红外线报警器的设计与制作.docx

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红外线报警器的设计与制作

红外线报警器的设计与制作

[摘要]：

。

该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和报警指示电路等组成。

当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警信号，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。

概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。

利用热释电红外传感器设计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。

热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。

[关键词]：

被动式红外报警器；热释电红外（PIR）；传感器；热释电效应；菲涅尔透镜

Designandfabricationofinfraredalarm

Abstract：

Thealarmcandetecttheinfraredraysemittedbyahumanbody,composedofaninfraredsensor,asignalamplificationcircuit,avoltagecomparator,adelaycircuitandanalarmindicationcircuitetc..Whenthemonitoredareaintothealarm,canemitalarmsignals,suitableforhome,office,warehouse,laboratoryandotherimportantoccasionsanti-theftalarm.Thestructureandworkingprincipleofthermalinfraredradiationofknowledge,thepyroelectricinfraredsensorsareoutlined.Usingthepyroelectricinfraredsensortodesignakindofpassiveinfraredalarmcircuit,andanalysesthefunctionandworkingprincipleofthecircuit.Pyroelectricinfraredsensorhasmanyadvantages,insecurity,warningdevicewhichiswidelyusedin.

Keywords：

Passiveinfraredalarm;pyroelectricinfrared（PIR）;sensor;pyroelectriceffect;Fidellens

第一章绪论

1.1本课题的研究的背景以及现实意义

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及财政机构。

价格高昂，一般人们难以接受。

如果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。

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。

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，红外线声光报警器。

其外，可用红外报警器原理控制各种电器的运行。

1.2红外报警器分类及原理

红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警，主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。

主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束（此光束的波长约在0.8～0.95微米之间），经过光学系统的作用变成平行光发射出去。

此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。

由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。

正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。

目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。

一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。

被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。

人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。

人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10μm左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔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。

被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。

为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而报警。

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、控制范围大。

3.隐蔽性好，可流动安装。

1.3热释电红外传感器的原理特性

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。

双探测元热释电红外传感器的结构。

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。

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。

1.3课题论述总体结构安排

第一章叙述了红外线放到报警器的背景、分类以及基本原理。

第二章则主要介绍设计电路组成及框图。

第三章主要讨论单元电路的设计。

第四章是红外线报警器的整机电路和工作原理的阐述。

第五章为红外线报警器的安装与调试。

第六章为总结和展望，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。

第二章电路组成及框图

随着电子技术的飞速发展和日益普及，电子报警器已经在各企业事业单位和人们的日常生活中得到广泛的应用，红外线报警器可监视几米到几十米范围内移动的人体，当有人在该范围内走动时，发出报警。

其电路的组成框图如图2-1所示。

图2-1报警器电路的组成图

1．电源：

通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、稳压器的稳压得到5V的直流电压。

2．传感器：

传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件。

3．放大滤波：

是由集成运算放大器LM324和电容构成对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。

4．比较器：

这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1和U2作为参考电压（U1>U2）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人进入的情况。

第三章单元电路设计

3.1电源电路设计

直流电源（DCpower）有正、负两个电极，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流来为电路工作提供能量。

在设计采用的是5V的芯片，所以电路设计为5V的电源。

3.1.1整流滤波电路

1．整流电路

晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n型半导体和p型半导体结合形成的en结构成的，如图3-1（a）所示，en结具有单向导电的特性，常用符号表示如图3-1（b）。

图3-1二极管的en结构及符号

图3-2二极管的特性曲线

当en结加上正向电压（p区接正、n区接负）时，外电场使en结的阻挡层变薄，形成比较大的电流，二极管的正向电阻很小；当en结加上反向电压时，外电场使en结的阻

挡层变厚，形成极小的反向电流，表现为反向电阻非常大。

晶体二极管的正反向特性曲线如图3-2所示，即二极管具有单向导电性。

利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉冲直流电，其过程称为整流。

如图3-3是桥式整流滤波电路，其整流过程如下：

当交流电为正半周时，M点电压高于N点电压，D2、D4截止，而D2、D5导通，电流将从交流电源依次通过D2、RL、D5回到电源；当交流电为负半周时，N点电压高于M点电压，D2、D5截止，而D3、D4导通，电流将从交流电源依次通过D3、RL、D4回到电源。

