2009届优秀毕业论文(电子工程专业).doc

多路热释电式红外线感应声光报警器的设计学生姓名:轩俭东 学号:200505050005物理与电子工程系 电子信息工程专业指导教师:于新生 职称:副教授摘 要：本文结合社会的实际需要，通过对热释电式传感器的深入研究和探索，主要完成了对报警器的需求、现有报警器现状的分析、热释电传感器的性能和相关电子元器件电气特性的学习与研究，完成了多路热释电式红外线感应声光报警器的设计。关键词：热释电式传感器；被动式红外报警器；防盗报警器；菲涅尔透镜。引言热释电式人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件1。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线或入射红外线的能量变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如用于电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及x射线、射线自动报警等。现在，已得到越来越广泛的应用。1背景介绍及选题意义1.1选题的背景随着社会的发展和法律的完善，社会治安状况在不断的好转，但仍有不法分子以各种形式做些盗窃等违法行为，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。在庭院、仓库等处加装报警器不但能起到警示作用且能在一定程度上减少财产损失。传统报警器不能将人和动物的闯入区分开，容易引起误报警，我们利用热释电式传感器等对其改造，使它能对人的闯入能及时有效的发出报警信号。由于红外线是不可见光，具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、性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。1.2课题研究的目的及意义随着科学技术的迅猛发展，各类报警器层出不穷，目前国内使用的各类防盗、保安报警器大多是以超声波、主动式红外发射接收以及微波等技术为基础2。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了热释电红外传感器。这种热释电红外传感器是被动式红外传感器，能以非接触形式检测出移动人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动人体与其它生物和非生物。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。热释电式红外线传感器是一种被动式红外线传感器，能自发地探测周围环境中生物和非生物发出的红外线，当满足一定条件时就会发出警报。(2)灵敏度高、控制范围大。热释电传感器与菲涅尔透镜透镜配合使用能很大的提高其灵敏度和探测范围，有效距离一般可达10m以上。(3)隐蔽性好，可流动安装。热释电传感器体积较小，可安装于墙（屋）角、走廊、房檐等隐蔽处，加之是被动式传感器，自身不会发出红外线，一般不易被发现。1.3热释电式感应报警器的需求分析我国电子科技的发展水平不太高，虽然报警器种类繁多，但大部分高性能报警器因其价格等原因并不适合一般单位与家庭安装使用，采用热释电式感应传感器制作的报警器后级电路和辅助报警设施根据需要和使用对象可采用不同档次的电子元器件，从而把报警器划分为不同的层次，但这并不影响其性能的优越性与可靠性，热释电式感应传感器制作的报警器很大程度的扩大了高性能报警器的使用范围，也满足了各层次使用者的需求。2 技术支持2.1热释电式（红外线感应）传感器介绍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、硫酸三甘铁等制成的探测元件，其极化随温度的变化而变化3。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。另外热释电红外传感器由传感探测元件、干涉滤光片（即菲涅耳透镜）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。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0.220。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，因而能以非接触式检测出物体发出的红外线能量变化并将其转换为电信号。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。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，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1020米范围内人的移动，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的菲涅尔透镜除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光等可见光中的红外线和其它红外辐射拒之门外。2.2菲涅耳透镜简介菲涅尔透镜又称阶梯镜，即有“阶梯”形不连续表面组成的透镜。“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，又称环带透镜。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成，透镜在水平方向上等分成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。最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。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，当光线通过这些透镜单元后，便在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”。