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河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计1河南工业职业技术学院HenanPolytechnicInstitute课程设计说明书题目热释电红外报警系统设计班级电子信息0701姓名王永贵指导教师韩艳赞老师时间2009年6月7日河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计2目录摘要………………………………………………………………………………31热释电红外探测器的分析………………………………………………41.1红外辐射概述……………………………………………………………41.2热释电红外探测器的结构……………………………………………41.3热释电红外探测器的工作原理………………………………………52被动式红外报警器的结构理…………………………………………73菲涅尔透镜及其工作原理……………………………………………74电路设计……………………………………………………………………94.1信号放大电路……………………………………………………………94.2电压比较电路……………………………………………………………104.3延时电路…………………………………………………………………104.4电源电路…………………………………………………………………114.5整体电路工作原理……………………………………………………11附图………………………………………………………………………………12元器件清单………………………………………………………………………13设计感想………………………………………………………………………14参考文献………………………………………………………………………14河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计3热释电红外报警系统设计摘要：红外科学技术是研究红外辐射的产生、传输、转换探测及应用的一种高新技术。军事应用是推动红外技术发展的主要动力。在历次战争中,红外技术曾显示出巨大的威力,它已成为现代军事装备的重要组成部分。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等,在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。另一方面,由于红外技术的独特功能,近年来,军用红外技术已逐步实现了向民用部门的转化。红外成像、红外测温、红外测湿、红外检测、红外报警、红外侦查、红外夜视、等已是各行各业争相选用的先进技术,红外技术在民用部门中发挥着日益重要的作用。随着社会的进步，人们对家居生活安全性的要求也越来越高，各种防盗探测器应运而生。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因而在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，随着半导体技术和新型材料的发展，热释电红外探测器的防误报能力、控制范围与可靠性都有了很大程度的提高，可以满足多数环境下的使用要求，因此，在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。关键词：热释电红外报警河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计41热释电红外探测器的分析1.1红外辐射概述在自然界中，任何高于绝对温度(一273度)的物体都能够产生红外光谱，红外光的波长范围在0．76～1000um，红外光谱学中将1～15um称为近红外波段；15～50um为中红外波段；50～1000um为远红外波段。温度不同的物体，其释放的红外光的波长就不同，因此，红外光的波长与物体温度的高低是相关的。由于红外辐射与物质相互作用时产生了热效应，能将肉眼看不见的红外辐射转变为可测量的物理量，依据这一原理，可做成红外辐射探测器。热释电红外传感器的外形如图1。1.2热释电红外探测器的结构热释电红外传感器的结构如图2所示，通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料，将敏感材料PZT的上、下表面做成电极，并在其上表面上加1层黑色氧化膜，以提高转换效率。在管壳顶端装有滤光镜片，它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。防盗报警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为8～河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计514um，而人体辐射的红外线波长在10um左右，因此，该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。由于热释电传感器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设场效应管(FET)及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。图2热释电红外传感器的结构1.3热释电红外探测器的工作原理热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达10000兆欧，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器，其结构示意图如图2所示。该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外，当环境温度改变时，两个晶体的参数会同时发生变化，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。该传感器使用时，D端接电源正极，G端接电源负极，s端为信号输出。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计6图3双探测元热释电红外传感器的结构图热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如图I所示图4热释电红外传感器的内部电路框图河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计72被动式红外报警器的结构原理被动式红外报警器的组成如图3所示。