热释电人体红外报警器的设计.doc

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热释电人体红外报警器的设计

第一章绪论

1.1设计概述

随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，人们自身的安防意识也在逐渐增强。

红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。

此类装置设计的要点：

其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。

该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。

本设计是利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。

内容广泛，灵活应用。

1.2设计背景

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。

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

熟悉电路的工作原理。

掌握该电路中元器件的识别方法。

掌握电路的调试方法。

熟悉电路简单的故障分析方法。

论文符合其格式、字数的基本要求，内容要求充实、作图严谨规范等。

详细说明设计方案，并计算元件参数。

1.4设计意义

掌握红外探测防盗器的原理及设计制作与仿真调试，熟悉实用电路设计的一般过程。

训练及提高学生综合运用所学知识进行电路设计的原理仿真能力。

加强对一些无人场所的防盗报警，以及对一些危险地带生命迹象的探测。

第二章方案设计与选定

2.1方案设计

方案一：

利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。

系统主要有红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。

被动红外线感应报警器的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。

方案二：

利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。

主要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。

2.2选定方案

方案二的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案一较为复杂。

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。

综上所述选择方案一：

由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。

主要由电路由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。

组成框图如下：

红外线

传感器

信号放大

延时电路

音响报警

电压比较

开机延时

电源电路

2-1人体红外线感应报警器组成框图

第三章热释电红外传感器的概述

3.1热释电红外传感器

一、热释电效应及传感器结构

热释电元件和压电陶瓷一样，都是铁电体，除具有压电效应外，当其表面温度发生变化，也将引起表面电荷的变化，这种现象就是热释电效应，用具有这种效应的介质制成的元器件称为热释电元件。

热释电辐射传感器由滤光片，热释电元件，高输入阻抗放大器等组成。

由于热释电元件的内阻抗极高，需要场效应管做阻抗变换，制作中把热释电元件和场效应管封装在同一壳体里，为防止可见光对热释电元件的干扰，还得在其表面安装一个滤光片。

滤光片的波段范围应选择与被测物体的红外辐射波长一致，例如，作为人体红外探测，滤光片应选取7.5～14μm波段，因外人体温度为37℃时，辐射的红外线在9.4μm处最强。

由于热释电元件不像其他光敏元件那样可连续接受光照，因为极化电荷在元器件表面停留过久就会与环境中的电荷中和或者泄露，即表面温度只有变化过程中才会有信号输出，但大部分物体的红外辐射都是恒定的。

所以，必须对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变为交变辐射。

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。

二、热释电红外线传感器的优缺点

优点：

本身不发任何类型的辐射

器件功耗很小，隐蔽性好，流动安装

价格低廉

缺点：

容易受各种热源、光源干扰

被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收

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

3.2菲涅尔透镜

菲涅尔透镜（Fresnellens）多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。

一、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。

二、菲涅尔透镜作用

作用：

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

三、菲涅尔透镜的主要技术指标

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。

水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。

焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。

第四章热释电人体红外报警器的结构原理

4.1热释电人体红外报警器的总体结构

热释电人体红外报警器主要由信号放大电路、电压比较器、音响报警电路、开机延时电路、电源电路等几部分组成。

菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。

4.2信号放大电路

图4-1信号放大电路图

信号放大电路如图4-1，VT1和运算放大器LM358等组成放大电路，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1组成的共发射极放大电路进行第一级放大，再通过C2耦合到运算放大器IC2A中进行高增益、低噪声的同相比例放大，此时由IC2A①脚输出的信号已足够强，输入电压比较电路。

一、放大电路的概述

“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：

用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。

放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。

放大电路的基本形式有3种：

共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。

在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。

二、放大电路的分析

反馈指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。

反馈可分为负反馈和正反馈。

前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。

本电路采用的是由R2构成了电压并联负反馈电路，此电路还是共发射极放大电路。

共发射极放大电路具有以下特点：

输入信号与输出信号反相；

无电压放大作用；

有电流放大作用；

功率增益最高（与共集电极、共基极比较）；

适用于电压放大与功率放大电路。

三、集成运放的概述

集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

它的增益高，输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。

运算放大器除具有十、一输人端和输出端外，还有十、一电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。

它的放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。

四、集成运放的特点

集成运放采用直接耦合放大器，对直流信号和交流信号都有放大作用；

为克服零飘现象，提高共模抑制比，输入端全部采用差分放大电路，并采用恒流源供电；

采用复合管提高电路的增益；

电路中的无源器件都采用无源器件来代替。

五、集成运放的传输特性

本电路由R7、R8、C4组成同相比例放大电路。

同相比例运算放大器在正常运行的时候，输出电压总是满足使反馈在反向输入端的电压等于同相端的电压（Av=R8/R7+1）。

如果在放大器输出端接上负载引起输出电压下降，那么下降的输出电压就会使反馈在反向输入端的电压不等于同相端的电压，于是又会引起输出端的电压回到Av=R8/R7+1的参数。

