被动式红外报警器.docx
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被动式红外报警器
大庆师范学院
自动检测技术课程设计报告
设计课题：
热释电报警器的制作
学生姓名：
张宪强
学号:
200801071385
学院：
物理与电子信息工程学院
专业：
08级电子信息工程
班级：
一班
日期：
2010年10月20日—2010年11月20日
指导教师：
齐凤河
前言I
1设计方案I
2方案论证与选择I
1被动式红外报警器的基本原理1
2主要器件的原理特性2
2.1LM3242
2.1.1LM324的基本原理3
2.1.2LM324的特点4
2.1.3LM324的工作电压4
2.1.4LM324在放大电路中的应用5
2.274HC746
2.3热释电红外传感器8
2.4菲涅尔透镜9
3被动式红外报警器的系统方案10
4被动式红外报警器的系统设计11
4.1信号接收与处理电路设计12
4.2报警信号保持与消除电路13
4.3热释电连接14
4.4完整电路图15
5被动式红外报警器的硬件设计15
5.1PCB图15
5.2电路的调试16
6结论17
参考文献18
致谢19
附录20
1
前言
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。
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。
1设计方案
方案一
2方案论证与选择
1被动式红外报警器的基本原理
热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。
热释电内部的热电元由高热电系数的材料做成，其极化随温度的变化而变化。
当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度
下降，表面电荷减少，相当于释放一部分电荷，故名热释电。
为了抑制因自身的温度而产生的干扰，它在工艺上将两个特征一致的热电元件反向串联或者接成差动平衡电路的方式，因而能以非接触的形式检测出物体放出的红外线能量的变化，并将其转换为电信号输出。
热释电能以非接触的形式检测出人体辐射出来的红外线能量的变化，并将其转换为电压信号输出。
将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如做电源开关控制、防盗防火报警等。
热释电可以组成被动式红外报警系统。
该系统主要由光学系统，热释电红外传感器，信号处理部分组成。
光学系统主要是一个菲涅尔透镜组成。
对于辐射到热释电红外传感器的红外辐射，可以通过安装在传感器前面的这个菲涅尔透镜将其聚焦后加在传感器的探测元上，同时产生交替变化的红外辐射的高灵敏区和盲区，以适应热释电探员要求信号不断变化的特性，从而使传感器输出电压信号。
而热释电红外传感器是被动式红外报警的核心器件，它可以将人体的红外信号转化为电信号，以供信号处理部分使用。
信号处理部分是对热释电传过来的信号进行滤波，放大和比较，为报警功能的实现打下基础。
2主要器件的原理特性
2.1LM324
2.1.1LM324的基本原理
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，采用14脚双列直插塑料封装。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路，电路功耗很小。
lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为0～Vcc。
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，四组运放相互单独。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图2.2所示的符号来表示，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-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2.1。
图2.1LM324的引脚排列
它的每一组运算放大器可以用图2.2来表示。
图2.2运算放大器
2.1.2LM324的特点
LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。
可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。
LM324的特点：
（1）短跑保护输出
（2）真差动输入级
（3）可单电源工作：
3V-32V
（4）低偏置电流：
最大100nA
（5）每封装含四个运算放大器。
（6）具有内部补偿的功能。
（7）共模范围扩展到负电源
（8）行业标准的引脚排列
（9）输入端具有静电保护功能
2.1.3LM324的工作电压
表2.1LM324的工作电压
引脚
功能
电压（V）
引脚
功能
电压（V）
1
输出1
3．0
8
输出3
3．0
2
反向输出1
2．7
9
反向输出3
2．4
3
正向输出1
2．8
10
正向输出3
2．8
4
电源
5．1
11
电源
0
5
正向输出2
2．8
12
正向输出4
2．8
6
反向输出2
1．0
13
反向输出4
2．2
7
输出2
3．0
14
输出4
3．0
