人体红外线报警器的设计.docx

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人体红外线报警器的设计

人体红外线报警器的设计

[摘要]本课题是应用所学习的电路知识和Protel99SE知识，在学校已有的电路板、红外线传感器、信号放大电路设计一个能够实现检测并能发出警报的人体红外线报警器。

拟采用红外线传感器作为感应人体的基本器件，利用接收器对发射来的信号进行接收，同时采用发射器对信号进行发声分析处理，最后进行报警功能。

再利用学过的Protel99SE知识，根据功能需求进行电路板的绘制与调试，保证软硬件正常工作，完成产品相应功能。

人体红外线报警器主要功能是采用了红外线传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。

本设计电路主要包括信号放大电路、比较电路、音响报警电路、开机延时电路和12V电源电路组成。

分析人体红外线报警器的各部分功能电路原理，运用Protel99SE完成原理图的绘制，并制作电路板完成报警器，从而完成整个设计。

[关键词]红外线电压比较器放大电路报警器

Humanbodyinfraredalarm

Abstract:

ThispaperistheapplicationofthelearningcircuitknowledgeandknowledgeofProtel99SE,theschoolalreadyhasacircuitboard,aninfraredsensor,asignalamplificationcircuitdesigncanrealizedetectionandalarmofhumanbodyinfraredalarm.Theinfraredsensorasthesensingbodybasicdevice,usethereceivertotransmittoandreceiveasignal,whileusingthetransmittersignalsoundanalysis,finallyalarmfunction.ThenusingthelearnedknowledgeofProtel99SEL,accordingtothefunctionalrequirementsofcircuitboarddrawinganddebuggingofhardwareandsoftware,toensurenormalwork,completestheproductfunction.Humanbodyinfraredalarmsystemmainfunctionistheuseofinfraredsensors,ithastheadvantagesofsimplemanufacture,lowcost,isconvenientforinstallation,andtheanti-theftperformanceisrelativelystable,stronganti-interferenceability,highsensitivity,safeandreliable.Thisanti-theftdeviceconcealedinstallation,isnoteasytobethethieffound.Thedesignofthecircuitmainlycomprisesasignalamplifyingcircuit,acomparisoncircuit,asoundalarmcircuit,astartingdelaycircuitand12Vcircuit.Analysisofhumanbodyinfraredinductionalarmfunctionofeachpartofcircuitprinciple,usingProtel99SEcompletedaschematicdrawing,andusingMultisimsimulationdebuggingthecircuitalarmparameters.

Keywords:

Infraredalarmvoltagecomparatorcircuit

目录

第一章前言1

1.1本课题研究的背景以及现实意义1

1.2本课题对于专业知识的综合应用情况2

第二章人体红线报警器的工作概述及原理分析3

2.1人体红外线报警器的工作概述3

2.2人体红外线报警器总体电路原理图及其分析3

2.3各芯片以及器件介绍5

2.3.1集成运算放大器5

2.3.2集成运算放大器的基本应用5

2.3.3集成运算放大器的主要参数6

2.3.5芯片78L057

2.3.6变压器7

2.3.7红外线传感器8

2.3.8红外线传感器的优缺点8

2.3.9红外线传感器的抗干扰能力9

2.4.0菲尼尔透镜透镜9

2.5各单元电路模块介绍9

2.5.1红外线人体检测电路的介绍9

2.5.2信号放大电路10

2.5.3对信号放大电路的基本要求：

11

2.5.5电压比较器的功能作用12

2.5.6可用做电压比较器的芯片13

2.5.7音响报警器13

2.5.8开机延时电路14

2.5.9电源电路15

2.6.0表2-10人体红外线报警器元件清单16

第三章应用Protel99SE实现电路原理图的绘制及PCB设计18

3.1Protel简介18

3.2绘制电路原理图的主要步骤18

3.3PCB人工布局、人工布线设计18

第四章安装以及调试21

4.1元器件安装于调试21

第五章总结23

5.1设计功能分析23

致谢24

参考文献25

附录26

第一章前言

1.1本课题研究的背景以及现实意义

报警器（alarm），是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、

光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。

随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。

报警器可以分为：

气体报警器，燃气报警器，可燃气体报警器，防盗报警器，红外线报警器等等。

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，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。

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尼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。

随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产、生活密不可分。

而且人们自身的安防意识也在逐渐增强，尤其是在家居安全方面。

红外线具有隐蔽性，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范围。

所以，本学期我的毕业课题就是人体红外线报警器的研究。

该报警器能探测人体发出的红外线，当有人竟如报警器的监视区域内的时候，就出报警声，这主要适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要的场合。

