路的工作状态产品中采用了蜂鸣器做为报警装置，考虑到报警性能的优化，在蜂鸣器前级采用了三极管进行电流放大。
热释电感应报警器中的按键输入以及报警模块如图2-8所示。
图2-8产品中声光提示模块
第三章应用Protel实现电路原理图的绘制及PCB设计
3.1Protel简介
使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论运用到实际的第一步。
只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研发与开发。
本软件就是从理论走向实际，掌握电子产品开发的基本技术。
Protel99SE是澳大利亚ProtelTechnology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件设计者可以容易设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真，是夜内人士首选的电路板设计工具。
3.2应用Protel绘制基于热释电感应报警器电路原理图
应用Protel软件绘制电路原理图一般要遵循模块化的设计思路，在电路中将按照不同模块进行绘制，电路要遵循信号的流向，电路图中的走线要满足结构化的设计要求，电路原理图的绘制一般要经过初始环境的设置、元器件的放置、元器件之间的连线、电路正确性的检查以及封装的定义等步骤，绘制完成的单片机开发系统部分的原理图如图3-1所示。
图3-1应用Proter绘制的基于热释电感应报警器电路原理图
3.3PCB人工布局、人工布线设计
人工布局就是将所有的元件一个一个放置到PCB上各个位置。
操作较为繁琐，但是能够结合工艺的要求以及设计中实际要求进行，人工布局的效果一般来说效果要比自动布局好很多。
在设计中，工程师基本都是采用自动布局的方案进行。
这也要求作为电路板设计人员要具有丰富的经验以及长时间坚持的毅力。
元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响，是应该特别注意的地方。
一般来说应该有以下一些原则：
在放置顺序上应该先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动。
再放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等。
最后放置小器件。
元件布局还要特别注意散热问题电路板板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输人及输出用的印制导线应尽量避兔相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。
走线拐角尽可能大于90度，杜绝90度以下的拐角，也尽量少用90度拐角同是地址线或者数据线，走线长度差异不要太大，否则短线部分要人为走弯线作补偿。
走线尽量走在焊接面，特别是通孔工艺的PCB，尽量少用过孔、跳线，单面板焊盘必须要大，焊盘相连的线一定要粗，能放泪滴就放泪滴，一般的单面板厂家质量不会很好，否则对焊接和RE-WORK都会有问题，大面积敷铜要用网格状的，以防止波焊时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲，但在特殊场合下要考虑GND的流向，大小，不能简单的用铜箔填充了事，而是需要去走线，元器件和走线不能太靠边放，一般的单面板多为纸质板，受力后容易断裂，如果在边缘连线或放元器件就会受到影响；必须考虑生产、调试、维修的方便性；模拟电路来说处理地的问题是很重要的，地上产生的噪声往往不便预料，可是一旦产生将会带来极大的麻烦，应该未雨绸缎。
对于功放电路，极微小的地噪声都会因为后级的放大对音质产生明显的影响；在高精度A/D转换电路中，如果地线上有高频分量存在将会产生一定的温漂，影响放大器的工作。
这时可以在板子的4角加退藕电容，一脚和板子上的地连，一脚连到安装孔上去（通过螺钉和机壳连），这样可将此分量虑去，放大器及AD也就稳定了。
另外，电磁兼容问题在目前人们对环保产品倍加关注的情况下显得更加重要了。
晶振是常见的一种高频信号源，在功率谱上晶振的各次谐波能量值会明显高出平均值。
可行的做法是控制信号的幅度，晶振外壳接地，对干扰信号进行屏蔽，采用特殊的滤波电路及器件等。
在电路板外形尺寸的确定中，根据产品结构工程师设计的CAD图进行了定义。
项目工程师提供的CAD图如图3-2所示，热释电感应报警器PCB如图3-3所示。
图3-2基于热释电感应报警器的外形结构CAD图纸
图3-3基于热释电感应报警器的电路印制板图（人工布局、人工布线）
第四章基于热释电感应报警器程序的编写与实现
4．1系统程序流程图
图4-1程序流程图
4.2基于热释电感应报警器的C语言程序
#include
#include"Delay.h"
#include
sbitIR=P3^6;//热释电控制端口
sbitBEEP=P3^7;//蜂鸣器
sbitKEY1=P1^0;
//共阳数码管数据0~9A~F共阳数码管加小数点数据=不加小数点数据-0x80
ucharcodearrSegCode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,//0~9
0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,//A~F10~15
0x83,0xA7,0xA1,0x89,0x8B,0xC7,0xAB,0xC8,0xA3,0x8C,
//16（b）17（c）18（d）19（H）20（h）21（L）22（n）23（N）24（o）25（P）
0xAF,0x87,0xC1,0xBF,0xFF};
//26（r）27（t）28（U）29（-）30（）
uchararrON[]={29,0,23,29};//显示ON
uchararrOFF[]={29,0,15,15};//显示OFF
ucharDisStu=0;
bitFlag=0;
voidDisplay（uchar*str）
{
uchartemp=0xfe;
uchari;
for（i=0;i<4;i++）
{
P2=temp;//数码管线选端口
temp=_crol_（temp,1）;
P0=arrSegCode[str[3-i]];//数码管数据端口
DelayMS
（1）;
P2=0XFF;//消隐
P0=0XFF;
}
}
voidInitTimer（）//定时器初始化
{
TMOD=0X01;
TH0=（65535-15000）/256;
TL0=（65535-15000）%256;//10ms
ET0=1;
TR0=1;
EA=1;
}
voidBeepON（）//开蜂鸣器报警
{
BEEP=0;
DelayMS（100）;
BEEP=1;
}
voidKeyScan（）//键盘扫描
{
if（KEY1==0）
{
DelayMS（10）;
if（KEY1==0）//KEY1按下
{
while（!