2.1.4LM324在放大电路中的应用
1.反相交流放大器,如图2.3。
此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。
图2.3反向交流放大器电路
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值，Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
2.同相交流放大器,如图2.4。
同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。
图2.4同相交流放大器电路
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：
Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
2.274HC74
74HC74是一款高速CMOS器件，74HC74引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC74遵循JEDEC标准no.7A。
74HC74是双路D型上升沿触发器，带独立的数据（D）输入、时钟（CP）输入、设置（SD）和复位（RD）输入、以及互补的Q和Q输出。
设置和复位为异步低电平有效，且不依赖于时钟输入。
74HC74数据输入口的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q口。
为了获得预想中的结果，D输入必须在时钟脉冲上升沿来临之前，保持稳定一段就绪时间。
在引脚的74HC74是相同的LS74。
该设备投入与标准CMOS输出兼容;与上拉电阻，他们输出与输入通道兼容。
这种装置由两个D触发器与个别设置，复位触发器，和时钟输入。
在一个D输入的信息转移到相应的Q输出的下一个积极准备在时钟的边缘投入。
Q和Q输出都可以从每一个触发器。
设置和复位输入是异步的。
74HC74时钟输入的施密特触发功能使得电路对于缓慢的脉冲上升和下降具备更高的容差性。
74HC74的引脚排列见图2.5。
图2.574HC74的引脚排列
特点：
•输出驱动能力:
10LSTTL负荷
•输出直接接口CMOS、NMOS和TTL
•工作电压范围：
2.0到6.0V
•输入最低电流：
1.0μA
•CMOS器件高抗噪特性
•在依从性JEDEC标准第7a条要求
•静电放电性能：
HBM>2000V；机型号>200V
•芯片复杂性：
128FETs或等效32门
•无铅封装上市
2.3热释电红外传感器
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2.6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。
图2.6双探测元热释电红外传感器
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。
2.4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。
菲涅尔透镜如图2.7。
图2.7菲涅尔透镜实物图
菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。
多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。
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。
3被动式红外报警器的系统方案
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3.1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。
图3.2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。
图3.1系统框图
图3.2人体通过传感器时产生的信号
4被动式红外报警器的系统设计
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。
4.1信号接收与处理电路设计
信号接收与处理电路设计如图4.1。
图4.1热释电信号处理电路
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Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１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。
本设计运用一个集成运算放大器LM324来进行放大，信号由热释电传感器输入至LM324运算放大器的3脚，1脚输出至下一级运放，组成第一级差分运放，增益为Au=（R15/R14）+1=426,以使其获得了足够的增益。
信号输入至6脚，与参考电压V1=（R6+R7）/（R6+R7+R8）比较。
其中R7可调，并且在8脚处有测试端口，便于用万用表调试。
6的是反向输入，后面需再接一个反向运放，这样将原来的信号幅值保持一致。
参考+5V电源信号接有D1LED灯，作为显示，方便调试。