这样通过RL的电流方向是固定的，UA始终大于UB，且UAB随交流电的起伏而波动。

如果将RL两端接入示波器会观察到如图3-4的整流波形②。

整流电路是把交流电变成直流电的电路，电路是二极管的单向导电性由四个二极管构成桥式整流电路，如图3-3所示。

图3-3桥式整流

图3-4交流、整流及滤波波形

2．滤波电路

电容（或电容量,Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为C，国际

单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板，也是电容器的俗称。

在负载RL两端并接上电容值较大的电解电容，如图3-3所示，可将脉冲直流电过滤成较平稳的直流电，称为滤波。

波形②将会变得较为平滑或成一条直线③。

滤波的基本原理：

电容C两端的初始电压为0。

接入交流电源U后，当U为正半周时，D2、D5导通，U通过D2、D5对电容充电；当U为负半周时，D3、D4导通，U通过D3、D4对电容充电。

由于充电回路等效电阻很小，所以充电很快，电容C迅速被充到交流电压的最大值Huma。

此时二极管的电压始终小于或等于0，故二极管均截止，电容不可能放电，故输出电压恒为Huma。

综上所述，交流电通过整流、滤波可以变成直流电，这就是一般稳压电源的基本原理。

3.1.2稳压电路

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。

LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5--32V电流1.5A不过在用的时候要注意功耗问题注意散热问题。

LM317有三个引脚，一个输入一个输出一个电压调节。

输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻（200左右）在输出引脚,另一个接可调电阻（几K）接于地。

输入和输出引脚对地要接滤波电容。

图3-5稳压电路图

典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%。

80dB纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。

稳压电路的原理图如图3-5所示。

当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317的引脚如图3-6所示。

图3-6LM317引脚

如图3-6所示1脚为调节脚、2脚为输出脚、3脚为输入脚，其中2脚与散热片的表面是连接的。

电源指示电路是由一个发光二极管构成，利用发光二极管的发光作用，指示电路的工作情况，当发光时说明电路正常工作，不发光时说明电路不工作，如果电路电流过大会把发光二极管烧毁这是就可以检查电源电路是否用开路或者短路的情况。

电源指示电路如图3-5所示。

3.2放大电路的设计

3.2.1反相交流放大器

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。

图3-7反相交流放大器

放大器采用单电源供电,由R1、R2组成

U+偏置,C1是消振电容。

如图3-7所示：

放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻I、Rf决定:

。

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I。

一般情况下先取I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。

3.2.2同相交流放大器

同相交流放大器的特点是输入阻抗高。

其中的R1、R2组成

U+分压电路,通过R3对运放进行偏置。

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定:

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，如图3-8示。

图3-8同相交流放大器

3.3比较器电路设计

单限比较器只能检测一个电平，若要检测Ai是否处于U1和U2两个电平之间，则需采用双限电压比较器（又称窗口比较器）。

双限电压比较器常用于工业系统控制中，当被监测的对象（如温度、液位）超出要求时的范围时，便可以发出指示信号。

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。

此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

当Ai>U2>U1时，A2输出+Co（sat）,A1输出为-Co（sat），故二极管VD2导通，VD1截止，Co则近似等于+Co（sat）；当Ai

其电压传输特性如图3-10示。

如图3-9使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为

运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。

输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ai>U1时，运放A1输出高电平；当Ai

运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。

图3-9双限电压比较器

双限电压比较器的电压传输特性如图3-10示。

图3-10双限电压比较器的电压传输特性

若选择U1>U2，则当输入电压Ai越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。

若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。

此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。

通过以上对电路的分析与设计，最终完成了5V电源的设计，也了解了LM317芯片的功能与作用和桥式整流二极管的工作原理与整流过程。

通过对LM324集成运算放大器性能和特点的分析，从各个方面了解了LM324集成运算放大器以及LM324构成的同相放器、反相放大器和电压双限比较器的原理并且以此运用在整机电路的设计中以发挥出良好的效果。

第四章整机电路及工作原理

通过对电路的分析设计完成了整机电路的总体设计原理图如附录1所示其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要是通过对交流电的变压、整流、滤波、稳压输出一个+5V的直流电压为后面的报警电路的正常工作提供电压；报警电路主要是由热释电红外传感器、LM324集成运算放大器、发光二极管、电阻电容构成。

