红外探测报警电路设计

摘要本设计给出了一种基于热释电红外传感器的被动型红外探测报警电路，该电路能探测人体发出的红外线，当有人进入传感器的探测区域内时，即可发出报警声。该红外探测报警电路在原理上主要由信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成，本设计将在对各个模块电路的功能及电路参数计算的基础上,实现模拟仿真，以对本设计提出的实现方案进行验证。关键词：热释电红外传感器；红外探测；报警目录1概述.....................................................12红外报警电路总体方案.....................................22.1总体方案框图...........................................22.2各模块电路功能说明.....................................22.2.1电源电路...........................................22.2.2信号检测电路.......................................32.2.3信号放大电路.......................................32.2.4电压比较电路.......................................42.2.5报警电路...........................................43模块电路设计.............................................53.1电源电路...............................................53.2信号检测电路...........................................63.3信号放大电路...........................................73.3.1电路功能分析.......................................73.3.2电路参数计算......................................103.4电压比较电路..........................................133.5报警电路..............................................153.5.1HEF4538B触发控制电路.............................153.5.2KD9561报警电路...................................164电路仿真................................................174.1信号放大电路仿真......................................184.1.1测试信号..........................................184.1.2放大电路输出波形..................................194.2电压比较电路仿真......................................245课程设计总结及体会......................................245.1课程设计总结..........................................255.2设计体会..............................................26参考资料..................................................27附录A红外传感器报警电路原理图............................28附录B红外传感器报警电路元器件清单........................291红外探测报警电路设计1概述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。在本设计中采用热释电红外传感器来进行被动式红外报警电路的设计，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。采用该种红外传感器设计的报警电路与目前市场上销售的大多数报警器材相比具有以下特点：●不需要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。由于具有以上特点，热释电红外传感器被广泛应用于各种防盗监控系统中，为人们所居住的环境的安全性提供了可靠保障。22红外报警电路总体方案2.1总体方案框图本设计采用热释电红外传感器来进行被动式红外报警电路的设计，该红外探测报警电路在硬件原理上主要由电源电路、信号检测电路、信号放大电路、电压比较电路以及报警电路组成，该电路的组成框图如图2-1所示。图2-1红外传感器报警电路总体框图2.2各模块电路功能说明2.2.1电源电路本设计采用市场上销售的成品直流电源供电，在电源电路中采用三端稳压器来产生各个模块电路所需的稳定电压。在电源电路的设计中，本设计采用目前应用最广泛78系列中三端稳压器来产生本设计电路所需的稳定电压，所选型号为意法半导体公司的L7805CV，该芯片最大输出电流为1.5A，完全能够满足本设计的要求。32.2.2信号检测电路该模块电路以热释电红外传感器为核心，将人体发出的红外线信号转换为电信号，然后传送给信号调理电路做进一步的处理。