这与反向比例放大器的调整作用原理相同。

六、芯片介绍

1.芯片一：

LM358

（1）芯片概述

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

图4-2LM358引脚图

（2）芯片特点：

内部频率补偿

直流电压增益高（约100dB）

单位增益频带宽（约1MHz）

电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）

低功耗电流，适合于电池供电

低输入偏流

低输入失调电压和失调电流

共模输入电压范围宽，包括接地

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

（3）电气特性：

输入偏置电流45nA

输入失调电流50nA

输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5V

共模抑制比80dB

电源抑制比100dB 

8脚:

电源VCC

4脚:

接地

1、7脚：

输出端

3、5脚：

同相输入端

2、6脚：

反相输入端

2.芯片二：

9014

（1）主要参数：

集电极最大耗散功率PCM＝0.4W

集电极最大允许电流ICM=0.1A

集电极基极击穿电压BVCBO=50V

集电极发射极击穿电压BVCEO=45V

发射极基极击穿电压BVEBO=5V

集电极发射极饱和压降UCE=0.3V（IC=100mA;IB=5mA）

基极发射极饱和压降UBE（sat）=1V（IC=100mA;IB=5mA）

（2）主要用途

作为低频、低噪声前置放大，应用于电话机、VCD、DVD、电动玩具等电子产品。

4.3电压比较器

电压比较器如图4-3，IC3A和VD1等作电压比较器，IC3A的第②脚由R10、VD1提供基准电压，U_=R12/R12+R11.当IC2A①脚输出的信号电压到达IC3A的③脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3A的①脚由原来的高电平变为低电平。

一、电压比较器的概述

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。

电压比较器的功能：

比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：

当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；

当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平。

电压比较器的作用：

可用作模拟电路和数字电路的接口；

可以用作波形产生和变换电路等；

利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。

图4-3电压比较电路图

二、比较器的主要指标

滞回电压：

比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。

偏置电流：

理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。

偏置电流定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。

超电源摆幅：

为进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出250mV，因而达到超电源摆幅标准。

这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。

漏源电压：

由于比较器仅有两个不同的输出状态（零电平或电源电压），且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。

该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。

输出延迟时间：

包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与下降时间，对于高速比较器，设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、容性负载、输入过驱动等的影响。

三、LM393芯片介绍

1.LM393概述

LM393为双电压比较器，LM393系列由两个偏移电压指标低达2.0的独立精密电压比较器构成。

该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。

该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影响。

本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。

LM393系列可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口。

无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口。

2.芯片特点

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；

消耗电流小，Icc=0.8mA；

输入失调电压小，VIO=±2mV；

共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；

输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

输出可以用开路集电极连接“或”门；

图4-4LM393引脚图

3.电气特性

8脚：

电源＋

4脚：

电源－

1脚：

比较器A输出

2脚：

比较器A反相输入

3脚：

比较器A同向输入

5脚：

比较器B同向输入

6脚：

比较器B反相输入

7脚：

比较器B输出

4.4音响报警电路

图4-5音响报警延时电路图

LM393为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。

当IC3A的①脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC3B的⑤脚变为低电平它与IC3A的⑥脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC3B的⑦脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。

人体的红外线信号消失后，IC3A的①脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。

由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC3A的①脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。

4.5开机延时电路

图4-6开机延时电路图

如图4-6，由VT3、R20、C8组成开机延时电路，刚开机时电源向C8充电，时间约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。

4.612V电源电路

由功率为12V5W的变压器，电桥等组成，为报警电路提供12V的电压源。

该装置采用9－12V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C10滤波，检测电路采用78L06供电。

本装置交直流两用，自动无间断转换。

图4-712V电源电路图

一、直流稳压电源的原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

二、三端稳压源

集成三端稳压器是一种串联调整式稳压器,内部设有过热、过流和过压保护电路。

它只有三个外引出端（输入端、输出端和公共地端）,将整流滤波后的不稳定的直流电压接到集成三端稳压器输入端,经三端稳压器后在输出端得到某一值的稳定的直流电压。

78L06芯片特点：

输出电压（V）:

