多功能红外线感应门铃设计Word文件下载.docx

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门铃的作用也由单向的提示主人发展为双向的既可提醒主人又可欢迎客人（即宾客也可以听到悦耳的音乐或欢迎语音），既可迎宾又可防盗报警。

多功能红外感应式门铃就是在这种探索研究中产生的。

感应式门铃又称迎宾器，是近年才有的常用于商铺，写字楼，工厂起迎宾防盗作用的电子产品。

感应式门铃的前身是电子防盗报警器，事先人们用它来防盗的，但后来因为电子防盗报警器发出的声音是刺耳的报警声，对进店的顾客产生消极的影响，后来演变成比较悦耳的声音，特别是叮咚声，您好，欢迎光临等音效备受用户的青睐，顾客一进门就报出欢迎语音，起到了礼貌问候的作用，从而做到提醒店员有人进店和迎宾的双重作用。

感应式门铃的研究主要是集中在如何使其感应更灵敏，感应更准确，功能更完善，价格更低廉等方面，目的就是让感应式门铃在各种应用场合中完美地起到迎宾、醒主和防盗报警作用。

1.2国内外研究现状

目前感应式门铃主要分光感应式和红外感应式。

光感门铃是利用人体反射光线，光敏电阻得到足够大变化的光线，电路产生变化电流触发电路，灵敏度跟物体反射率有关。

但光感门铃受环境光照度的影响，黑暗情况下不能正常使用。

常见红外感应式门铃使用热释电红外传感器，本身不发射任何信号，当接收到人体辐射的特定红外线中心波长信号时，才会触发电路。

光感应式的价格便宜，但是误报率高，因为它的传感核心是光敏电阻，光敏电阻对可见光大部分波长都反应变化，故光线变化可能会触发门铃反应。

红外感应式的相比价格较高，但优点是误报极少，加上前面的菲涅尔透镜窗口，从而将误报率降至最低。

红外式采用先进微电脑制造技术，无论白天黑夜都可正常使用，即可做门铃使用，也可做独立报警器使用。

红外感应式门铃性能卓越，节能易用，灵敏度强，更适合市场的需要，更贴近消费者的生活内容，办公写字楼、家居、商店、工厂等各种场合均可使用，带来方便之余，更带来意想不到的快乐和安全感。

总的来说，感应式门铃目前的技术比较成熟，功能也较为完善，成本不高，并且由于通常市面上的感应式门铃都兼迎宾及报警两用，因此应用场合也较为广泛。

1.3课题研究的主要内容

本次课题研究内容就是要根据现有的已市场化的感应门铃的制造原理，在掌握感应技术，特别是红外感应技术的基础上，采用红外探测模块加上必要的芯片及元器件，设计一个简易实用廉价的感应式门铃。

要求重点在于掌握设计原理，并将书本所学与实际结合起来，提高实践能力，熟悉电路设计的基本流程与方法，熟悉常用电子元器件、芯片的参数并能熟练使用它们。

通过研究设计感应式门铃，熟悉感应探测技术的具体应用，为以后的科研和制作积累经验。

2感应式门铃的基本原理

当今社会感应技术发展迅速，目前常用的感应技术有红外感应，压力感应，电感应，磁感应，光感应，热感应，微波感应，气体感应等等。

各种不同的感应技术都有各自的应用领域，而且呈现越来越广泛的趋势。

总的来说，感应技术的基本原理就是自动对特定的外界信号（包括物理、化学、生物等方面的各种信号）产生预定响应。

本文感应式门铃用到的感应技术主要是红外感应，而红外感应技术就需要用到红外传感器。

感应式门铃就是通过红外传感器探测人体红外信号，继而经过一系列电路的判断与控制，达到使扬声器发声的功能。

2.1热释电红外传感器

2.1.1红外传感器的类型比较及选用

红外传感器可分为两类：

主动式红外传感器和被动式红外传感器。

下面对这两种传感器的基本情况分别加以介绍，再结合本课题的设计要求，选择一种最合适的红外传感器类型进行课题研究。

（1）主动式红外传感器

主动红外传感器由红外发射机、红外接收机组成。

分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。

红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束，接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动后续电路进行工作。

主动式红外传感器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应输出有效信号，人或相当体积的物品遮挡将输出有效信号。

由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。

因此主动式传感器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。

其特点是探测可靠性非常高。

但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式传感器，价格昂贵。

主动式传感器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

主动式红外传感器有单光束、双光束、四光束之分。

以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。

当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时输出有效信号。

当使用较多的传感器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。

（2）被动式红外传感器

我们之所以称为被动式红外传感器，即传感器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。

传感器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。

被动红外传感器形成的警戒线一般可以达到数十米。

被动式红外传感器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）等部分组成。

其核心是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。

红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内。

被动式红外传感器（PassiveInfaredDetector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。

