基于热释电红外传感器的报警系统.docx

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基于热释电红外传感器的报警系统

学号

学校代码

TP311.51

公开

分类号

密级

题目

（中、英文）

基于热释电红外传感器的报警系统

BasedOnPyroelectricInfraredSensorAlarmSystem

作者姓名

专业名称

工学

学科门类

指导教师

成绩评定

提交论文日期

摘要

介绍了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。

由于是毕业设计，在设论述程中一电路原理为主题，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。

本系统采用报警器中经常用的SD2型传感器作为红外探测器件，用含四个集成运放的LM324芯片组成放大和比较电路。

关键词：

被动式红外报警器；热释电红外（PIR）传感器；双精度单稳多频振荡器

Abstract

Alarmsystemwithpyroelectricinfraredsensorsabstract:

theprincipleofpyroelectricinfraredsensorsisdiscussedinthispaper.theapplicationcircuitandworkingtheoryofpassiveinfraredalarmbuzzerareprovided.thealarmsystemaboutthepyroelectricinfraredsensormakefulluseoftheconcealmentofinfraredtoimplementthealarmfunction,whichcanrealizehome'ssafety.

Keywords:

Passiveinfraredalarmbuzzer;Pyroelectricinfraredsensors;dualprecisionmonostablemultivibrator.

目录

1引言1

2热释电红外传感器的原理特性2

3被动式红外报警器工作原理3

4被动式红外报警器的结构原理4

4.1结构4

4.2信号采集及信号处理模块5

4.2.1热释电红外传感器控制电路6

4.2.2稳定信号输出和报警模块10

5报警器系统的电源设计11

6结束语：

13

设计体会15

谢辞15

参考文献16

1引言

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。

现在很多小区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。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

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。

（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

（3）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。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

（4）一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

（5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

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。

2热释电红外传感器的原理特性

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。

图1双探测元热释电红外传感器

图1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

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。

3被动式红外报警器工作原理

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。

被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

图2所示是该报警器的工作电路原理图。

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0．16Hz。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0．1～10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。

本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。

当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。

在该比较器中，R9、R10、R11用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。

窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为3．8V和1．2V。

将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为单稳电路HEF4538B的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。

再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号，来使电路产生10s的报警信号，最后用三极管VT1和VT2再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。

4被动式红外报警器的结构原理

4.1结构

被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。

其结构框图如图

3所示。

图中，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信号采集及信号处理模块

采集人体信号用热释电红外传感器。

热释电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8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能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。

另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。

菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测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就能产生变化电信号。

如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信

图4.2-1所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

4.2.1热释电红外传感器控制电路

热释电红外传感器输出的微弱检测信号，要经过放大、比较、延时等几个环节才能发出报警或控制信号，使执行电路的动作。

热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。

本套系统采用通用元件构成热释电红外传感器的控制系统。

图4.2-2是控制电路的结构框图：

（1）低频带通放大电路

热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.1~10Hz，须经高增益、低噪声低频放大器放大后，才能进一步处理，一般来讲，要求放大器的增益为60~~70dB，带宽为0.3~~7Hz。

放大器的带宽对可靠性和灵敏度有重要影响，带宽窄，噪声小，误动作率低：

带宽宽，噪声大，误动作率高。

本系统采用LM324中的两个集成运算放大器构成低频带通放大电路，LM324内部集成了四个独立的高增益运算放大器，其电流很小（典型值Is=1.0mA），且与所加电源的大小无关，频率补偿及偏置电流均采用了温度补偿措施，性能稳定。

采用单电源供电。

LM342四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图4.2-3所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反向输入端，表示运放输入端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi-（+）为同向输入端，表示运放输入端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图4.2-3

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛用在各种电路中。

低频带通放大电路电路如图4.2-4所示：

IC1——LM324集成运算放大器

放大电路要求

增益：

60~70dB

带宽：

0.3~7Hz

工作原理

IC1a、IC1b分别组成高、低通放大器，IC1a为反相比例放大器，IC1b为同相比例放大器，它们俩的结构相同，只是元件参数有差异。

放大电路的电压增益：

一般要求电路的总增益为65dB.

电路的上下限截止频率为：

在单电源供电的情况下，外加上电压分压器后，可保证运放输出电压有较大的动态范围。

静态下应将输出端电位设在1/2VDD处，方法是：

IC1a外接R3、R5分压器，将1/2VDD引至运放的同向输入端，这相当于将输入偏置电压垫高1/2VDD，从而使输出电压的静态电位定在1/2VDD处。

与IC1a一样，IC1b为了保证运放输出电压有较大的动态范围，同样设置了有组成的分压器。

R4、R9为运放的反向输入端电阻，其阻值可取几十千欧至上百千欧。

（2）电压比较整形电路

电压比较器的作用是将一个模拟电压与一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变。

本系统采用LM324剩余的两个集成运算放大器构成一个双限电压比较器。

双线电压比较器工作原理：

如图4.2-5所示基准电压VR1和VR2分别有Rp1和Rp5，设定（VR1

当输入电压UiVR1时，比较器输出也为高电平。

而当VR1

如图4.2-5（b）所示。

当由于人体通过费涅尔透镜组成的传感器现场时，传感器输出一交变信号，其变化幅度大于VR2、小于VR1，才能使比较器输出高电平，否则为低电平，而前级放大器静态时输出电压基本为1/2VDD，处在VR1和VR2之间，故比较器输出为零。