物体射出的红外线先通过菲涅尔透镜，然后到达热释电红外探测器。这时，热释电红外探测器将输出脉冲信号，脉冲信号经放大和滤波后，由电压比较器将其与基准值进行比较，当输出信号达到一定值时，报警电路发出警报。图5被动式红外报警器的组成框图3菲涅尔透镜及其工作原理菲涅尔透镜用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。其外形为半球，平面图形如图3所示。从图中可以看出，透镜在水平方向上分成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。昀上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均放大滤波电路热释电红外传感器菲涅耳透镜物体电压比较器驱动器报警器基准电压河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计8以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，如图3(b)。这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区(盲区)和明亮区(可见区)，使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元视场，(因为相邻透镜单元之间相隔很近)，传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和占区，还有聚焦作用，其焦点一般为5cm左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方1—5cm的地方。菲涅尔透镜的展开图和安装位置图如下.图6菲涅尔透镜的展开图和安装位置图菲涅尔透镜是根据法国物理学家FRESNEL发明的原理，采用PE(聚乙烯)材料压制而成的。菲涅尔透镜是多焦距的，因而其各个方向与不同距离对光线的灵敏度能保持一致。透镜与热释电红外探测器配合，可以提高传感器的探测范围。实验证明，如果不安装菲涅尔透镜，传感器探测距离为2m左右，而安装透镜后有效探测距离可达10～15m，甚至更远。这是因为移动的人体或物体发射的红外线进入透镜后，会产生交替出现的红外辐射“盲区”和“高敏感区”，从而形成一系列光脉冲进入传感器，该光脉冲会不断地改变热释电晶体的温度，使其输出一串脉冲信号。假如人体静止站立在透镜前，传感器无输出信号。图7为菲涅尔透镜检测示意图。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计9图7菲涅尔透镜检测示意图不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2m，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥昀大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到lOm。4电路设计该电路主要由热释电红外传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路，电源电路等组成。4.1信号放大电路由于热释电红外传感器的输出信号十分微弱，因此设计性能优异的前置放大电路就显的尤为重要。本系统设计的前置放大电路如图8所示。C1C2C3R2R1VT1R3R7R7R5R6R8C4C5R9R10R11VD1R12123FIR图8前置放大电路电路的核心为两片运算放大器，采用级联方式提高放大倍数。考虑到火焰的闪烁信号频率为低频信号，传感器的输出信号也以该频率变化，因此将放大器接成低通形式，截止频率为45Hz，两级电压放大倍数分别为Au1=120，Au2=4，总的放大倍数为Au：Au1xAu2=480=54db。河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计104.2电压比较电路LM324另外两个运放组成电压比较检测窗口，由R3,R5和R7,R8将高、低通放大器的(3)脚和(5)脚均设置为1／2Vcc，即3V。当红外传感器检测到人体的活动，其产生的微弱电压信号经过放大，传送到LM324的10,13脚时，用示波器可以检测到峰值约为5V的正弦波，那么无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为低电平，使IC2的(2)脚由高电平跳成低电平以便控制延时电路工作。静态时，LM324的(8)、(14)均为低电平，开关管截止，IC2的(2)脚仍为高电平，延时电路不工作。当红外传感器检测到人的活动，在输入信号的正半周时，13脚的电平高于12脚所加的2.6V比较电压，下比较器由14脚输出低电平，VD2截止；此时10脚电平高于(9)脚，上比较器输出高电平，VD1导通，其高电平使得开关管饱和导通，将IC2的(2)脚拉成低电平，致使延时电路工作。在信号负半周时，上、下比较器输出电平刚好相反，即(8)脚输出低电平，（14）脚输出高电平，VD2导通。可见，只要传感器检测到人体活动，无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为高电平，通过开关三极管从而控制延时电路工作。R1R5R3R4R6R2R10R9C4C5C6C3C1C2GNDGNDR7R11R8D1D2C7图9电压比较电路4.3延时电路R14和C6组成报警延时电路，其时间约为60s。人体离开传感器的探测范围后，其辐射的红外线信号消失，IC2B的7脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电河南工业职业技术学院电子工程系传感器课程设计11压高于其基准电压时，IC3的1脚才变为低电平，时间约为60s，即持续报警60s。由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为60s，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。4.4电源电路1234C10C11VD5BATTERYC9220V+12VGND图10电源电路4.5整体电路工作原理红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2①脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电