本设计是经过分析利用热释电红外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报警器。

主要应用于扬州工业职业技术学院1B321宿舍，内容广泛，灵活应用。

设计该报警器主要是为了更好的掌握大学三年来所学的知识，对其加强巩固，同时在设计该报警器的同时也能让我对一些元器件有所认识，对它的原理，调试等等都有所掌握。

1.2本课题对于专业知识的综合应用情况

因为学习的知识的深度的限制以及实际情况的考虑，在设计电路的过程中，力求以最简单实用的电路来完成所需的功能。

同时也向我的指导老师钱松老师询问了相关的报警器电路知识。

电路部分应用Protel99SE软件进行了原理图的绘制。

然后再进行PCB板的设计与布线，最后再进行整个电路板的焊接与调试。

在整个设计过程中，应用了本人大学期间所学的《模拟电子产品的安装与调试》、《模拟电子技术》、《数字电子产品的安装及调试》、《电子产品的设计与制作》、《电子工艺标准化》、《电路原理图与电路板设计教程protel99SE》、《高频电子线路》、《电路分析基础》、《电气控制技术》、《数字电子技术》等多门专业课程。

本课题选题难度适中，设计过程能够对所学的Protel99SE绘制电路图、PCB图、然后再进行电路板的焊接与调试过程中也提高了自己的动手能力。

同时也可以重新巩固以前学过的电路知识。

这次的毕业设计对于我大学三年来学习过的有关电子的知识是一个很好的巩固过程。

也在实践过程中提高了实际造作能力。

第二章人体红线报警器的工作概述及原理分析

2.1人体红外线报警器的工作概述

红外线报警器由报警主机和红外探测器组成报警系统。

该报警器能探测人体发出的红外线，当有人进入报警器监视区域内的时候，采用红外线传感器作为感应人体的基本器件，利用接收器对发射来的信号进行接收，同时采用发射器对信号进行发声分析处理，最后进行报警功能。

主要由电路由红外线传感器、信号放大电路、电压比较电路、开机延时电路、音响报警电路和电源电路组成。

下图是整个设计的结构框图，这个框图大致把整个电路的构造进行了一个梳理。

组成框图如下：

图2-1人体红外线报警器整体结构框图

2.2人体红外线报警器总体电路原理图及其分析

人体红外线报警器就是由上述图的六个模块组成，主要是红外线传感器,信号放大电路，电压比较电路，音响报警延时电路，开机延时电路，电源电路这六部分组成。

电路中提供的电源是12V。

该设计的主要概念是当有人在报警器前面走过时，便会发出报警声，可以为作家庭防盗使用。

电路采用双元被动式热释电传感器作为红外线的接收传感器，经运算放大电路放大与处理后，将人体信号变成电信号，最后驱动蜂鸣器报警。

接通电源后，人体由于体温的存在，在人的周围会散发出一定的红外线信号，这个微弱的红外线信号被热释电传感器拾得后，在其信号端输出极其微小的电压信号，送入IC2的同相输入端13脚，在一级放大后，在1脚输出放大的人体信号，经C2、R9耦合后，送入IC2的2脚，经二级放大后，得到一个幅值较大的人体信号，经R8耦合，送入电压比较器，当人体信号出现正幅值时，其电压高于同相输入端的电压值，此时输出脚便输出低电平信号，C12上的电荷经VD5流入IC2的7脚，C12上的电荷得到释放，电压比较器的反相输入端低于同相输入端，此时输出信号输出高电平信号。

此间即使没有人体信号输入，由于C12上的电荷是通过R11进行充电，一时间C12上的电压也不会高于IC2的10脚，因此可以保持输出端的高电平输出，若此间一直有人体信号输入，则C12上的电荷将一直被释放，因此也将长期保持高电平输出。

电解电容C11，电阻R12组成开机延时电路，刚上电时，C11两端电压为0，与非门的输入端为低电平，其输出端为高电平，经反相后，IC3的11脚输出低电平，LED2熄灭，同时由于IC3的11脚与2脚相连，与非门被封锁，此时就算人体检测电路有信号输入，IC3的1脚输入信号被封锁，报警电路不工作。

当C11上的电荷充到足够多时，IC3的8、9脚电平达到高电平值，此时与非门翻转，经反相后，11脚输出高电平，指示灯LED2点亮，同时IC3的2脚也为高电平，此时与非门被打开，人体信号通道被打通，当有人体有效信号的高电平到来时，与非门输出低电平，经反相后输出高电平，从IC3的4脚输出高电平信号，驱动振荡电路工作。

电源电路采用变压器降压，输入220V交流市电后，在变压器次级输出9V交流电压，经全波整流、电容滤波后向三端稳压集成电路IC1供电，三端稳压电路具有非常好的稳压性能，在其输出端输出稳定的5V直流电压，为整机提供电源。