VR1和VR2越靠近1/2VDD

即（VR2-VR1）越小，电路灵敏度越高，但容易因噪声干扰产生误动作，若VR1和VR2远离1/2VDD，电路可靠性提高，但灵敏度降低。

一般基准电压可按下式选择：

VR1-VR2=（4~5）VN

式中，VN为噪声电压，是指传感器噪声输出的信号经过70dB以上的放大器放大后的噪声电压的峰-峰值。

这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。

（3）555单稳态延时单路

为了使报警器能够长时间报警，本系统采用时基集成电路555组成单稳态延时电路。

由555构成的单稳态触发器及工作波形如图4.2-6所示：

工作原理如下：

电源接通瞬间，电路有一个稳定的过程，即电源通过电阻R向电容C充电，当VC上升到Vi时（Vi=1/3VDD），Vi<

VDD，触发器复位，VO为低电平，放电BJTT导通，电容C放电，电路进入稳定状态.若触发输入端施加触发信号，触发器发生翻转，电路进入暂稳态，输出高电平，且BJTT截止，此后电容C充电至

VDD时，电路又发生翻转，VO为低电平，T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态。

如果忽略T的饱和压降，则从零电平上升到

VDD的时间，即为输出电压tW的脉宽。

tW=RCln31.1RC

这种电路产生的脉冲宽度可以从几个微秒到几分钟，精确度可达0.1%。

通常R的取值在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容取值为几百皮法到几百微法之间。

4.2.2稳定信号输出和报警模块

   这个模块主要由单稳态多频振荡器HEF4538和报警电路KD9651组成。

单稳态电路HEF4538的功能是输出一个脉宽大约10S的高电平信号。

再利用这一脉宽信号作为报警电路KD9651的输入控制信号，来使电路产生10s的报警信号，最后用三极管Q1和Q2再一次对电信号进行放大，以便获得足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10S的报警声。

具体电路如图下图4.2-7所示。

5报警器系统的电源设计

为了保证电路工作可靠，一般采用稳压电源供电。

在电路中，采用变压器降压，工作稳定可靠，供电电压与高压部分（市电）有良好的隔离作用，调试和安装电路时比较安全，并且选用较大容量的变压器，可向负载提供较大的工作电流，是一种应用较多的降压电路。

变压器降压稳压电源，一般采用串联稳压方式，目前集成稳压器的大量出现使得稳压电源构成非常简单，且成本不高。

上图5-1采用CW7806三端固定集成稳压器构成的稳压电路。

220v市电经变压器T降压和桥式整流器进行全波整流后，变为直流电压，由C进行滤波，作为CW7805集成稳压器的输入电压，经其稳压后就变为非常稳定的直流电压了。

CW7805规格：

最大输入电压：

35V；输出电压：

6V；

输出电流：

1.5A;电压调整率：

5mV；

电流调整率：

14mA;工作温度范围：

0~70摄氏度

使用三端固定集成稳压器时要注意：

输入电压不得超过允输入的最大输入电压（一般为40V）。

输入电压要高于输出电压3V以上，否则将不起稳压作用，但也不要太高，那样稳压功耗会增大。

热释电红外报警器优缺点:

优点:

本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，隐蔽性较好。

价格低廉.

缺点:

容易受各种热源、阳光源干扰。

被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收。

易受射频辐射的干扰。

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。

被动红外探测器安装注意事项

由于被动红外探测器是属于一种微弱信号检测设备，在安装对必须注意一些细节方面的问题，如高度，灵敏度等。

正确安装一个被动红外探测器，必须掌握以下几个方面的信息:

首先是对探测器的性能特点必须了解，其次要合理确定安装的位置，最后必须要仔细调试。

不能说探测器能报警就说明安装好了，那么如何确定一个被动红外探测器的安装位置呢？

根据说明书确定正常的安装角度

安装高度不是随意的，会影响探测器的灵敏度和防小宠物的效果。

试想一下，一个探测器装在2M高度的位置和2.5高度的位置，那么移动物体从地面移动时，切割明区和暗区的频率是不一样的。

不宜面对玻璃门窗

被动红外探测器正对玻璃门窗，会有两个问题:

