热释电红外电子狗课程设计.doc

电子技术课程设计报告题 目：热释红外电子狗班 级： 测控 姓 名： 指导教师： 薛 原 起始日期： 2012.6.18 完成日期： 2012.6.29 摘 要通过介绍热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。这种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，达到了安全防护之目的。该报警器能探测人体发出的红外线，由热释电红外线传感器、biss0001信号处理芯片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：热释电红外传感器；biss0001；红外报警一 设计目的和要求1.1 设计目的通过对红外电子狗的课程设计，让我们掌握数字电路的基础知识，并且能熟练应用于工程设计，以及红外电子狗的原理及设计方法。熟悉掌握红外电子狗的调试方法，同时通过实验了解所学过的知识如何应用到实践中去，在实践和应用中发现自己存在的问题，及时的加以解决。1.2 设计指标要求功能要求：采用高灵敏度红外探头，无需声音、光线、震动，即使是漆黑的状态，窃贼一旦进入10米左右监控范围，热释红外电子狗就会自动检测并发出高强度报警声，可有效吓阻入侵人员。 供电：4节7号电池供电 器件：热释电红外传感器 、biss0001数模混合专用集成电路 、蜂鸣器、三极管、电阻电容等。二 电路的选择2.1 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0.80.95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10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m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10m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。2.2 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104m，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0220m。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。如图1所示。 图12.3 运用传感器和jc7780芯片制作报警电路 原理图如图2所示，当红外线传感器探测到人体辐射出来的红外线信号时，由传感器的2脚输出微弱的电信号，送入集成电路gc7780（图3）的14脚经运算放大器op1做一级放大，然后由c15耦合给op2进行第二级放大，再经双向鉴幅器（由电压比较器cop1和cop2构成）处理后，检出有效触发信号vs去启动延时时间定时器。gc7780的输出信号vo经二极管d1送入音乐片，音乐片受触发后工作，其输出端输出内储“滴”声电信号再经过q1和q2放大后驱动蜂鸣器发出报警声。 图2 图3 由于在实际制作时器件的限制，只有第一方案的器件，所以最终选择方案一。 三 电路设计及框图3.1 电路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。如图4所示。 图41、电源:由4节7号电池供电。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、biss0001: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。3.2 整机电路3.2.1电路原理图 图53.2.2 工作原理 本电路中主要采用的是型号为biss0001的集成电路。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报警器。广泛用于安防、自控等领域能。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。ic1内部的运算放大器op1将热释电红外传感器y1输出信号作第一级放大，然后由电解电容器c5耦合给ic1内部运算放大器op2进行第二级放大，再经由电压比较器cop1和cop2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号vs去启动延迟时间定时器，输出信号vo经r14驱动报警音乐片ic2工作，vt2和vt3构成复合三极管用来推动压电蜂鸣片发出声音。当电源开关k1在“off”位置时，电源经r2使vt1饱和导通，则ic1的9脚保持为低电平，从而封锁热释电红外传感器来的触发信号vs，电路不工作。当电源开关k1在“on”位置时，热释传感器经r1得电处于工作状态，vt1处于截止状态使ic1的9脚保持为高电平，ic1处于工作状态。c1、c13是电源滤波电容，led1和r17构成电源指示电路。四 器件的选择及介绍4.1 biss0001集成芯片 biss0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。如图6所示，引脚图及内部结构如图7所示。 图6 图7（a） 图7（b） 引脚名称i/o 功能说明1-可重复触发和不可重复触发选择端。当a 为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发。2-控制信号输出端。由vs 的上跳变沿触发，使vo 输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间tx 之外和无vs 的上跳变时，vo 保持低电平状态。3- 输出延迟时间tx 的调节端。4- 输出延迟时间tx 的调节端。5- 触发封锁时间ti 的调节端。6- 触发封锁时间ti 的调节端。7- 工作电源负端8-参考电压及复位输入端。通常接vdd，当接“0”时可使定时器复位。9-触发禁止端。当vcvr 时允许触发(vr0.2vdd)。10- 运算放大器偏置电流设置端。11- 工作电源正端。12-第二级运算放大器的输出端。13-第二级运算放大器的反相输入端。14-第一级运算放大器的同相输入端。15-第一级运算放大器的反相输入端。16-第一级运算放大器的输出端。4.1热释电红外传感器kp506b kp506b红外传感器实物如图8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9。 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10。kp506b内部功能图如图11所示。 图8 红外传感器感应方向 图9 kp506b红外传感器实物 图10kp506b 图11 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：2.0mm 1.1mm gap 0.9mm dual，双元2. 基片厚度为：0.5mm3. 窗口尺寸为：5.2 3.8mm4. 工作波长为：514um5. 平均过透率为：756. 输出信号为：2.2v7. 灵敏度为：3300v/w8. 探测率为：1.5 108cmhz1/2/w9. 噪声（vp-p）为：200mv (25)10. 平度度为：2011. 工作电压为：2.215v12. 工作电流为：8.524ua(25)13. 原极电压为：0.41.1v(25)14. 工作温度为：-20 +7015. 保存温度为：-30 +8016. 视场为：边缘角55 51 该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。4.3 菲涅尔透镜传感器本身的输出幅值相对较低，在实际使用中除了予以必要的放大外，与传感器相配套的还有一种特殊的光学系统一菲涅尔透镜。它是一圆弧形的，表面刻有细密v型槽的半透明的塑科透镜，工作时置于传感器的探头前，探头位于其焦点处，其作用是用来产生交替的“盲区”和“高灵敏区”，使探头感受的温度变化趋于剧烈。如图12所示。 图12采用菲涅尔透镜可使传感器的灵敏度提高10倍以上，由此看来，该透镜实际上属于一种“扰动型”元件。五 测试结果与分析 将电子狗的探测窗口对准要探测的场所或物体（根据实际情况调整安装角度），打开电源开关，经过30秒左右的开机延时后，电子狗进入工作状态，当有人进入电子狗的探测范围，电子狗就会发出报警声，15秒钟左右结束，经过2秒钟左右的触发封锁时间后若又有人进入探测范围，它将再次报警。在报警的时候可以关闭电源结束报警。 使用时报警声音变小或误报率较高时，应及时更换电池。经测试，正常。5.1心得体会和收获通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。本人在此次设计中收获颇多，毕竟看花容易绣花难吗！只有实践才是真理，只有在实践中才能出真知。总 结 通过这次对红外感应电子狗的设计制作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于充电器的原理与设计理念。此次课程设计是理论与实践相结合，不仅加深了我对理论知识的理解，而且极大地加强了我的动手能力，在犯错发现错误改正错误获得经验教训再犯错的循环中认识到自己的某些不足，也学到了许多暂时无法用言语表达的东西。通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。最主要的收获，具体如下： a）熟悉常用电子器件的类别、型号、规格、性能及其使用范围，能查找资料，查阅有关的电子器件图书等。 b)“学而不思则罔，思而不学则殆”、“多闻多见，以一贯之”，实践是检验真理的唯一标准，理论联系实际，多学多思，才能更好地掌握知识，发现自己的错误并能加以改正。墨子的 “言必有三表。何为三表？学习是一件快乐的事请。实习更是一件快乐的事情。能发现自己的错误与不足而加以改正，不亦说乎？最后，感谢薛原老师，感谢你给予我的指导和帮助。我觉得我会珍惜以后每一个课程设计的机会，在平时的学习中，也要学会自身的学以致用，将理论转变为实践。让这次课程设计给我带来更多的用处。参考文献1 黄继昌等编著