VT2、VT3等元件组成振荡电路，当VT1导通后，VT2、VT3组成的多谐振荡电路工作，产生的方波信号，经R15控制开关VT4，向有源蜂鸣器间断式供电，蜂鸣器中产生“嘟、嘟、嘟”的报警声。

当人体信号消失后一定时间后，VT1关断，报警电路停止工作。

图2-2是总电路图的设计。

图2-2人体红外线报警器总原理图

2.3各芯片以及器件介绍

2.3.1集成运算放大器

运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于电子电路中。

运算放大器的符号中有三个引线端两个输入端，一个输出端。

运算放大器除具有+、-输人端和输出端外，还有+、-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。

它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。

该电路图中的我主要是用了集成运算放大器，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。

2.3.2集成运算放大器的基本应用

◆差动输入级使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。

◆中间放大级由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。

◆输出级可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。

在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。

输出级一般为互补对称推挽电路。

◆偏置电路为各级电路提供合适的静态工作点。

为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。

2.3.3集成运算放大器的主要参数

◆运算放大器的符号

◆反向输入端和同相输入端分别用符号“-”和“+”标明

◆集成运放的主要基本指标

◆开环差摸电压放大倍数Aod

◆最大输出电压UOP-P

◆差摸输入电阻rid

◆输出电阻r0

◆共模抑制比KCMR-3dB带宽fn

2.3.4芯片LM324

LM324是四运放集成电路，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2-3所示的符号表示，它有5个引脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反向输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端

的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。

图2-3芯片LM324

LM324芯片特点主要如下介绍:

◆内部频率补偿

◆直流电压增益高（约100dB）

◆单位增益频带宽（约1MHz）

◆电源电压范围宽：

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

◆共模输入电压范围宽，包括接地

◆差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

◆输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

2.3.5芯片78L05

78L05芯片特点（如图2-8所示）

◆输出电压（V）:

6.200,输出电流最大值（mA）:

100

◆静态电流最大值（mA）:

6,压差最大值（V）:

2.300

◆压差典型值（V）:

1.700,输入电压最大值（V）:

20

◆低噪声,纹波抑制比高,具有功放输出保护,过热保护

◆过流及短路保护

图2-478L05芯片

2.3.6变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。

在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。

在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。

变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。

变压器的功能主要有：

电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。

变压器的主要主要功能有：

电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等，变压器常用的铁芯形状一般有E型C型等。

变压器的工作原理是：

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

变压器的技术参数有：

对不同类型的变压器都有相应的技术要求，如电源变压器的主要技术参数有：

额定功率、额定电压和电压比、额定频率、工作温度等级、温升、电压调整率、绝缘性能和防潮性能，对于一般低频变压器的主要技述参数是：

变压比、频率特性、非线性失真、磁屏蔽、静电屏蔽、效率等。

2.3.7红外线传感器

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器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。

在每个探测器内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，经装在探头内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米范围内人的行动。

2.3.8红外线传感器的优缺点

1.优点：

◆该元器件本身不发任何类型的辐射

◆该元器件功耗很小，隐蔽性好

◆该元器件价格低廉

2.缺点：

◆该元器件容易受各种热源、光源干扰

◆该元器件被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收

◆该元器件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

2.3.9红外线传感器的抗干扰能力

◆防小动物干扰：

探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。

◆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。

◆抗灯光干扰：

探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

2.4.0菲尼尔透镜透镜

菲尼尔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。

菲尼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。

菲尼尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。

菲尼尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用；二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P（被动红外线探测器）上产生变化热释红外信号。

2.5各单元电路模块介绍

2.5.1红外线人体检测电路的介绍

图2-5中人体由于体温的存在，在人的周围会散发出一定的红外线信号，这个微弱的红外线信号被热释电传感器拾得后，在其信号端输出极其微小的电压信号，送入IC2的同相输入端13脚，在一级放大后，在1脚输出放大的人体信号，经C2、R9耦合后，送入IC2的2脚，经二级放大后，得到一个幅值较大的人体信号，经R8耦合，送入电压比较器，当人体信号出现正幅值时，其电压高于同相输入端的电压值，此时输出脚便输出低电平信号，C12上的电荷经VD5流入IC2的7脚，C12上的电荷得到释放，电压比较器的反相输入端低于同相输入端，此时输出信号输出高电平信号。

此间即使没有人体信号输入，由于C12上的电荷是通过R11进行充电，一时间C12上的电压也不会高于IC2的10脚，因此可以保持输出端的高电平输出，若此间一直有人体信号输入，则C12上的电荷将一直被释放，因此也将长期保持高电平输出。

图2-5红外线人体检测电路

2.5.2信号放大电路

信号放大电路如图2-6，它主要是由运算放大器LM324（IC2D、IC2A）组成放大电路，由IR1的2脚输出微弱的电信号，经IC2D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IC2A的1脚输出的信号已足够强，输入电压比较电路。

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。

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。

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