红外传感报警的设计.docx

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红外传感报警的设计

红外传感报警的设计

摘要：

随着社会的不断发展，防盗报警系统也越来越受到人们的关注。

在各种场合，防盗报警系统在保护财产安全上发挥的作用越来越大，因此研究功能完善，性能稳定的报警系统是很有意义的。

本课题设计的报警电路是一种基于红外热释电处理芯片BISS0001的热释电红外报警器，并重点阐述了其工作原理及其应用电路。

当有人在传感器前方警戒范围之内活动时，热释电器件将人体红外线信号转换成电信号输送给后续应用电路，驱动报警系统发出告警信号。

并介绍了目前一些常见的红外传感报警器和根据红外线原理制成的各种类型的探测器，以及他们的工作原理。

本文给出的这种基于红外热释电处理芯片BISS0001的热释电红外报警器，它电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护的目的。

关键词：

红外线、D203B人体红外探头、BISS0001、热释电红外报警器

TheinfraredsensoralarmDesign

Abstract：

Withthecontinuousdevelopmentofsociety,anti-theftalarmsystemisalsoreceivingincreasingattention.Onvariousoccasions,anti-theftalarmsystemintheprotectionofpropertysecurity,theroleplayedbygrowingresearchfunction,stableperformanceofthealarmsystemisofgreatsignificance.

Thesubjectofthealarmcircuitdesignisapyroelectricinfrared-basedchipBISS0001treatmentofpyroelectricinfrareddetectors,andfocusingonitsworkingprincipleanditsapplicationcircuit.Whensomeoneinfrontofthewarningsensorwithinthescopeofactivities,electricalitemswillbepyroelectricinfra-redsignalsintothehumanbodyelectricalsignalstransmittedtothefollow-upapplicationcircuit,driverwarningsystemtoissuewarningsignals.Andintroducethecurrentnumberofcommoninfraredsensoralarmandinaccordancewiththeprincipleofinfrareddetectorsmadeofvarioustypes,aswellastheirworkingprinciple.Inthispaper,basedonthepyroelectricinfraredchipBISS0001thetreatmentofpyroelectricinfrareddetectors,whichcircuittocovertinfraredalarmsystemappliesverywellinordertoachievetheanti-theftalarmfunctions,toachieveasafeprotectivepurpose.

Keywords:

Infrared,、D203Binfraredprobethehumanbody、BISS0001、Pyroelectricinfrareddetectors

前言

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。

现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。

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。

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。

可以把它利用在防盗报警系统中，它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。

早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。

直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。

近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

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：

●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。

第1章课题背景、原理

1.1红外线

1.1.1红外线的定义

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。

结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。

因此得到结论：

太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。

也可以当作传输之媒界。

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

如图1-1所示。

图1-1：

可见光光谱线

1.2红外线的应用

1.2.1红外线的物理特性

　在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。

所有高于绝对零度（－273℃）的物质都可以产生红外线。

现代物理学称之为热射线。

红外线的物理特性：

1.有热效应2.穿透云雾的能力强

1.2.2红外传感器

红外线传感器（Infraredtransducer）利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

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。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

1.2.3红外线的其他应用

红外线即波长在红光和无线电波之间的电磁波。

它不能引起视觉，有显著的热效应和衍射效果。

红外线的应用:

红外测温仪、红外夜视仪、红外遥感、红外摄像仪、红外望远镜、红外线追踪等。

红外线在家庭生活中也有广泛的应用，如：

通过特殊的设计将煤气燃烧所产生的热量转化为无焰燃烧红外线热所辐射传递，由于燃烧方式与传统机理上的革命，使红外线具有普通燃气灶所无可比拟的显著优势：

高效节能，环保健康，洁净卫生，安全可靠。

就像微波炉，微波炉又称微波烤箱，顾名思义，是一种利用微波辐射来加热食品的烤箱，在炉子的上方侧面装有磁电管，通电后产生微波，微波穿通食物，使食物内分子产生高温振荡、摩擦生热。