任何两个相邻的透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们连续而不重叠和交叉，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，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增强其能量幅度从而增强输出电信号3。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的视场，传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，导致传感器的温度变化而输出电信号。人体辐射的红外线中心波长为910m，而探测元件的波长灵敏度在0.220m范围内几乎稳定不变。菲涅尔透镜的窗口可通过光的波长范围为714m，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。随着科技的发展，有的菲涅耳透镜是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗同样能有效地滤除714m波长以外的红外线并形成盲区和高灵敏区，让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰和误触发。2.3电路设计与电路图绘制软件介绍在电气原理图的设计和绘制过程中主要用到了电脑辅助设计（CAD）软件Protel 99SE，Protel 99SE是澳大利亚ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，不但可以绘制电气原理图和PCB制版图，且能进行电气原理检查和仿真，人机界面友好，易学易用，是电子学专业必学课程，同时也是从业人员首选的电路板设计工具。3 系统总体设计本着简单、实用、易实现和便于根据使用对象的不同而选择不同成本的电路，并可根据需要加装不同的辅助报警设施的原则进行设计。由系统结构图（图1）可知，每个感应模块电路均配有一个触发与延时电路，便于根据使用环境的不同而设定不同的报警延时时间。3.1系统结构图感应电路触发与延时电路声报警电路光报警电路其它各路光报警输入若由触发电路直接控制则不需同路声光电路的输入声报警和光报警只需输入其中一个辅助报警电路其它各路声报警输入图1系统结构框图3.2各模块电路的功能介绍感应模块：功能为探测监视区域内是否有移动人体辐射出的红外线信号，当有移动人体辐射出的红外线信号时即输出一定的信号至后级触发与延时电路，使触发与延时电路状态发生变化。触发与延时模块：功能为根据从感应电路得到电信号电平的不同而处于不同的工作状态，控制后级电路工作，一旦得到触发信号即可使后级报警电路工作，由延时部分控制后级电路的工作延时。声光报警模块：功能为一旦触发与延时模块电路使其处于工作状态则立即发出声光报警信号，并由光报警部分指示出触发信号来自于那一个感应模块，即哪一个监视区域有人闯入。辅助报警模块：功能为将普通防盗报警器变成驱动其它负载的电路，辅助声光报警电路向主人或监视人员发出报警信号，也可推动其它记录性或攻击性等辅助报警装置工作。4系统各模块电路的设计与分析4.1感应模块电路设计与分析(1)利用集成电路HN911L的脚：HN911L为一体化热释电红外探测集成电路 ，灵敏度高、探测范围广，工作稳定可靠，其内部电路有：高灵敏度红外传感器、高效低噪放大器、温度自动补偿电路、信号比较鉴别电路、延时电路、高、低电平驱动电路等3。电路如图2所示，静态时，HN911L脚输出低电平，脚输出高电平（未使用），三极管无基极偏流处于截止状态，使Port 1处为高电平状态。当有人闯入并在HN911L的监视区域内（水平角为100度、垂直角为80度、距离为10m左右）移动时，人体辐射的微弱红外信号经其内部电路放大处理后，其脚输出高电平，VT导通，Port 1处变为低电平，使后级触发与延时电路状态发生变化，推动后级电路工作。图2 利用HN911L的1脚（2）利用集成电路HN911L的脚：静态时，HN911L的脚输出为高电平，二极管D1截止，三极管VT无基极偏流处于截止状态，Port 1输出为高电平，当有人闯入HN911L所监视的区域时，HN911L的内部电路状态发生变化，使脚输出为低电平，三极管VT导通，Port 1处变为低电平，促使后级电路作出相应变化。电路如图3所示图3 利用HN911L的2脚（3）利用热释电式红外线传感器：该电路由热释电式红外线传感器Q74和信号放大电路组成。电路如图4所示。静态时，由于红外线探测传感器Q74（需加菲涅耳透镜）的内部采用两个探测元件4，并将两个探测元件以反极性串联，不但抑制了由于自身温度升高而产生的干扰，且对周围发出的背景红外线辐射而引起的干扰也了很好的抑制作用，故在静态时Q74脚无电信号输出。当红外线探测传感器Q74探测到前方移动人体辐射出的红外线信号时，Q74的脚即输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成的第一级放大电路放大，再通过集成运算放大器LM358的脚输入到集成运放LM358中进行高增益、低噪声放大5，此时由集成运放的脚输出的信号电压已足够强，足以推动后级电路正常工作。图4 利用利用热释电式红外线传感器4.2触发与延时模块电路设计与分析(1)触发与延时模块电路1：主要由集成电路555定时器组成，电路如图5所示。时基集成电路NE555构成一只单稳态触发器6，它的脚为置位端，低电平有效；它的、脚为复位端，高电平有效（大于2/3电源电压即可）。其脚（即图中“输入”处）接上一级电路即感应电路的输出端，当上一级电路的输出为高电平时，电路处于复位状态，此时输出端脚（即图中“输出”处）的输出为低电平，后级电路不工作。当上一级电路的输出为低电平（即脚上的电压低于1/3电源电压时），由时基集成电路NE555构成的单稳态触发器即处于置位状态，其脚输出由原来的低电平状态翻转为高电平状态（最大负载电流达200mA）7，推动后级电路（即声光报警电路或报警器功能扩展电路）工作。