6.200

输出电流最大值（mA）:

100

静态电流最大值（mA）:

6

压差最大值（V）:

2.300

压差典型值（V）:

1.700

输入电压最大值（V）:

20

封装/温度（℃）:

TO/SOT/0~125

4.7总电路分析

接通电源时，C8、R20、VT3组成开机延时电路时间大约为1分钟。

当有感应信号时，信号经过由R2、R3、VT1等组成的共发射极放大电路进行反相放大，放大后的信号送入LM368进行同相比例放大，放大倍数为（1+Rf/R7）,得出的信号已经足够大了，再送入LM393的第一级与R10、R11、R13、VD1组成的基准电压进行比较，因为基准电压较小，所以比较器第一级输出为低电平，C6经过VD2放电，当LM393第二级负相输入端的电压低于R15、R16形成的基准电压时，LM393的输出端为高电平，信号经过VT2放大后驱动报警器报警。

当感应信号消失时，由于C6的电压不能突变，电源经过R14向电容充电，直到电容上的电压高于基准电压时，报警器才会停止报警，时间大约为1分钟。

电源电路由市电经过降压变压器、桥式整流、电容滤波、稳压后得到稳定的12V电源，再经过三端稳压块78L06形成6V电源向IC器件供电。

第五章电路的仿真

5.1仿真电压和波形

是设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计。

是EDA（电子设计自动化）的一部分。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

本课题应用Multisim对电路进行的模拟仿真。

仿真图（见附录2）：

一、感应信号波形

图5-1感应信号Ui波形图

输入电压为10mV，时基因数为10ms/Div，偏转因数为20mv/Div

二、第一级放大波形及电压

图5-2第一级放大信号U1波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为1V/Div

图5-3第一级放大信号U1电压

三、第二级放大波形及电压

图5-4第二级放大信号U2波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为20V/Div

图5-5第二级放大信号U2电压

四、第一级比较波形

图5-6第一级比较信号U3波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为10V/Div

五、第二级比较波形及电压

应用Multisim仿真软件对电路进行仿真

1.需要得到的参数：

（1）时基因数

（2）偏转因数

2.所得数据：

时基因数为10ms/Div

偏转因数为5V/Div

图5-7第二级比较信号U4波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为5V/Div

六、基准电压一、二电压

图5-8基准电压一

图5-9基准电压二

七、开机延时

图5-10开机延时波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为5V/Div

图5-11开机时电路的工作状态图

八、报警延时

电路中的延时时间，即电容放电的时间。

本设计电路必须设置延时电路，这样可以发出更长的报警声。

所以必须对电路的报警延时提出一定的要求。

报警延时波形如图5-12、5-13

所测参数为：

时基因数

偏转因数

其中：

时基因数为10ms/Div，偏转因数为5V/Div

图5-12报警延时波形图

时基因数为10ms/Div，偏转因数为5V/Div

图5-13有感应信号时电路的工作状态图

5.2仿真结果分析

一、三极管的放大倍数

输入电压为10mV,输出电压为U1=687.142mV

Au=U1/Ui=687.142/10=68.7

二、运放的放大倍数

输入电压为U1=687.142mV,输出电压为U2=20.228V

测试值：

Au=U2/U1=20.228*1000/687.142=29.4

理论值：

Au=1+R8/R7=1+30=31

三、基准电压一：

理论值：

U1=R12/（R11+R12）*0.7=100/110*0.7=0.63V

测量值：

U1=551.41mV=0.551V

四、基准电压二：

理论值：

U2=R16/（R15+R16）*12V=300/400*6=9V

测量值：

U2=8.999V

五、两比较波形对比分析

从图5-6、5-7中可以看出第一级比较输出电压与第二级比较输出总是一高一低，符合电路原理。

六、开机延时

开机延时波形如图5-10、5-11：

没有接通电源时电压几乎为零，当接通电源时电源通过R21向C8进行充电，充电时间很快，此时断开电源，电容C8经R20向VT3放电，使VT3导通，不报警，放电时间即为开机延时时间，大约30秒延时。

七、报警延时

报警延时波形如图5-12、5-13：

当有人进入时，电路就报警，当人消失后，此时IC3的⑦脚由高电平变为低电平，VD2截至。

由于电容C6两端电压不能突变，电源经R14向C6进行充电。

当电压超过基准电压时，报警停止。

充电时间即为报警延时时间。

大约为48秒。

结论与展望

结