单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。

这种方式的传感器境界视场角较窄，一般在5°

以下，但作用距离较远，可长达百米。

因此又称为直线远距离控制型被动红外传感器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。

多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜——多层光束结构的菲涅尔透镜。

这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。

警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感热区域，构成立体警戒。

菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。

因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。

下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。

多波束型PIR的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于90°

，垂直视场角最大也可以达到90°

，但作用距离较近。

所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会输出有效信号。

为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外传感器。

安装在顶棚上向下360°

范围内进行探测。

只要在防护范围内，无论从哪个方向进入都会触发电路，在银行营业大厅，商场的公共活动区等空间较大的地方得到广泛使用。

被动式红外传感器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。

其缺点是相对于主动式传感器误报率较高。

感应式门铃的应用范围和设计要求决定了它应该是具有一个面的探测范围，而且应该只对人体产生有效信号，这就排除了主动式红外传感器。

再根据单波束和多波束PIR的比较，综合考虑，决定使用被动式多波束型红外传感器。

热释电红外传感器就是这种类型的传感器。

2.1.2热释电红外传感器概述

热释电红外传感器也称热释电传感器，是一种被动式调制型温度敏感器。

在电路原理图中，通常采用字母“PIR”表示。

热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。

早在1938年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法，但长期没有得到重视。

直到20世纪60年代才开始认真研究这个问题。

尤其是20年来，无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。

特别是陶瓷热释电材料，不但有良好的热释电特性，而且可以大批量生产，成本低。

同时，随着技术的不断改进，使热释电红外传感器的结构日臻完善，体积越来越小，而且灵敏度和可靠性都得到提高，应用更方便，从而使当今热释电红外传感器的应用范围不断扩大，不但用于国防军事，而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。

由于应用的广泛，国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。

过去，欧美曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场。

近些年日本奋起直追，迎头赶上。

现在，日本多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。

例如，陶瓷公司、Hokuriku电气工业公司等，一些产品已占领国外市场。

红外传感器主要分两大类，一类是光电型，一类是热敏型。

前者利用光电效应工作，响应速度快，检测特性好。

但需要冷却，使用不方便。

而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。

而热释电器件属于后者，它工作在室温条件下，检测灵敏度很高，而且与辐射波长无关，可探测功率只受背景辐射的限制。

而且热释电器件响应也很快，应用又方便。

因此，热释电红外传感器是光电型传感器无法取代的。

2.1.3红外辐射，热释电效应

红外辐射：

红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体内部分子的转动及振动而产生。

这类振动是由物体受热引起的，在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，但发射的红外波长不同。

实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，人体表面辐射出波长约为10μm。

红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。

热释电效应：

因红外线具有很强的热效应，当交互变化的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时会发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。

热释电红外传感器就是根据这种原理制成的。

2.1.4热释电红外传感器的结构及工作原理

众所周知，只要物体本身温度高于热力学温度0K（约-273℃），则都会发射出相当于某一个温度的辐射线，人体都有恒定的体温，一般为37℃，所以会从人体表面辐射出波长约为10μm的红外线。

可利用面镜或透镜将人体所辐射出来的红外线有效地集中于热释电红外传感器上，通过热释电红外传感器将收集到的红外线能量转换为电气信号。

热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成。

其结构及内部电路分别如图2-1和图2-2所示。

图2-1热释电红外传感器结构

Figure2-1Pyroelectricinfraredsensorstructure

图2-2热释电红外传感器结构及内部电路

Figure2-2structureandinternalcircuitforPyroelectricinfraredsensor

光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤除掉，以抑制外界干扰。

红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成。

这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。

一旦有人进入探测区域内，人体辐射的红外线就会通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。

不过由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能抵消，经处理电路处理后输出控制信号。

热释电元件输出的是微弱电信号，不能直接使用，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N沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在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产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。

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

我们一般口中所述的红外探头中有两个关键性的器件：

一个是热释电红外传感器。

它能将波长为8～12μm之间的红外信号的变化转变为电信号，并对自然界中的可见光信号具有抑制作用。

因此在红外探测器的有效感应区内，当无人体移动时，热释电红外传感器感应到的只是背景温度，没有信号变化，所以不能产生电信号；

当人体进人感应区，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背景温度的差异信号，此时产生电信号。

另外一个器件就是菲涅尔透镜。

菲涅尔透镜一般固定在红外传感器正前方1～5cm的地方。

它具有聚焦，即将热释电的红外信号反射在红外传感器上的作用，还能将感应区内分为若干个明区和暗区，使进入感应区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号，这样热释电红外传感器产生变化的电信号，后续电路经检测处理后产生可用信号。

