热释电报警器 课程设计.docx

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热释电报警器课程设计

课程设计说明书

课程设计名称：

模拟电路课程设计

课程设计题目：

热释电传感报警器

学院名称：

信息工程学院

专业：

通信工程班级：

100421

学号：

10042134姓名：

吴涌涛

评分：

教师：

李翔文

2012年3月2日

模拟电路课程设计任务书

2011－2012学年第2学期　第1周－2周

题目

热释电传感器报警电路

内容及要求

1.有人接近时，热释电传感器报警电路发出报警，无人接近时不报警。

2.白天不起作用，晚上自动工作。

进度安排

1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：

2天；

2.领元器件、焊接、制作：

3天

3．调试：

2天

4.验收：

0.5天

5.提交报告：

本学期3～7周

学生姓名：

10042134吴涌涛

指导时间:

第1～2周

指导地点：

E楼601室

任务下达

2011年2月13日

任务完成

2011年2月24日

考核方式

1.评阅□√2.答辩□√3.实际操作□√　4.其它□√

指导教师

李翔文

系（部）主任

付崇芳

摘要：

随着社会的不断进步，电子技术的不断发展，人们的生活水平得到了很大的改善，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律，因此人们对自己所处环境的安全要求就越来越高，特别是家居安全，不得不时刻留意不速之客的光顾。

为此，许多小区，家庭都安装了报警系统，这有效的保证了居民的人身财产安全。

在本文中，介绍一种利用热释电传感器进行监控，并进行报警的系统的设计。

该报警器主要由热释电传感器及其检测电路，报警电路组成。

热释电传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。

检测电路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，从而实现报警功能。

关键词：

热释电传感器；信号处理；单稳触发器；报警电路

前言：

利用热释电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

　　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报警器则采用了美国的传感元件——热释电传感器。

这种热释电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。

目录

1概述……………………………………………………………………5

1.1设计任务……………………………………………………………5

2系统组成及工作原理…………………………………………………5

2.1系统工作原理………………………………………………………5

3设计说明……………………………………………………………8

3.1传感器设计…………………………………………………………8

3.2滤波电路设计………………………………………………………9

3.3一级运算放大电路设计……………………………………………10

3.4二级运算放大电路设计……………………………………………10

3.5延时电路设计………………………………………………………11

3.6驱动电路设计………………………………………………………11

4电路仿真………………………………………………………………12

5系统调试………………………………………………………………13

6结论……………………………………………………………………14

7附录……………………………………………………………………15

附录一元件清单………………………………………………………15

附录二电路图…………………………………………………………16

附录三方案二电路图…………………………………………………16

附录四核心芯片资料…………………………………………………17

第一章设计任务

1、有人接近时，热释电传感器报警电路发出报警，无人接近时不报警。

2、白天不起作用，晚上自动工作。

第二章系统组成及工作原理

1.系统框图

热释电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。

图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。

图2.1系统整体框图

信号采集：

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。

信号转换：

热释电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：

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。

信号检测报警：

通过NE555控制输出高低高平，实现发光二极管的放光和熄灭。

电源采用12V电压驱动运算放大器及报警电路、传感器。

3.报警器原理：

热释传感系统由传感器、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、太阳光的干扰，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；在探测范围内，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。

第三章基本电路设计

3.1传感器设计：

图3.1传感信号输出

在用multisim软件仿真时，无法在引入相关光学元件，故用直流电源与交流电源串联代替，再用单刀双掷开关模拟传感器发出的信号。

综合考虑人的移动速度和菲涅尔透镜的作用，交流输入信号设置为1Hz,1mV.。

如图3.1。

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，系统工作情况稳定。

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。

利用菲涅尔透镜透镜的特殊光学原理，在传感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。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

热释电传感器具有如下特点：

◆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。

热释电传感器的结构如图2.2所示（其中D接正电源，S为输入，G接地）。

其内部由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内冲入氮气封装起来。

图2.3为引脚功能。

图2.2内部结构

图2.3引脚功能

3.2滤波电路设计

图3.2滤波电路

在信号输入端，通过接入一个0.1uf的电容对输入信号进行滤波处理，由于信号变化缓慢，且很微弱，滤除信号中的高频干扰信号，确保信号的准确性。

3.3第一级放大电路设计：

图3.3第一级放大电路

第一级放大电路，采用ua741对信号进行初步的放大，放大倍数R4/R3,为了避免ua741运算产生自激，第一级放大倍数不易太大，R4取390

，R3取100

。

放大倍数：

，传感器信号输出与第一级放大电路采用电容C2耦合。

ua741（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

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这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

