红外线传感器毕业论文设计Word格式.docx

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感应器；

电压比较器；

放大电路；

热释电报警器

Abstract

Withthedevelopmentofmodernsociety,theprogressofthetimes,therapidintegrationintothehigh-tech,tremendouschangeshavetakenplaceinpeople'

slife,peopleforthepurchaseofalargenumberofhigh-techproducts,theuseofmanyhigh-techproductsincreasinglybecomethemainthemeoffamilylife,sopeopleonthesafetyrequirementsoftheirenvironmentismoreandmorehigh,especiallyisHomeFurnishingsecurity,hadtobeconstantlypayattentiontothecasualvisitortopatronize.Nowmanyareashaveasecurityguard,butinsomeruralareaswithoutthesefacilities,so,manyfamilieshaveinstalledanalarmsystem,theeffectiveprotectionofallpropertysafety.Inthispaper,introducesamonitoringusingpyroelectricinfraredsensor,designandalarmsystem.

Thealarmismainlycomposedofapyroelectricinfraredsensoranditsdetectioncircuit,alarmcircuit.Pyroelectricinfraredsensoristhekeydeviceforalarmdesign,itcanconvertinfraredsignalofhumanbodytotheelectricsignalforthesignalprocessingpartoftheuseof.Thedetectioncircuitismainlytoweakelectricalsignalsensoroutputamplification,filtering,delay,comparison,soastoachievethealarmfunction.

Keywords:

Infraredsensor；

voltagecomparator；

amplifiercircuit；

theheatreleasealarm

1.绪论..............................................................1

2.设计思路..........................................................2

3.1.1、热释电红外传感器优缺点....................................4

3.1.2、热释电红外传感器抗干扰能力................................4

3.1.3、菲涅尔透镜................................................4

3.1.4、BISS0001红外传感信号处理器...............................4

3.2、信号放大电路的概述...........................................5

3.2.1、信号放大电路的分析........................................6

3.2.2、集成运放的概述............................................6

3.2.3、集成运放的特点............................................6

3.2.4、集成运放的传输特性........................................7

3.2.5、芯片介绍..................................................7

3.3、电压比较器的概述..............................................9

3.4音响报警电路................................................10

3.5、开机延时电路.................................................11

3.6、12V电源电路.................................................11

5.1、multisim介绍................................................15

5.2、仿真电压和波形...............................................15

5.3、仿真结果分析.................................................22

致谢...............................................................24

参考文献...........................................................25

附录1：

元件清单....................................................26

附录2：

电路仿真图..................................................27

1绪论

1.1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：

1.不需要用红外线或电磁波等发射源；

2.灵敏度高、控制围大；

3.隐蔽性好，可流动安装。

1.2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，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。

本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析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。

容广泛，灵活应用。

2设计思路

热释红外传感系统由传感器、光学系统和检测电路三部分构成，其中传感器由敏感元（红外热释电材料PZT制成）、场效应管（作阻抗变换）、高阻Rg（释放栅极电荷使场效应管安全正常工作）和滤光片（有效地防止抑制电灯、太的干扰，选取人体的红外辐射）等组成；

热释电传感器前面安装菲涅尔透镜，使外来红外辐射通过透镜仅会聚光于一个传感元上，产生的信号不会被抵消，增加传感器的探测距离；

在探测围，传感器的输出信号频率大约为0.1—10Hz，检测电路由检测、放大、比较电路、延时电路驱动电路等组成。

最终将信号转化为发光二极管亮的光信号或蜂鸣器响的声信号。

图2-1热释电红外传感器部结构图2-2传感器部结构连接图

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。

图2-3人体红外线感应报警器组成框图

3热释电传感器概述

3.1热释电红外线传感器的概述

主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

在每个探测器装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头的场效应管放大后向外输出。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米围人的行动。

热释电红外传感器多用于检测物体发射的红外线，其检测区呈球形，视角70度左右。

热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅2cm左右，但热释电外传感器表面罩一块菲涅尔透镜后，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视围，检测距离可以由原来的2cm增加到10cm。

在防盗报警系统中所采用的热释电传感器为双元型红外传感器，双元型红外传感器由两个极性相反的热释电元件反向串联。

当移动物体发射的红外线进入透镜的监视围时，就会产生一个交替“盲区”和“高敏感区”，使传感器的两个反向串联的热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号。

若物体静止不动地站在热释电元件前，极性相反的敏感元件产生的热释电信号将相互抵消，它会无输出，这样也可以有效地防止因太等红外线及环境温度变化而引起的误差，提高热释电红外传感器的抗干扰性能。

热释电红外感应系统在防盗报警、自动门、自动消防水龙头、电梯、照明控制等领域应用最为广泛。

3.1.1热释电红外线传感器的优缺点

1.优点：

本身不发任何类型的辐射

器件功耗很小，隐蔽性好

价格低廉

2.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

3.1.2热释电红外线传感器的抗干扰能力

1）防小动物干扰：

探测器安装在推荐地使用高度，对探测围地面上地小动物，一般不产生报警。

2）抗电磁干扰：

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

3）抗灯光干扰：

探测器在正常灵敏度的围，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

3.1.3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。

3.1.4BISS0001红外传感信号处理器

BISS0001红外传感信号处理器是由运算放大器、电压比较器、和状态控制、延迟时间定时器、封锁时间定时器以及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。

可广泛应用于多种传感器和延时控制器。

图4为其引脚图，图5为其信号处理器的原理图。

图3-1BISS000引脚图

图3-2BISS0001红外传感信号处理器的原理图

3.2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。

信号放大电路如图3-1，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。

图3-3信号放大电路图

3.2.1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：

1.输入信号与输出信号反相；

2.无电压放大作用；

3.有电流放大作用；

4.功率增益最高（与共集电极、共基极比较）；

5.适用于电压放大与功率放大电路。

3.2.2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。

3.2.3集成运放的特点

1.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；

2.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；

3.采用复合管提高电路的增益；

4.电路中的无源器件都采用无源器件来代替。

3.2.4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。

3.2.5芯片介绍

芯片一：

LM358

1.芯片概述

LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压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3-4LM358引脚图

2.芯片特点：

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

共模输入电压围宽，包括接地

差模输入电压围宽，等于电源电压围

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

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;

2.主要用途

作为低频、低噪声前置放大，应用于机、VCD、DVD、电动玩具等电子产品。

3.3电压比较器的概述

电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。

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：

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3-5电压比较电路图

电压比较器如图3-3，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。

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阻并流入比较器部，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。

3.4音响报警电路

图3-6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。

3.5开机延时电路

图3-7开机延时电路图

如图3-6，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。

3.612V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3-812V电源电路图

4系统总电路分析

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。

图4-1系统总电路分析图

热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件,现在电子防盗报警设备研制中已得到广泛的应用。

利用该电路检测到有人进入防区时通过能量变化导致产生电信号,最终报警。

其工作原理如下:

一般人体体温是37°

C,所以会发出波长10μm左右的红外线,被动式红外传感器探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳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,经后续电路检测处理后就能产生报警信号了。

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

菲涅耳透镜的焦点一般为5厘米左右,除有聚用还可形成可见区和盲区,实际应用时一般把菲涅耳透镜固定在传感器正前方1～5厘米的地方。

当物体射出的红外线通过菲涅耳透镜后,传到热