2.1.5热释电红外传感器的材料、类别及特性

热释电红外传感器的制作材料以陶瓷氧化物和压电晶体为最多，如PbTiO3（钛酸铅）、LiTaO3（钽酸锂）、LATGS（硫酸三甘肽）、PZT（锆钛酸铅）等。

这类材料具有强烈的自发极化特性，平时靠捕获大气中的浮游电荷保持平衡，当受到热辐射而产生温度变化时，介质的极化状态将随之变化。

由于表面电荷的变化速度远远小于内部电荷的变化速度，内、外层电荷会出现“失步”现象，即在表面电荷重新达到平衡的短暂时间内，将出现独立的电荷。

这就是电介质的热释电效应。

热释电红外传感器按内部安装敏感元件个数多少，又可分为单元件、双元件、四元件及特殊形式等几种，最常见的为双元件型。

所谓双元件就是在一个传感器中有两个反相串联的敏感元件，其特点是：

（1）当入射能量顺序地射到两个元件上时，其输出要比单元件高一倍；

（2）由于两个元件逆向串联，对于同时输入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线引起误动作；

（3）可防止因环境温度变化引起的检测误差；

（4）常用的敏感元件还具有压电效应，所以双敏感元件还可以消除因振动引起的检测误差。

上文图2-2就是双元型元件。

特殊形式有温补单元型，主要用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等。

目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。

热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。

常见的热释电红外传感器外形及各引脚功能如图2-3所示。

热释电红外传感器的主要工作参数有：

工作电压（常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V）、工作波长（通常为7.5～14μm）、源极电压（通常为0.4～1.1V，R=47KΩ）、输出信号电压（通常大于2.0V）等。

图2-3常见的热释电红外传感器外形及各引脚功能

Figure2-3commonoutlineandthePyroelectricinfraredsensorpinfunction

2.1.6热释电红外传感器的输出信号特性及优缺点

热释电红外传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于：

目标人体的温度、探测区域背景、人体离传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距和设计样式。

人体温度和探测区域背景的温差越大，离传感器越近，输出电信号的幅值将越大。

双敏感元热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出信号波形电压峰峰值约为1mV，频率可由下列公式2-1计算：

（2-1）

其中：

f是输出信号频率（Hz），Vb是人体移动速度（m/s），fb是光学系统焦距（mm），s是传感器敏感元的面积（mm2），L是人体离传感器距离（m）。

对于双敏感元传感器，标准尺寸为2（mm）*1（mm），人体移动速度范围为0.5（m/s）～5（m/s），常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为25（mm），我们可计算出传感器输出信号的频率范围为0.08～8Hz。

由于传感器输出的信号非常微弱，因此需要外接放大电路，也有些传感器生产厂家直接将后续信号处理电路内置在传感器中，用户直接就可以使用。

热释电红外传感器其优点是本身不发出各种类型的辐射，该器件的功耗小、隐蔽性好、价格低。

其缺点是容易受各种热源、光源及射频辐射的干扰；

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；

当环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度下降，有时还会短时失灵。

2.1.7菲涅尔透镜

热释电红外传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离通常不大于2m，而加上菲涅尔透镜后，其检测距离可大于7m。

因此在实际应用中，热释电红外传感器通常与菲涅尔透镜配合使用。

菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀·

菲涅尔（Augustin·

Fresnel）发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。

菲涅尔透镜（FresnelLense）是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成，是依托菲涅尔理论由平凸透镜演变而来的，是平凸透镜的一种异化。

它具有短焦距、大孔径及厚度小的特点，用菲涅尔透镜可以获得更为柔和、均匀的光分布照明状态。

菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。

其工作原理十分简单，它有两种理解方式：

（1）假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：

透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

如图2-4所示。

图2-4菲涅尔透镜1

Figure2-4PhilippineJustinMoreljuniorlens1

另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。

从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。

每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。

每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。

这种透镜还能够消除部分球形像差。

如图2-5所示。

图2-5菲涅尔透镜2

Figure2-5PhilippineJustinMoreljuniorlens2

菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通（反射或者折射）的作用。

传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵，菲涅尔透镜可以极大的降低成本，典型的例子就是PIR。

PIR广泛的用在门铃、警报器上。

如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子，这就是菲涅尔透镜。

小帽子的内部都刻上了齿纹。

这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10μm左右（人体红外线辐射的峰值），成本相当的低。

因此，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（热释电红外传感器）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上产生变化的信号，继而传感器就能产生控制信号。

在热释电红外传感器应用中，菲涅尔透镜的主要作用是聚焦作用。

其工作示意图如图2-6所示。

图2-6菲涅尔透镜聚焦作用示意图

Figure2-6PhilippineJustinMoreljuniorlensdiagram

2.1.8热释电红外传感器的安装要求

热释电红外传感器的误报率与安装位置和方式有很大关系，一般应注意以下几点：

（1）传感器应离地面2～2.5m，远离空调器、冰箱、火炉、射灯等空气温度