一是白光干扰，显然PIR对白光具有很强的抑制功能，但毕竟不是100%的抑制。

因此避免正对玻璃门窗，可以避免强光的干扰。

二是避免门窗外复杂的环境干扰，比如人群流动、车辆等。

不宜正对冷热通风口或冷热源

被动红外探测器感应作用是与温度的变化具有密切的关系。

冷热通风口和冷热源均有可能引起探测器的误报，对有些低性能的探测器，有时通过门窗的空气对流也会造成误报。

不宜正对易摆动的物体

易摆动的物体将会使微波探测器起作用，因此同样可能造成误报。

安装探测器的目的是防止犯罪分子的非法入侵，在确定安装位置之前，必须要考虑建筑物主要出人口。

实际上我们防止了出入口，截断非法入侵线路，也就达到了我们的目的。

6结束语

用热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低等优点。

经过多次测试，该系统工作情况稳定。

被动式红外探测器的选用

被动红外探测器的选购要点

（1）外形工艺与外壳密封性能

外形美观、工艺好，说明生产厂正规；外壳密封性能好，就能防止气流与小昆虫入内引起温度变化能造成误报。

（2）探测能力、作用距离与警戒范围

被动红外探测器的探测能力可被泡沫、喷雾（这是入侵者经常使用的手段）、纸、衣物等遮挡而下降，这可看其设备是否采用独特的电子适配器实时防遮挡部件，如有就能监视探测器，防止被遮挡或被破坏。

如探测器窗口或靠近探测器的任何区域，被泡沫、金属片、喷雾、帽子、纸板、盒子和衣物等物品所遮挡，都将进入报警状态。

在白天模式下，一旦探测器被遮挡，这种遮挡报警会同时显示在防遮挡监视输出继电器和报警输出继电器上。

这时，报警继电器会停止，而防遮挡输出会启动，直至遮挡被挪走为止。

然后再看该红外探测器的作用距离的远近与警戒范围的大小，能符合自己的需要就行；最后再看在探测器规定的安装高度下，所警戒的角度与探测器下视区的角度，看有否盲区及其大小等。

（3）能否防拆防破坏以及易于安装调试

有的整体结构性能好，具有防拆防破坏功能；有的采用独特的电子线路（带插头）和感应器分开设计技术，使探测器安装更为简便；现在大多有完备的电压监控电子线路和感应器自动的定期自检功能，使调试更为简便。

（4）是否采用FSP、自适应处理、温度补偿与防宠物等技术

FSP（FirstStepProcessing）技术：

即第一步处理技术（BOSCH中有），该技术根据不同信号源产生的信号幅度、极性、周期以及曲线坡度等指标进行判断，自动调整探测器的灵敏度。

因此，可对人体目标即时作出正确反应，而不会受其他信号源的干扰。

自适应处理技术：

该技术能对环境干扰自动进行调整，可以适应不同的背景干扰噪声，最大程度地降低误报，且不牺牲对正常移动人体入侵信号的灵敏度。

温度补偿技术：

该技术能使人体温度与环境温度极端接近的极限条件下保持一贯的稳定性和灵敏度，以确保在各种环境下（尤其我国南方闷热潮湿地区）均能正常地工作。

实际上，虽然体温和环境差别不大，也可通过差分方式迅速侦测出视场里微小的温度变化等。

防宠物技术：

现在的被动红外探测器，均有防小宠物过滤功能。

如BOSCH的被动红外探测器可以防止13.6kg以下的宠物产生的误报；其三鉴探测器可防止45kg以下的动物产生的误报。

（5）电磁兼容性EMC及认证合格证

看有否电磁屏蔽与滤波电路，以及对热释电探测器的信号是否进行数码化处理，如有则可消除外界的射频等电磁干扰信号以及内部电路噪声与热释电感应器的信号的瞬变等干扰。

这样，有认证合格证即可。

（6）根据需要选择使用温度

在南方使用主要考虑高温，而北方使用则主要考虑低温，还可根据使用地区与室内、外场所的情况而选择。

（7）响应时间

当人走进被动红外探测器的作用距离内与警戒范围内时，报警要能及时响应，那种人已走出警戒范围才报警的产品，就不可取。

（8）功耗与寿命

整机电源电压与电流的大小决定其功耗的大小，一般家用希望功耗越小越好。

整机的使用寿命决定于电路设计的合理性与所选用的元器件的质量，显然用户希望寿命长些好。

热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。

正确的安装应满足下列条件：

①　报警器应离地面2.0～2.2米。

②　报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。

③　报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

④　报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。

另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方。

设计体会

通过设计这个热释电红外报警器系统，我有一下几方面的新的体会：

首先，在设计中通过老师的指导，了解、认识了电子电路的设计流程、步骤和方法。

在设计电路时，应先有一套总体思路，然后根据思路设计框架图，再根据框架图设计各个单元电路，最后将各个电路组合安装、调试。

其次，通过这次设计，将四年来所学的很多课程融会贯通在一起，可谓是一次真正意义的知识应用与实践。

与此同时，还加深了对所学知识的进一步理解，对以前学习过程中遇到的模糊的概