当其脚上的电压由低电平变为高电平时，脚上的电压并不会马上变为低电平，而是等电流通过R2向C1充电，直到C1两端的电压上升至2/3电源电压时才促使其复位，脚转为低电平输出，其单稳态工作时间由R2+RP的值和C1的值共同决定，可按公式T W=1.1(RP+R 2)C 1 估算,延时时间范围为1551s。图5 触发与延时电路1（2）触发与延时模块电路2：电路如图6所示。当上一级电路即感应电路的输出为低电平时，二极管VD1的输出也为低电平，三极管VT因无基级偏流而处于截止状态，时基集成电路NE555脚处于高电平状态，电路处于复位状态，其输出端脚上的输出为低电平7；当上一级电路的输出为高电平时，三极管VT迅速饱和导通，于是555定时器被置位，其输出端脚的输出翻转为高电平，推动后级电路工作。图6 触发与延时电路24.3声光报警模块电路的设计与分析4.3.1声报警模块电路的设计与分析声报警电路主要由音响集成电路KD9561组成，电路如图7所示。电路简洁、灵敏度高，可根据需要模拟机枪声、警笛声、救护车声和消防车声，警声急促逼真8。此电路由上一级电路的输出作为KD9561的工作电源，上一级电路输出为低电平时KD9561不工作，当上一级电路输出为高电平时获得电源而立即进入工作状态，其输出端O/P即输出报警音频信号，但其输出的信号比较微弱，经三极管VT1、VT2构成的互补放大电路将此信号放大，推动扬声器发出宏亮的报警声。在安装报警器时可将一个声报警模块安装在对应的传感器探测范围内形成现场报警，对非法闯入者起到威慑作用，也可只使用公共声报警模块以便使监视人员作出相应处理。如果每一个监视区域均使用现场声报警和公共声报警则可实现双声报警以增强其报警作用。图7 声报警模块电路4.3.2光报警模块电路的设计与分析光报警电路不但要起到报警作用，而且可根据与其相连的第一级电路即感应电路监视的区域指示出盗情发生的位置，其电路如图8所示。光报警电路与声报警电路均连接到上一级电路的输出端，相当于上一级电路（触发与延时电路）的输出被分为两路输入到下一级电路，其中一路输入到声报警电路，另一路则输入到与之安装位置对应的光报警电路中，以便指示盗情发生的区域。所加的继电器均为常开继电器，对应的上一级电路输出为高电平时，继电器闭合，大功率照明灯即被点亮（可根据实际需要选用）。该部分电路报警时间与声报警电路报警时间均受上一级电路控制，与触发与延时电路置位时间相同。图8 光报警模块电路4.4辅助报警模块电路设计与分析图9 辅助报警模块电路辅助报警模块电路如图9所示，实际上是一个高灵敏度单稳态触发控制器。三极管VT的基极可并接在原来的声报警电路扬声器的两端，也可与光报警电路的电阻R 或触发与延时电路的输出端相连，使辅助报警具有区域针对性。当报警器不工作时，扬声器两端没有电压，故三极管VT处于截止状态，时基集成电路NE555的脚亦处于高电平状态，其脚输出低电平，继电器K不工作。一旦报警器报警，在报警器扬声器两端便产生信号电压，使三极管VT导通，在VT导通的瞬间导致NE555的脚电位低于1/3电源电压，于是NE555触发置位，其脚由原来的低电平变为高电平，此时继电器励磁吸合，同时发光二极管LED点亮发光，说明继电器K已处于吸合状态。当K吸合后，其常开触点同时闭合，使得交流接触器CJ励磁吸合，从而驱动更大功率的负载工作。继电器的规格可根据负载的功率而定。当报警器停止报警时，该电路并不一定马上中断工作，可能还要维持一段时间，其置位时间即工作延时时间取决于NE555、脚上的R3+RP和C3的数值，当两个元件数值的乘积越大时，其时间常数亦越大，可按Tw=1.1（RP+R3）C 3 估算（若此TW小于触发与延时模块的延时时间，则会被重复触发）。同时电源通过R3、RP向C3缓慢充电，当C3两端的电压达到2/3电源电压时，NE555内部的触发器翻转，使其的脚恢复为低电平，此时继电器K失电而释放，同时LED熄灭，使负载断电而停止工作。该装置的电源由电源变压器T降压，全桥整流、C7滤波，并有稳压集成电路AN7809稳压成9V供给电路工作。4.5电源部分电路图10电源电路电路如图10。该系统除光报警中大功率照明灯和辅助报警部分外均采用直流电源供电，它可以交直流两用：有市电时，市电由T降压,全桥U整流，C1滤波，7806稳压，采用7806稳压后的电源，此时由于二极管D3截止，电池BT1不供电，一旦市电停止供电则自动转换成电池BT1供电，市电复电后电池又自动停止供电，无间断误报。5总结与展望 以上各模块电路可根据不同的条件和需要，每部分选取一个电路灵活组合，具有灵活性、适用性和可靠性等优点，且电路简单。各模块间的连接可用导线直接将对应的输入输出端焊接起来，也可将三线耳机的插头和插座焊接到对应位置，使用时将对应模块顺序连接起来即可。由于其无可比拟的优越性，由热释电式传感器构成的报警器一定会在以后的防盗报警器中占据重要分量。参考文献1黄继昌,徐巧鱼,张海贵等.传感器工作原理及应用实例M.北京:人民邮电出版,1998:137-1432张洪润,张亚凡.传感技术与应用教程M.北京:清华大学出版,2005:184-2293陈尔绍.传感器使用装置制作集锦M.北京:人民邮电出版社,1999:63-844杨国治,杨照,韩淑梅.新颖实用电子制作148例M.北京:人民邮电出版社,1999:147-2055 童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2001:13-302 6 阎石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版,1998:348-352 7 吴定允,郭荣艳.电子电路实验教程M.石家庄:河北教育出版社2006:162-166 8 陈炜,钟实,洪明.精选家用电子制作电路300例M.北京:人民邮电出版社,1994:147-205Multi-channel type pyroelectric infra-red sensors, alarm sound and light design.Abstract: This article unifies the actual needs of society, Through the pyroelectric sensor in-depth study and exploration，Completed a maj