传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压信号，由于此时的电压比较微弱所以要经过LM324的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。

下面是报警电路的工作流程与及电路的参数计算过程:

在电路中采用KP506B型热释电人体红外线传感器，当人体进入该传感器的监视范围时，传感器就会产生一个交流电压（幅度约为1mV），该电压的频率与人体的移动速度有关。

在正常行走速度下，其频率约为6Hz。

电路中，R3、C4、C5构成退耦电路，R1为传感器的负债，C2为滤波电容，以滤掉高频干扰信号。

传感器的输出信号加到运算放大器A1的同相端，A1构成同相输入式放大电路，其放大倍数取决于R4和R2，其大小为:

Auf1=

A1放大后的信号经电容C6耦合至放大器A2反相输入端，A2构成反相输入式放大电路。

电阻R6、R7将A2同相端偏置于电源电压的一半,A2的增益取决于R8、R5，其大小为

Auf2=

因此，传感器信号经两级运放总共放大了Auf1×Auf2=112×（-42）=-4704倍，当传感器产生一个幅度为1mV交流信号时，A2的理论输出值为-4.704V。

A3和A4构成双限电压比较器，A3的参考电位为:

U3=

×5=3V

A4的参考电位为:

U4=

×5=2V

在传感器无信号输出时，A1静态输出电压为0.4～1V之间；A2在静态时，由于同相端电位为2.5V，其直流输出电平为2.5V。

由于UB<2.5V

因此，在静态时，LED1和LED2均不发光。

当人体进入监视范围时，双限比较器的输入发生变化，当人体进入时U3>3V,因此A3输出高电平，LED1亮；当人体退出时，U3<2V，因此A4输出高电平，LED2亮。

当人体在监视范围内走动时，LED1和LED2交替闪烁。

电路中的C7、C9为退耦电容。

C1、C3、C8用于保证电路对高频干扰信号有较强的衰减作用，对于低频信号有较强的放大作用，当按图中取值时，在0.1Hz～8Hz的频段内具有较好的频率响应曲线，以满足对热释电传感器输出的放大要求。

另外，若利用Co信号去控制报警器，还可以实现音响报警；若利用Co信号去控制继电器或电磁阀，还可以实现自动门、制动水龙头的自动控制。

图4-1红外线报警器的电原理图

图4-2红外线报警器的PCB图

第五章电路制作及调试

5.1元件介绍

1.KP506B红外传感器

KP506B红外传感器实物如图5-1所示。

红外线传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。

红外线传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。

在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环，如图5-2。

如果只看实物可能分不出红外传感器的引脚，常用的红外传感器金属装封的，有个窗口，接地的引脚是和外壳相通的，这较好分别，另外两个引脚与地引脚电阻都很大，很难分别。

如果是自己安装这个元件安装时引脚要尽量短，远离其它发热元件，除了窗口，其它的元件最好用厚纸隔开，否则你装好后误差也大，就是受干忧大，常误触发。

常见的引脚位置如图5-3。

KP506B内部功能图如图5-4所示。

图5-1红外传感器感应方向图5-2KP506B红外传感器实物

图5-3　KP506B5-4　KP506B内部功能图

KP506B的基片材料是硅材料，采用的是T0-5封装，尺寸参数为：

1.灵敏元面积为：

2.0mm1.1mmGap0.9mmDual，双元

2.基片厚度为：

0.5mm

3.窗口尺寸为：

5.23.8mm

4.工作波长为：

5～14um

5.平均过透率为：

>75％

6.输出信号为：

>2.2V

7.灵敏度为：

3300V/W

8.探测率为：

1.5108cmHz1/2/W

9.噪声（Cp-p）为：

<200mV（25℃）

10.平度度为：

<20％

11.工作电压为：

2.2～15V

12.工作电流为：

8.5～24uA（25℃）

13.原极电压为：

0.4～1.1V（25℃）

14.工作温度为：

-20℃～+70℃

15.保存温度为：

-30℃～+80℃

16.视场为：

边缘角55°51°

2.LM324集成运放

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。

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。

图5-5LM324引脚图

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

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5-12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5-11。

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（LM324A）。

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。

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。

图5-6集成运算放大器图5-7LM324封装引脚图

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,四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图5-12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