基于热释电红外传感器的报警系统Word文件下载.docx
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第四章Protel实现电路原理图的绘制及PCB设计19
4.1protel软件介绍19
4.2绘画原理图过程20
4.2.1打开Protell99SE20
4.2.2建立新设计，并设置保存路径21
4.2.3选择绘制原理图数据库类型22
4.2.4打开报警电路原理图23
4.2.5.最终完成电路原理图24
4.3PCB人工布局、人工布线设计25
4.3.1设计流程25
4.3.2网表输入25
4.3.3规则设置25
4.3.4元器件布局25
4.3.5布线26
第五章总结27
致谢28
参考文献29
附录30
第一章绪论
社会需求是传感器技术发展的强大动力。
随着现代科学技术，特别是微电子技术和信息产业的飞速发展，以及计算机的普及，传感器在新的技术革命中的地位和作用更为突出随着生活水平的不断提高，人们对自己所处环境的安全性有了更高的要求。
因此各种报警器应运而生。
许多城市小区、公共场合都安装了各种形式的防盗报警器，总的来说可分为主动式和被动式两种。
主动式报警器是通过主动发射红外线或超声波来发现探测物体。
具有损耗高、探测范围小的缺陷。
而被动式报警器探头本身不发出任何形式的能量，而是通过被动接收能量来实现探测，可以弥补主动式报警器的一些缺点。
随着半导体技术和新型材料的发展，热释电红外探测器在防误报能力、控制范围与可靠性方面有了很大程度的提高，可以满足多数环境下的使用要求，因此本设计选用热释电红外传感器来实现报警功能。
同时通过本次课程设计，使我更好的了解红外报警器的工作原理，知道主动式报警器和被动式报警器工作原理的区别。
通过本次设计与调试，提高了自己的动手能力。
1.2报警器的发展前景
传感器是获取自然领域中各种信息的主要途径和手段，是构成现代信息技术的三大支柱之一。
目前传感器设计的领域非常广泛。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程的各个参数，使设备工作在最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说没有众多的优良传感器，现代生产业就失去了基础。
新原理、新材料是发展传感器技术、研究新型传感器的重要基础。
每一种新原理、新材料的发现都会伴随着新的传感器种类的诞生。
传感器朝着微型化、智能化和多功能化发展。
1.3课题论述总体结构安排
第一章叙述了选题的目的及意义
第二章则主要介绍了传感器的定义及其主要组成部分。
大体上叙述传感器的工作原理。
第三章主要介绍报警器系统中的各种子电路及重要部件，主要叙述其功能如何实现及在整个报警系统中所起到的作用。
第四章是报警器的软件实现部分，讨论应用Protel软件来实现电路原理图的绘制以及印制板设计
第五章为总结和展望，总结本课题设计的总体思路，产品的功能以及对于产品功能升级等进行情景展望。
第二章红外传感器
2.1红外线
红外线是一种电磁波，位于可见光红光外端，是太阳光线中众多不可见光的一种，是红外测温技术的基础。
由德国科学家霍肯而于1800年发现，又称红外热辐射。
红外线具有：
1.热效应2.穿透云雾的能力强。
17～18世纪，许多物理学家认为，光具有波动的性质，有一定的传播速度，波长是它的特征参数并可以测量。
可见光的不同，反映了它们的波长不同。
在自然界中，任何高于绝对温度（-273度）的物体都能产生红外光谱，按照红外光的波长范围不同可分为近红外波段、中红外波段、远红外波段。
温度不同的物体，其释放的红外光就不同，红外光的波长与物体温度高低是相关的。
即温度越高，波长越短。
红外辐射与物质相互作用时能够产生热效应，能将肉眼看不到的红外辐射变为可测量的物理量，将红外辐射转变为电信号。
依据这一原理可做成红外辐射探测器。
2.2红外技术
红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。
红外技术的容包含四个主要部分：
1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；
2.辐射在煤质中的传播性—反射、折射、衍射合散射；
热电效应和光电效应等。
3.红外元件部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料合滤光电等。
4.红外技术在军事和国民经济中的作用。
由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元部件及系统；
既有材料问题，又有应用问题。
2.3传感器的定义
根据国家标准（GB7665-1987）,传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
（1）传感器是一种能够检测被测量的器件或装置。
（2）被测量可以是物理量、化学量或生物量。
（3）输出信号要便于传输、转换处理和显示，一般是电参量。
（4）输出信号要正确的反映被测量的数值和变化规律。
2.4传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路组成，如图2-1所示。
被测量电参量
敏感元件
转换元件
转换电路
图2-1传感器构成框图
（1）敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。
（2）转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出量转换成电参量的元件。
（3）转换电路将元件输出的电参量转换成电压、电流或频率的电路。
如果转换元件的输出已经是电压、电流，则不需要转换电路。
2.5热释电传感器（Pyroelectricinfraredsensor）
热释电红外传感器的主要材料，是钽酸锂（LiTao3）、硫酸三甘酞（LATGS）和钛锆酸铅（PZT），它是在钛酸钡一类压电晶体上，上下表面设有电极，并在表面加有黑色膜。
当有红外线间歇地照射时，其表面温度上升，使晶体内部的原子排列产生变化，即引起自发极化电荷。
称此现象为热释电效应，为热电效应之一种。
热释电效应产生的表面电荷是暂时的，只要它出现，便很快被空气中的各离子所中和。
为此，用热释电效应制作红外传感器时，多是在它的元件前面加有机械式的周期遮光装置，以便使自发极化电荷周期性地出现，只有检测移动物体时不用。
如图2-2所示热释电传感器实物图。
图2-2热释电传感器实物图
2.6热释电传感器工作原理
热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度变化而变化。