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图3.4Ua741引脚图

1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚

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图3.5ua741工作原理

3.4第二级放大电路：

图3.4第二级放大电路

第二级放大电路，同样采用ua741对信号进一步放大，放大倍数R7/R6，为了能给NE555输入一个高电平，第二级放大电路放大倍数应高些，R7取100

，R6取1

，放大倍数：

，经过三极管产生一个单脉冲。

3.4NE555单稳态延时电路

图3.5NE555延时电路

NE555时基电路的报警电路的作用是通过555时基电路来确定设计所需的报警声。

具体原理及其部分参数的确定是当前的信号经过三极管进入时基电路，作用于此电路，而这时报警电路就开始工作，从而达到报警的目的。

根据公式：

1.1R*C=t，设计报警时间。

3.6报警电路

图3.6驱动电路

当NE555管脚通过控制输出高低高平，实现发光二极管的放光和熄灭。

电源采用12V电压驱动运算放大器及报警电路、传感器。

第四章电路仿真

图4.1电路仿真

由于在用multisim软件仿真时，无法在引入相关光学元件，如，热释电红外传感器，故用直流电源与交流电源串联代替，再用按键开关模拟传感器发出的信号。

综合考虑人的移动速度和菲涅尔透镜的作用，交流输入信号设置为1Hz,1mV.。

图4.2一级放大电压值

第五章系统调试

1、找到需要的元件后，按照电路图将元件焊到板上后，接入12V电源，人靠近时，LED灯并没有亮起来，便以为是感应信号太微弱了，用手靠近，还是没有报警。

2、用万用表测试第一级放大信号，由于信号很微弱，万用表明显精度不够，遂用电子示波器测试信号输出，测试结果大概在10mv左右，第二级信号并没有放大，便对第二级进行了检查改进，增大了放大倍数，但结果并没有理想中的顺利，报警LED灯成了常亮，便又减少了第二级的放大倍数，但感应时报警灯还是未亮。

3、一次偶然的机会，发现通过触碰第一级的输入端，系统发出报警，觉得会不会是传感器给出的信号输出不够大，便用示波器对热释电红外传感器输出信号进行了测试，发现信号输出在正常范围内，为了以防万一，我们用函数发生器，模拟传感器信号输出，大概信号为1mv,频率在1hz。

但结果一样。

4、为了改善传感器的灵敏度，自己在电子市场购买了菲涅尔透镜，增大热释红外传感器的感应距离，但效果并没有得到很大的改善，应该不是信号接受输出端的问题。

5、慢慢的改变放大倍数，在放大器不自激的条件下，尽量的放大信号，在信号放大了1600倍后，在测试时，情况有了变化，在传感器上方，通过挥动手报警电路有报警反应，但是不是很灵敏，而且需要手的移动方向特定，但人离开时不产生报警，便再次稍稍的加大了放大倍数，再次测试是却再次失败了。

6、多次测试无果之后，我们决定换一种方案，采用热敏电阻的阻值变化引起差分放大电路的电压变化，从而获取一个瞬时信号，再对信号进行放大，通过比较器触发报警电路。

7、整个电路，采用4个LM324运算放大器构成，分别由信号输出电路，差分放大电路，二级放大电路，一般单限比较器，报警电路组成。

8、调节单限比较器的基准电压大小，使之与信号放大后的电压处于临界状态，通过信号的变化，引起比较器输出一个高电平，从而触发报警电路，而无信号输出是，比较器，输出一个低电平，报警电路不工作。