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，Ｒ8、Ｒ９用做参考电压，滑动变阻器R7进行调节电压，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74HC74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的输入控制信号，来使电路产生１０ｓ的报警信号，最后用二极管进行稳压。
4.2报警信号保持与消除电路
本部分的任务是将前一部分送来的报警信号处理后,发声、发光,起到报警的作用。
如果如图11所示,报警消除输入信号通过R20限流保护，防止烧坏MOS管，输出端接报警电路,当红外光束被阻断时,LED管亮,扬声器发声报警。
但是直接将报警电路接比较放大器的输出端时,当光线短时间被阻断后又恢复时,报警信号立即消失,报警不能维持。
因此加一个报警保持和消除电路,即使光线被阻断很短
时间,一旦报警,则维持下去,当不需要报警时,人为消除。
我们采用双D触发器74HC74实现此功能。
根据74HC74的功能表,CLK为低电位时,Q为低电位,只要CLK有个电位上升,则Q为高电位,即使CLK再为低电位,也能保持高电位。
将CLK端通过电阻R11接入比较放大器的输出,将LED和扬声器接Q端,则可实现当红外光束被阻断时报警和维持。
当不需要报警时,按一下K1使CLR为低电位,则Q又为低电位且保持。
再接入到74HC74的3脚，作为的时钟控制信号，1脚和4脚均接高电平。
当3脚的信号从低电平变化到高电平时，5脚输出高电平，LED灯D5变亮，蜂鸣器变鸣叫。
当开关S1闭合，1脚变为低电平，系统复位。
4.3热释电连接
热释电的连接图如图4.3。
图4.3热释电连接图
4.4完整电路图
将各部分连接起来，完整电路图如图4.4。
图4.4完整原理图
5被动式红外报警器的硬件设计
5.1PCB图
根据工作电路原理图导出的PCB图为图5.1。
图5.1PCB图
5.2电路的调试
1、根据原理图及PCB图焊接元器件。
2、热释电信号处理电路部分调试。
a.用万用表测试LM324的10脚的电压，应为2.4V，否则就是稳压管和它的限流电阻不匹配。
b.当没有外界物体在热释电上方横向切过时，LM324的1脚输出电压应该比5脚输出电压低，此时芯片8脚输出电压为0；而当有外界物体在热释电上方横向切过时，LM324的1脚输出电压应该比5脚电压高，此时芯片8脚输出电压为5V。
否则需要调节滑动变阻器以改变比较电压值。
3、报警保持和消除电路设计与调试。
按下轻触开关S1，此时芯片74HC74的5脚输出电压为0，表明该芯片的异步复位接法正确。
若要测试该芯片的数据保持功能，则需要给芯片的3脚一个上升沿信号，此步可在下面的电路统调中观察。
4、电路统调。
a.当没有外界物体在热释电上方横向切过时，芯片LM324的8脚输出电压为0，此时电路不报警。
当有外界物体在热释电上方横向切过时，芯片LM324的8脚输出电压为5V，此时可用示波器观察8脚有一个上升沿的信号出线，于是电路报警，且发光二极管发光。
b.按下轻触开关几秒钟，报警声音消失，发光二极管熄灭。
5结论
将设计电路板接入+5V电压，用手接近热释电传感器，电路板所接入的蜂鸣器发出报警声，发光二极管点亮；按下复位开关，蜂鸣器停止报警，发光二极管熄灭。
重复上述动作，功能不变。
经过多次测试，该系统工作情况稳定。
本次热释电红外传感器监控报警系统的设计，由于设施条件的限制，以及重点对费用成本的考虑，所以，尽可能的使结构简单化、成本低廉化，从而达到基本功能的实现。
鉴于对结构、成本的考虑，致使本设计不尽完善，仅能对10CM，左右内的人体热源检测报警。
主要由于使用的热释传感器的限制以及信号处理电路结构的简单化造成。
因此，如采用现有较先进的热释电传感器，报警的效果将大大改善。
由于采用小功率的发射和接收管,报警的距离不是很远。
此外，如果要增大报警距离,可以采用较大发射功率的发光二极管或多只红外发光二极管,并在发射管后加一个透镜
增加发射管的光强,接收管可以采用光电三极管。
此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。
参考文献
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高等教育出版社，１９９９.
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高等教育出版社，１９９９.
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清华大学出版社，１９９８.
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[11]陈有卿、张晓东编.报警集成电路和报警器制作实例.北京：
人民邮电出版社，2001.
附录A设计仪器
1、红外光电检测创新设计平台1台
2、示波器1台
3、万用表1台
附录B元器件列表
LM324
1片
74HC74
1片
热释电传感器
1个
菲涅尔透镜
1个
稳压二极管：
2.4V
1个
独石电容：
0.01uF
2个
电解电容：
4.7uF
1个
电解电容：
33uF
1个
电解电容：
100uF
2个
滑动变阻器：
10K
1个
轻触开关
1个
扬声器
1个
发光二极管
1个
电阻
若干
（注：
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