红外传感器设计.docx

红外传感器设计.docx

《红外传感器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外传感器设计.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

红外传感器设计

红外传感器设计

设计总说明

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

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。

本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

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，这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。

本设计是一个以单片机为核心的红外报警系统，包括硬件和软件设计两个部分。

硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。

处理器采用51系列单片机AT89C51，整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。

驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。

本文共分四章，由绪论开始，说明了本课题的目的、意义和研究前景，接着介绍了该设计的设计思路，最后从热释电红外传感器的基本工作原理和组成部分以及红外报警系统的设计等几个方面对红外传感技术进行了介绍。

论文内容中针对热释电红外传感器的基本工作原理和组成部分进行了详细的说明，并对传感器的光学滤镜进行了简单的介绍，最后设计了由51单片机控制的红外报警系统，详细介绍了系统的各个部分的组成电路，并分析设计出了系统的主程序流程和主程序清单等。

综上，本设计最终实现了这个由单片机控制的红外报警系统，虽然对于其中很多地方来说还有待完善，但从总体来看该设计还是成立的，其功能也基本实现。

关键词：

热释电红外传感器；报警电路；89C51

INTRODUCTION

Infraredtechnologydevelopmentuptonow,hasbeenthatarefamiliartous,thistechnologyhasinthemodernscienceandtechnology,nationaldefenseandindustrialandagriculturalfieldshasbeenwidelyused.Infraredsensorsystemisusedasthemediumwithinfraredmeasurementsystemaccordingtothefunction,canbedividedintofivecategories:

（1）radiometer,usedforradiationandspectrummeasurement;

（2）searchandtrackingsystem,usedtosearchandtrackinfraredtarget,determiningthespatiallocationandtrackingofitsmovement;（3）thermalimagingsystem,canproducethewholegoalinfraredradiationofdistributionimages;（4）infrareddistanceandcommunicationsystem;（5）hybridsystem,itistopointtoofallkindsofsystemofmorethantwoorDuoGecombination.Infraredsensorsincludingopticalsystem,checkcomponentsandtransformcircuit.Opticalsystemaccordingtothestructurecanbedividedintotransmissiontypeandreflextwokinds.Thetestcomponentsaccordingtoaprincipleofworkcanbedividedintothermaltestcomponentsandphotoelectricdetectioncomponents.Temperaturesensingelementsisthelargestapplicationthermalresistor.Thermistorsbyinfraredrayradiationtemperature,whenresistancechanges,throughtheconversionintoelectricalsignaloutputcircuit.

Pyroelectricinfraredsensorisakindofpassivemodulatedtemperaturesensitivecomponents,withpyroelectricityeffectwork,itisthroughthetemperaturedifferencebetweenthetargetandbackgroundtodetectthetarget.Theresponsespeedisnotthephotontype,butbecauseitcanuseatroomtemperature,spectralresponsewide,widefrequencyrange,sensitivityandwavelengthisirrelevant,easytouse.Thiskindofdetector,highsensitivity,detectionareawide,isaverystrongreliabilityofdetectors.

ThissystemUSESapyroelectricinfraredsensor,itsmakesimple,lowcost,installationismoreconvenient,andpropertiesofsecurityisstable,stronganti-jammingcapability,highsensitivity,safeandreliable.Intheelectronicsecurity,humanbodyinthefieldofdetector,pyroelectricinfrareddetectorisusedextensively,thiskindofconcealment,noteasytobeinstalleddevices,italsofoundathiefsignalaftersingle-chipmicrocomputersystemaftertreatmentforPC,facilitatecommunicationandunifiedmanagementofmanyusers.

Thisdesignistoasingle-chipmicrocomputerasthecoreoftheinfraredalarmsystem,includinghardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Hardwarepartincludessingle-chipmicrocomputercontrolcircuit,infrareddetectorcircuit,drivecircuit,executivealarmLEDcontrolcircuitcomponents.Thesingle-chipmicrocomputerAT89C51processor51series,thewholesystemisinthesystemsoftwareworkundercontrol.Setintheinfraredsensormonitoringstationsinthebodyoftheirradiationtransformelectricalsignal,theamplifiercircuit,issenttothecircuitswitch,openvalvethresholdthresholdsendTTLleveltoAT89C51single-chipmicrocomputer.Theprocessor,thesoftwareintheinquiry,identifylinkssuchasreal-timesendsouttheinvasionjudgmentalarmstatuscontrolsignals.Drivecircuitwillcontrolsignaltoenlargeandpromotesoundandlightalarmequipmenttofinishthecorrespondingaction.