微波炉比一般烤箱烹制更快捷，并带有温度调控系统和定时器。

还有一种长波红外线，穿透皮肤的深度一般在0.05—1毫米，最多穿透3—5毫米，而短波红外线穿透力强，一般在1厘米。

短波红外线如不加防护对人体的眼睛有伤害，可使晶体混浊，蛋白质变化。

由于远红外线具有较好的热效应，会引起一系列的生理效应。

如：

1、改善人体微循环；2、提高免疫力，提高机体血液中吞噬细胞的吞噬功能，从而提高人体的免疫力和抗病能力；3、具有消炎、消肿的作用；4、有活血镇痛的作用；5、激活生物大分了的活性，活化组织细胞。

就像现在市场上的中脉远弘保健内衣就是利用这个原理。

此外红外线还可用作：

夜视仪，如探测人体热量、红外线成像；测距仪，如以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器；理疗机，如使用远红外线的热效应治疗；热寻的导弹，如跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇，等等。

第2章红外报警系统分析

2.1红外热释电处理

2.1.1热释电效应

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。

当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。

图1：

热释电效应的形成原理

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3 等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生--微弱电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；当人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

热释电红外传感器的结构及内部电路见图2所示。

传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。

其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。

滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。

热释电元件PZT将波长在8mm~12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只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耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

图2热释电红外传感器的结构及内部电路

图3菲涅耳透镜

菲涅耳透镜（图3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 （PIR） 灵敏度大大增加。

菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区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，这样PIR就能产生变化电信号。

如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。

2.2红外热释电处理芯片BISS0001

2.2.1BISS0001芯片的作用、特点和管脚功能说明

BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。

静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。

广泛用于安防、自控等领域能。

特点：

1、CMOS工艺；2、数模混合；3、具有独立的高输入阻抗运算放大器；4、内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰；5、内设延迟时间定时器和封锁时间定时器；6、采用16脚DIP封装。

其内部框图如图2-1所示，管脚说明见附录1。

图2-1：

内部框图

2.2.2特性参数和内部框图

极限参数（VSS=0V）

电源电压：

-0.5V~+6V

输入电压范围：

-0.5V~6V（VDD=6V）

各引出端最大电流：

±10mA（VDD=5V）

工作温度：

-10℃~+70℃

存放温度：

-65℃~150℃

直流特性参数：

（TA=25℃VSS=0V）

符号

参数

测试条件

最小值

最大值

单位

VDD

工作电压范围

3

5

V

IDD

工作电流

输出空载

VDD=3V

50

µA

VDD=5V

100

VOS

输入失调电压

VDD=5V

50

mV

IOS

输入失调电流

VDD=5V

50

nA

AVO

开环电压增益

VDD=5VRL=1.5MΩ

60

dB

CMRR

共模抑制比

VDD=5VRL=1.5MΩ

60

dB

VYH

运放输出高电平

VDD=5V

RL=500KΩ接1/2VDD

4.25V

V

VYL

运放输出低电平

0.75

V

VRH

VC端输出高电平

VRF=VDD=5V

1.1

V

VRL

VC端输出低电平

0.9

V

VOH

VO端输出高电平

VDD=5VIOH=0.5mA

4

V

VOL

V0端输出低电平

VDD=5VIOL=0.1mA

0.4

V

VAH

A端输出高电平

VDD=5V

3.5

V

VAL

A端输出低电平

VDD=5V

1.5

V

2.2.3工作原理

工作原理：

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

图2-2：

不可重复触发工作方式

以上图2-2所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。

不可重复触发工作方式下的波形。

首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。

然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。

由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。

COP3是一个条件比较器。

当输入电压Vc>VR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。

当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。

当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。

在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

图2-3：

可重复触发工作方式

　以图2-3所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。

可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。

在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。

在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

2.3电磁继电器

电磁继电器一般由铁心、线圈、衔铁、触点及簧片等组成。

线圈是用漆包线在圆铁芯上绕几百圈至几千圈。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，圆铁芯就会产生磁场，该磁场产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使簧片上的触点接通（常开）。

当线圈断电时，铁心失去磁性，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会离开铁芯。

由于簧片的弹性作用，故因衔铁压迫而接通的簧片触点就会断开，因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关，达到某种控制的目的。

继电器的“常开、常闭”触点可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称“常开触点”；线圈未通电时处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