当恒定的红外辐射照射在探测器时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。
当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象被称为热释电效应。
由于热释电晶体输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用电阻将其转变成电压形式，该电阻阻抗高达10000兆欧，固引入N沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换。
此报警电路中采用双探测源热释电红外传感器，如图所示。
该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外线引起传感器的误测。
当环境改变时，两个晶体的参数会同时发生变化，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。
此图中D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出端。
如图2-3所示。
图2-3双探测元热释电红外传感器
2.7菲涅尔透镜（Fresnellens）
菲涅尔透镜，又名螺纹透镜，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，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及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，特性为面积大、厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜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。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
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。
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。
图2-4菲涅尔透镜实物图
2.8红外报警器
红外报警器分为主动式和被动式两种。
主动式红外报警器，是主动发出红外线，红外线碰到障碍物就会弹回来，被报警器探头接收。
如果探头监测到红外线是静止不动的，也就是不断发出红外线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。
当有会动的物体接触红外线的时候，探头就会检测到异常，就会报警。
被动式报警器少了发射红外线这一功能。
红外线报警器队温度敏感，温度越高的物体辐射出的红外线就越强，当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时，就触发报警。
在室温条件下，任何物品均有辐射。
人是恒温动物，红外辐射也最稳定。
探测器本身不发射任何能量而是被动接收、探测来自环境的辐射。
探测器安装数秒后就能适应环境，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，菲涅尔透镜就能聚焦使热释电传感器产生突变信号，而发出警报。
被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号放大、信号处理和报警电路组成。
被动式红外报警器是指探测器本身不发出任何形式的能量，是靠接收自然界的能量或能量变化来实现探测。
如图2-5所示其基本结构。
被测物体
菲涅尔透镜
热释电红外传感器
放大滤波电路
电压比较器
驱动器
报警器
图2-5被动式红外报警器的基本结构
第三章报警器硬件结构设计
3.1电源电路
图3-1电源电路原理图
整流桥对1,2端输入的10V交流电从而有利于后面的稳压管稳压。
直接采用芯片稳压，LM7805将电压稳定在5V直流电压上，由1端口输出。
LM7805为三端稳压集成电路。
常见的稳压集成电路有正电压输出的LM78XX系列和负电压输出的LM79XX系列。
三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子就像普通三极管。
LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为+5V,LM7909表示输出电压为9V。
LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
因为三端稳压集成电路的使用方便，电子制作中经常采用。
最大输出电流为1.5A,LM78XX系列输出电压分别为5V；
6V；
8V；
9V；
10V；
12V；
15V；
18V；
24V。
在LM78XX、LM79XX系列三端稳压器中最常应用的是T0-220和T0-202两种封装。
如图所示T0-220封装的图形。
图3-2LM7805T0-220封装图
LM7805参数表
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
输出电压
V0
Tj=25℃
4.8
5.0
5.2
V
5.0mA&
lt;
1o&
1.0A,Po&
15WVi=7.5vto20v
4.75
5.00
5.25
mv
线性调整率
△Vo
Tj=25℃,Vi=7.5Vto25V
4.0
100
Tj=25℃,Vi=8Vto12V
1.6
50
负载调整率
Tj=25℃,lo=5.0mAto1.5A
9
Tj=25℃,lo=250mAto750mA
4
静态电流
IQ
8
mA
静态电流变化率
△IQ
lo=5mAto1.0A
0.03
0.5
Vi=8Vto25V66
0.3
0.8
输出电压温漂
△Vo/△T
lo=5mA
Mv/℃
输出噪音电压
VN
f=10Hzto100KHz,Ta=25℃
42
μV
纹波抑制比
RR
f=120Hz,Vi=8Vto18V
625.0
73
dB
输入输出电压差
lo=1.0A,Tj=25℃
2
v
输出阻抗
R0
f=1KHz
15
mΩ
短路电流
1SC
Vi=35V,Ta=25℃
230
峰值电流
1PK
2.2
A
图3-3LM7805参数表
3.2报警执行电路
图3-4报警执行电路原理图
CX20106A为红外线/超声波接收专用芯片，可以将红外传感器接收的信号状变成标准的数字信号，发送到CX20106A的引脚。
芯片CX20106A的管脚（从左到右）说明：
1脚：
红外信号输入端，接红外接收管VDL.