Thispaperisdividedintofourchapters,introduction,andexplainsthestartofthistopicresearchpurpose,significanceandprospect,thenintroducesthedesignideaofthedesign,andfinallyfromthepyroelectricinfraredsensorbasicworkingprinciplesandcomponentsofinfraredalarmsystemandthedesignaspectsofinfraredsensingtechnologyareintroducedinthispaper.Thecontentofpyroelectricinfraredsensorsinthebasicworkingprinciplesandcomponentsofthedetailedinstructions,andtheopticalfilterofsensoralsobrieflyintroduced,finallydesignedby51single-chipmicrocomputercontrolofinfraredalarmsystem,introducedthepartsofthesystemareanalyzed,andthecompositionofthecircuitdesignofthesysteminthemainprogramflowandmainprogramlistetc.

Inconclusion,thisdesignachievethisbysinglechipmicrocomputercontrolsystem,althoughinfraredalarmformanyofthemistobeperfect,placebutoverallthedesignorfromestablished,itsfunctionisrealizedbasically.

Keywords:

pyroelectricinfraredsensors;Thealarmingcircuit;The89C51

1绪论

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财政机构。

价格高昂,一般人们难以接受。

如果再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[2]。

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,红外线声先报警器等。

1.1红外传感器的发展前景和研究意义

红外传感器是利用红外线来探测物体的测量器件，内部发射特殊红外线光波，相当数据流，也就是数字信号转成红外信号---红外信号转成数字信号（达到控制，信号传输的效果）。

红外传感器属于精密型传感器，它具有相当好的测量针对性。

红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。

红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔.。

在将来的发展中，主要在红外传感器的性能和灵敏度将会有较大的提高。

发展趋势主要有：

1．智能化

目前的红外传感器主要结合外围设备来使用,而智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化，数字通信，维护简单等优点，能够单独作为一个模块独立工作。

2．微型化

传感器微型化一个必然趋势，现在应用中，由于红外传感器的体积问题，导致其使用程度远不如热电隅来的好。

所以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的。

3．高灵敏度及高性能

在医学上，人体体温测试方面，红外传感器因测量的快速性而得到了相当的应用，但局限于其准确度不高而没办法取代现有的体温测量方法。

因此，红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势。

虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足，但红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度，也将有更广阔的应用范围。

1.2热释电红外线传感器的发展现状

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，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。

1.3本课题所研究的内容

本课题主要是利用热释电红外传感器监测环境变化,进行无线信息传输进而完成报警功能的系统,主要用于家居安全,探测有无外人闯入.该系统方便、稳定,十分适合家庭财产安全的保护。

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：

a.不需要用红外线或电磁波等发射源。

b.灵敏度高、控制范围大。

c.隐蔽性好，可流动安装。

2总体方案设计

2.1任务要求

本次设计的任务，是设计一个以单片机为核心的热释电红外报警系统，系统中应包括硬件和软件设计两个部分。

要求完成89C51应用系统设计（晶振电路，上电复位电路，直流稳压电源电路等）以及红外收发模块与单片机的正确连接，还需编写程序当红外接收管接到红外线时对应发光二极管点亮，此外还要求完成主程序的设计及对应的子程序设计。

2.2总体设计思路

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：

热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2-1总体设计框图所示：

图2-1总体设计框图

处理器采用51系列单片机89C51。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机。

在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。

驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。

当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。

3热释电红外传感器的结构原理

3.1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。

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。

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3-1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。

图3-1电介质的热释电效应

3.2、热释电红外传感器组成和原理

红外传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。

如图3-2示为热释电红外传感器的电路框图。

图3-2红外传感器电路框图

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。

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3-3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材料是一种广谱材