如电路图（见附录3）中继电器K的3脚为动触点，4脚为常闭触点，5脚为常开触点，继电器的1、2两脚为电磁继电器的线圈两端，由于电磁继电器线圈需要一定的电流才能驱动，因此通常用三极管来驱动继电器，即Q1。

在电路中若有控制信号（高电平）V0输入到三极管的基极，则三极管导通，电磁继电器线圈（1、2脚）通电，此时线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动弹簧片，使触点3、4断开，3、5接通，接通负载，达到开关的目的。

第3章红外传感报警器实现

3.1红外传感报警器的设计原理

3.1.1红外传感报警器的设计原理和结构框图

本电路为被动红外报警器，该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。

被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

本课题中的热释电红外报警器主要由【被测目标】→【热释电红外传感器】→【信号处理】→【负载电路】组成其中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；热释电红外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。

当热释电红外传感器D203B探测到前方人体辐射出的红外线时，由D203B的2脚输出微弱的电信号，经C1、R2、R1、C2构成的RC带通滤波电路到BISS0001的14脚，经第一级放大器（14、15脚）进行第一级放大后由16脚输出，再由R5、RT、C4构成的阻容耦合到芯片的13脚输入到第二级放大器进行中第二级放大，当电路处于允许触发状态（VC>VR）时，检出有效触发信号VS（内部）启动延迟时间定时器，输出的控制信号VO（高电平）使三极管Q1导通，三极管Q1有放大电流的作用从而放大电流驱动继电器去接通负载，同时LED发光。

结构原理图：

3.2电路说明

3.2.1电路组成和各部分作用

电路各部分分析：

1、热释电红外传感器D203B：

当D203B探测到人体发出的红外线时，由D203B的2脚输出微弱的电信号，C1的作用是滤波，R1、C2组成低通RC滤波电路。

2、信号处理电路：

R7、CDS、R8串联组成一个分压电路，BISS0001的9脚电压即VC得值为（RCDS+R8）VCC/（RCDS+R8+R7）,因为光敏电阻CDS的阻值随着光的强度增大而减小，所以白天VC

3、负载电路：

继电器K的3脚为动触点，4脚为常闭触点，5脚为常开触点，继电器的1、2两脚为电磁继电器的线圈两端，由于电磁继电器线圈需要一定的电流才能驱动，因此通常用三极管来驱动继电器，即Q1。

在电路中若有控制信号（高电平）V0输入到三极管的基极，则三极管导通，电磁继电器线圈（1、2脚）通电，此时线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动弹簧片，使触点3、4断开，3、5接通，接通负载（课题中没有接负载）。

同时当三极管Q1导通时LED、R17、Q1构成一个回路从而使LED发光。

但由于电池继电器的线圈在断电瞬间线圈上可产生高于线圈额定工作电压值的30倍以上的反峰电压，该电压对电子线路有极大的危害，所以采用并联瞬态抑制二极管的方法加以抑制。

电路中的E2作用是去耦D1为整流二极管，防止有负电压输入！

此外当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16HZ，下限截止频率为0.16HZ。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1~10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。

本设计运用红外热释电处理芯片BISS0001进行两级放大，以使其获得足够的增益。

其他说明：

1、CDS:

光敏电阻（实验中没有焊接CDS，因为焊接CDS白天电路可能会不工作，所以在确认电路OK后，我选择了不要光控）

2、R8调整感应光的灵敏度

3、C9和R14调整延迟时间

4、J1选择接H可连续触发，接L不可连续触发

5、U2集成电路BISS0001请先焊接插座等焊好所有元件确认无误再插入

6、LED动作指示，探测到人LED点亮，继电器吸合

7、D203B人体红外探头请不要用手接触表面或用硬物体划伤表面

3.3课题应用

本课题所设计的热释电红外传感器具有价格低廉、技术性能稳定、开发使用简单等特点，除了可以用作报警器以外.还可以在众多其它领域有广泛应用，如机场、宾馆、商场等的自动门，会在人进出时自动地开启和关闭，自动开停的空调机、饮水机、电视机、自动拍摄人和动物活动的摄像机或数码相机等，随着电子技术发展，热释电红