9、由于时间原因，未能加入光控电路，光控电路原理已在设计中有简单的说明。

而实验设计到此截止。

10、第一个方案，在原理上，并没有什么问题，但由于电路较为复杂，多次寻找造成问题的原因，未能找到。

相比较而言，第二个方案较为简单，但是感应度还是没有达到理想中的要求，而且结果不是很稳定，又是有手靠近，电路产生报警，又是需要手触摸才能产生报警。

第六章结论

定性测量是热释电传感器最大应用领域，它的基本原理是根据检测物（人体火焰）与背景辐射性质的不同检测目标存在与否人体的表面温度约为34℃，红外线峰值约为10µm，人体移动产生的信号相应于频率为0.1~10HZ，热释电的方法检测人体与可见光传感器相比，有几个特点，一是利用人体自身发光，不用其它光源，因而工作装置简单可靠，另外由于红外线不被人感觉，所以具有隐蔽性好的优点近些年来，热释电传感器除了用于遥感制导夜视主动雷达热成像气体分析辐射计测温等军事和工业场合外，它在消费电子电器产品中的应用正迅速增长目前应用最多的是检测人的传感器，比如用于防盗报警系统。

通过分析热释电传感器输出信号特性，对设计前放电路的噪声信号进行了分析研究，表明该微弱信号处理电路在低频时具有较高增益，频率特在1HZ附近比较平坦，对低频信号放大时失真小，能够有效滤除高频干扰，提高信噪比，满足热释电传感器输出对信号处理电路设计的要求。

但具体应用时，还应充分考虑实际探测环境对传感器输出信号的影响，合理选择设计信号处理电路，才能减少误差，最大限度的发挥传感器的探测作用。

参考文献：

[1]王振红，张常年.电子技术基础实验及综合设计[M].北京：

机械工业出版社，2007.

[2]刘笃仁，传感器原理及应用技术[M]西安；西安电子科技大学出版社，2003.

附录1

元件清单

元件：

数量：

热释电传感器

1

uA741运算放大器

2

NE555时基集成电路

1

10KΩ

6

100Ω

2

100KΩ

1

390KΩ

1

240Ω

1

4.7KΩ

1

2KΩ

1

20KΩ

1

47μF

1

1μF

3

0.1μF

1

0.01μF

1

22μF

1

IN4148二极管

2

9013三极管

1

发光二极管

1

菲涅尔透镜

1

导线

若干

附录2

总电路图

附录3

方案二电路图

附录4

核心芯片资料：

NE555时基电路：

555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器6脚A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

NE555管脚功能介绍：

1脚为地。

2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；

2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。

6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。

3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

5脚是控制端。

7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

NE555内部电路方框图：

内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。

（见下图）

图1NE555电路内部方框图

图2NE555电路引脚图

NE555常见应用：

Ua741集成运算放大器：

uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。

这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位

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uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：

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1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源8空脚

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ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS最大额定值：

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Symbol符号xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Parameter参数xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

UA741MxME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

UA741I

UA741C

Unit单位xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

VCC

Supplyvoltage电源电压xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

±22

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Vid

DifferentialInputVoltage差分输入电压xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

±30

VxME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Vi

InputVoltage输入电压xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

±15

VxME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Ptot

PowerDissipation功耗

500

mWxME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Toper

OutputShort-circuitDuration输出短路持续时间xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Infinite无限制

OperatingFree-airTemperatureRange工作温度

-55to+125xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

-40to+105

0to+70

℃xME838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

Tstg

StorageTemperatureRange储存温度范围

-65to+150

LM324：

　LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。

从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。

　　应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。

例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。

LM324管脚封装：

LM324基本参数：

运放类型:

低功率

　　放大器数目:

4

　　带宽:

1.2MHz

　　针脚数:

14

　　工作温度范围:

0°Cto+70°C

　　封装类型:

SOIC

　　3dB带宽增益乘积:

1.2MHz

　　变化斜率:

0.5V/μs

　　器件标号:

324

　　器件标记:

LM324AD

　　增益带宽:

1.2MHz

　　工作温度最低:

0°C

　　工作温度最高:

70°C

　　放大器类型:

低功耗

　　温度范围:

商用

　　电源电压最大:

32V

　　电源电压最小:

3V

　　芯片标号:

324

　　表面安装器件:

表面安装

　　输入偏移电压最大:

7mV

　　运放特点:

高增益频率补偿运算

　　逻辑功能号:

324

额定电源电压,+:

15V