热释电红外传感器主要由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。本设计采用目前应用广泛的热释电红外传感器RE200B来实现红外探测，该传感器的红外探测单元由两个探测元组成，这种设计方式消除了由于振动、温度变化和太阳光而产生的信号干扰。干涉光滤光片采用菲涅尔透镜，其能将探测到的红外信号聚焦到探测元上，从而大大提高传感器的探测灵敏度。另外，用于探测元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要电阻将其转换成电压信号，故引入场效应管来实现阻抗变换。2.2.3信号放大电路该模块电路主要以工作在闭环状态下的运算放大器为核心，将信号检测电路输出的电压信号进行两级放大后，传送至电压比较电路进行波形变换。本设计采用意法半导体公司的LM324系列集成四运算放大器来实现信号的放大处理，所选用的芯片型号为LM324N芯片，该型号芯片具有以下特点：●具有1.3MHz的增益带宽；●高达100dB的电压增益；●低至375A供电电流；4●输入共模电压范围包含零电位；●输入偏置电流低至20nA；●具有宽泛的工作电压范围：单电源+3V到+30V，双电源1.5V到15V。2.2.4电压比较电路该模块电路以工作在开环状态下的运算放大器为核心，将信号放大点路输出的电压信号波形进行变换，当有人进入红外传感器的探测范围内时，使电路输出高电平控制报警电路发出报警声，否则输出低电平。该部分电路的实现仍然采用LM324系列运算放大器来实现，只是此时运放工作开环状态。2.2.5报警电路该模块电路以语音芯片为核心，根据电压比较电路输出的高低电平作出相应的反应。具体来说就是，电压比较电路输出的高低电平信号（上升沿信号）作为该模块单稳电路的触发信号，使该单稳电路输出一个脉冲宽度大约为10s的高电平信号，然后该将该脉冲信号加到语音芯片的控制端，使报警电路输出大约10s的报警声。本设计中采用国产语音芯片KD9561来产生报警声音，该芯片的控制端受单稳多频振荡器HEF4538B的输出信号控制，报警器响的时长可以通过配置HEF4538B的管脚TCC和TCRC的R、C值来实现。在红外探测器探测到有人进入到探测范围时，语音芯片驱动扬声器发出报警声，5实现红外探测报警功能。3模块电路设计本章将根据设计要求给出相应的硬件电路，在对电路分析和说明的基础上给出电路相关参数的计算过程。由于本设计将红外报警电路分为四个子模块电路来实现，在本章中将分节对各个模块的电路原理进行分析说明。需要说明的是，本设计中所给出的原理电路图均是在Altium公司的电路设计软件AltiumDesignerSummer09开发环境下编辑的。本章将按信号流向对各个模块进行分析说明，同时给出模块电路，在此基础上，给出完整的红外传感器报警电路。3.1电源电路本设计采用三端稳压器L7805CV来产生电路正常工作所需的5V电源电压，稳压器输出的5V电压提供了热释电红外传感器、运算放大器、单稳多频振荡器以及语音芯片正常的工作电压，该模块的电路原理图如图3-1所示。J1为直流电源插座，从市场上购买的直流电源的输出插孔可直接插入J1为本设计的硬件电路供电；SW1为电源开关，用于控制本设计硬件电路的供电状态；大电容C1、C2主要是为了减小因直流电源输出电压不稳定而对稳压器造成的损害；在三端稳压器L7805CV的输入端放置小电容C4，主要是为了去除高频干扰信号，如RF信号；小电容C5的作用是降低稳压器的输出纹波幅度。6图3-1电源电路原理图本设计中电源指示灯采用5mm红色低电流发光二极管，其工作电压一般为2V，工作电流2mA左右，则其限流电阻R1可用下式来确定：1CCFFVVRI(3-1)式(3-1）中，CCV为5V，FV为发光二极管的正向压降，FI为发光二极管一般的工作电流，考虑到LED的亮度以适当为宜，本设计中取限流电阻1R的大小为1k。3.2信号检测电路本模块电路的核心元件是热释红外电传感器RE200B，该传感器探测来自人体辐射的红外信号，并将其转换成电信号。由RE200B的结构特点及其应用手册的说明，本设计给出了图3-2所示的信号检测电路的原理电路图。图3-2中，U2为热释电红外传感器，本设计采用RE200B外完成人体红外线探测。上图中R2、C6、C7组成热释电红外传感器U2的电源滤波网络；U2的2脚输出端通过电阻R3下拉到地，以满足后级信号7图3-2信号检测电路原理图调理电路的输入电压要求。3.3信号放大电路本模块电路以集成四运放LM324为核心来对热释电红外传感器输出的信号进行放大到0~CCV，以满足后级电路的电参数要求。3.3.1电路功能分析由于热释电红外传感器的输出信号很微弱(峰峰值约为20mV)，不能直接驱动报警电路工作，因此需要设计信号放大电路来对其输出的信号进行适当放大。本设计采用两级放大电路对红外传感器输出的信号进8行放大，总增益大于200。该模块的原理电路如图3-3所示。图3-3信号放大电路原理图本设计采用LM324运算放大器来实现对热释电红外传感器输出的信号进行放大处理，该芯片内部集成四个运算放大器，在本模块的电路设计中应用其中的两个，如图3-3中所示的U3A和U3B。图中TP1~TP4为加入的测试点，方便对电路的各级输入和输出进行测试及观察波形情况。该模块所设计的放大电路，可将带宽限制在10Hz左右，可以很好的抑制高频噪声干扰。本模块电路的反馈回路中电容C8、C9为补偿电容，它们的作用现阐述如下：一般线性工作的放大器(即引入负反馈的放大电路)的输入寄生电容sC会影响电路的稳定性。放大器的输入端一般约存在几皮法的寄生电容sC，这个电容包括运放的输入电容和布线电容，它与反馈电阻fR(即上图中的R4、R5)组成一个滞后网络，引起输出电压的相位滞后，当输入信号的频率很高时，sC