2脚：
该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R或减小C,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动。
3脚：
该脚GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；
电容量小则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作。
4脚：
接地端
5脚：
该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大，中心频率越低。
列如，取R=200K欧时fn=42KHZ，若取R=220K欧，则中心频率f0≈42KHZ。
6脚：
该脚GND之间接入一个积分电容，标准值为330pf，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：
遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚：
电源正极，4.5～5V。
图3-5CX20106A实物图
3.3三极管反相电路
图3-6三极管反相电路原理图
用三极管9013将基极和集电极的电位反相，即在截止状态和饱和导通状态下的两种情况。
且三极管也起增益放大的作用。
R6,R7,R8均为偏置电阻，分别取值为10K，5.1K,10K。
3.4延时控制电路
图3-7延时控制电路原理图
此电路为RC延时电路。
IC4为8脚时基集成电路，只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
二极管主要起保护作用，防止继电器反相电动势击穿集成电路。
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它的各个引脚功能如下：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
低触发端
输出端Vo
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
TH高触发端。
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
图3-8555定时器实物图
3.5报警电路
图3-9报警电路原理图
IC5选用KD-9561四声模拟声集成电路，SELH1不接，则发出报警声，R10=240K以符合芯片要求，BL选用YD100-1型8欧姆，0.5瓦电动扬声器，由该KD-9761合三极管8050驱动。
3.6总体电路图
图3-10报警电路总原理图
3.7PCB板图
图3-11PCB板图
3.83D效果图
图3-123D效果图
第四章Protel实现电路原理图的绘制及PCB设计
4.1protel软件介绍
Protel99SE是澳大利亚ProtelTechnology公司推出的一个全32位的电路板设计软件。
该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件设计者可以容易设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真，是夜内人士首选的电路板设计工具。
使用电脑设计电路原理图和电路板图是把电子技术从理论运用到实际的第一步。
只有会设计电路原理图和电路板图才能进行电子产品的研发与开发。
本软件就是从理论走向实际，掌握电子产品开发的基本技术。
1进入Protel99SE环境
2、使用菜单File/New建立新设计数据库文件
3、使用菜单File/New在打开窗口选择SchematicDocument图标,建立新原理图文件
4、将原理图打开
5、设置画图环境
6、添加元件库
7、将所需元件从元件库中取出来,放置在图纸上，并且调整好位置
8、使用连线工具将元件连起来，设置元件属性,对元件进行编号
9、进行电气规格检查（ERC）
10、建立网络表，为制作电路板图做准备
4.2绘画原理图过程
由于本设计所涉及到的电路图都是由Protell99SE绘制，绘制过程如下：
4.2.1打开Protell99SE
出现如图所示界面
图4-1软件打开后的窗口
4.2.2建立新设计，并设置保存路径
图4-2新设计文件名的选择与保存路径的设置
4.2.3选择绘制原理图数据库类型
图4-3新设计数据库窗口
4.2.4打开报警电路原理图
图4-4新建电路原理图窗口
4.2.5.最终完成电路原理图
图4-5最终完成的电路原图
4.3PCB人工布局、人工布线设计
4.3.1设计流程
PCB的设计流程分为网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出六个步骤.
4.3.2网表输入
网表输入有两种方法，一种是使用PowerLogic的OLEPowerPCBConnection功能，选择SendNetlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图和PCB图的一致，尽量减少出错的可能。
另一种方法是直接在PowerPCB中装载网表，选择File->
Import，将原理图生成的网表输入进来。
4.3.3规则设置
如果在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话，就不用再进行设置这些规则了，因为输入网表时，设计规则已随网表输入进PowerPCB了。
如果修改了设计规则，必须同步原理图，保证原理图和PCB的一致。
除了设计规则和层定义外，还有一些规则需要设置，比如PadStacks，需要修改标准过孔的大小。
4.3.4元器件布局
网表输入以后，所有的元器件都会放在工作区的零点，重叠在一起，下一步的工作就是把这些元器件分开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。
PowerPCB提供了两种方法，手工布局和自动布局。
1）手工布局
1.工具印制板的结构尺寸画出板边（BoardOutline）。
2.将元器件分散（DisperseComponents），元器件会排列在板边的周围。
3.把元器件一个一个地移动、旋转，放到板边以内，按照一定的规则摆放整齐。
2）自动布局
PowerPCB提供了自动布局和自动的局部簇布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。
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