KEY1）;
BeepON（）;//报警
Flag=1;
}
}
}
voidmain（）//主函数
{
InitTimer（）;//定时器初始化
while
（1）
{
KeyScan（）;//按键扫描
if（IR==0）//有人闯入
{
DisStu=1;//显示ON
if（Flag==0）
BeepON（）;//开启蜂鸣器
}
else
{
DisStu=0;//显示OFF
Flag=0;
}
}
}
voidISR_Timer0（）interrupt1//定时器入口
{
TH0=（65535-15000）/256;
TL0=（65535-15000）%256;//10ms
switch（DisStu）
{
case0:
Display（arrOFF）;//DisStu=0,显示OFF
break;
case1:
Display（arrON）;//DisStu=1,显示ON
break;
、default:
break;
第五章基于热释电感应报警器电路的制作
5.1.元器件的测试与筛选
1.用万用表分别检测电阻、二极管、电容和集成电路。
2.元器件的引线成型及插装。
3.按技术要求和焊盘间距对元器件的引脚成形。
4.在印制电路板上插装元器件。
插装时应注意一下事项。
5.电阻和涤纶电容无极性之分，但插装时一定要注意电阻值和电容值，不能插装错。
6.电解电容和发光二极管有正负极之分，插装是要看清楚极性。
7.插装集成电路和传感器时要注意管脚。
5.2.元器件的焊接要点
用电烙铁焊接元件是基本的装配工艺，它对保证电子产品的质量起着关键的作用。
下面介绍一些元器件的焊接要点。
1.焊接最好是松香、松香油或无酸性焊剂。
不能用酸性焊剂，否则会把焊接的地方腐蚀掉。
2.焊接前，把需要焊接的地方先用小刀刮净，使它显出金属光泽，涂上焊剂，再涂上一层焊锡。
3.焊接时电烙铁应有足够的热量，才能保证焊接质量，防止虚焊和日久脱焊。
4.在焊接晶体管等怕高温器件时，最好用小平嘴钳或镊子夹住晶体管的引出脚，焊接时还要掌握时间。
5.烙铁在焊接处停留的时间不宜过长,元器件的焊接时最好控制在2～3秒。
6.烙铁离开焊接处后，被焊接的零件不能立即移动，否则因焊锡尚未凝固而使零件容易脱焊。
7.半导体元件的焊接最好采用较细的低温焊丝，焊接时间要短。
8.对接的元件接线最好先绞和后再上锡。
9.焊接完成后，剪掉多余的引脚。
通过细致的焊接，完成的实物图如图5-1、5-2所示
下图为热释电感应报警器的主板电路，上面中间位置是VFD显示器当报警器报警时VFD上显示ON；反之VFD显示器上显示OFF。
图中间是单片机AT89C52芯片，右上角白色为电源开关，控制报警器的启动与停止。
下面3个黑色为复位开关进行报警器的复位。
图5-1焊接完成的热释电感应报警器主板实物图
下图为热释电感应报警器的触发器，图中白色圆形位置是红外感应元件接收装置，负责接收红外信号。
两个黄色部分是灵敏调节器。
可以调节热释电感应报警器的出发条件
图5-2焊接完成的热释电感应报警器触发器实物图
5.3.烙铁使用的注意事项
1.新买的烙铁在使用之前必须先给它蘸上一层锡（给烙铁通电，然后在烙铁加热到一定的时候就用锡条靠近烙铁头），使用久了的烙铁将烙铁头部锉亮，然后通电加热升温，并将烙铁头蘸上一点松香，待松香冒烟时在上锡，使在烙铁头表面先镀上一层锡。
2.电烙铁使用一段时间后，可能在烙铁头部留有锡垢，在烙铁加热的条件下，我们
可以用湿布
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