人体红外辐射检测电路课程设计讲解

1、XX大学课程设计说明书2013/2014 学年第 2 学期学院：信息与通信工程学院专业：XXXXXXXX学生姓名：XX 学号： XXXXXXX课程设计题目：人体红外辐射检测电路设计起迄 日期：201X年05月26日201X年06月06日课程设计地点： XX大学5院楼513、606指导教师：XXX【目录】摘要 1关键词 1第一章课题要求1.1课题背景 21.2设计目的 21.3设计内容和要求 2第二章方案分析2.1课题名称 32.2主要功能 32.3设计思路 32.4实现原理 32.5主要过程 4第三章电路设计3.1 Protel 原理图 43.2电气规则检测报告 53.3信号检测放大电路 53

2、.4信号延时电路 53.5电压比较电路 63.6电源供电电路 7第四章PCB设计4.1 PCB布线图 84.2 PCB覆铜效果图 94.3线路焊盘图 10第五章Multisim 仿真Multisim 仿真电路图：5.1信号检测放大电路 115.2延时电路 11125.3电压比较电路145.4电源供电电路第六章主要元件介绍6.1元器件清单 156.2 主要元件介绍 156.2.1 热释电红外传感器RE200B- 1562 2 555 定时器NE555 176.2.3集成运放AD620 19第七章结果分析结果分析 19第八章设计心得设计心得 20第九章附录参考文献 20【摘要】红外辐射检测技术在各

3、领域都有广泛地应用，其中基于热释电传感器的人 体热辐射检测电路，通过对人体红外辐射的检测，进一步实现了对人体的识别 本文中所设计的红外检测电路设计了包含：信号检测放大电路、延时电路、电 压比较电路、电源供电电路四部分，分析了本检测电路的工作原理，并进行了 仿真论证。所设计的电路性能可靠、成本低、进一步完善后可应用于防盗、报 警、照明等诸多实用电路中。【关键词】热释电传感器红外检测MultisimProtel【第一章】课题要求1.1课题背景随着社会的不断进步和科学技术不断发展，基于热释电传感器的人体红外 检测电路价格低廉、制作简单、成本低，安装比较方便，性能比较稳定，灵敏 度高、安全可靠等特点，

4、应用前景广阔。1.2设计目的：本设计是在学习光纤传感技术、光电子技术的基础上，把光电器件应用于 红外辐射检测技术中，设计基于热释电传感器的人体热辐射检测电路，是在光 电信息综合应用方面开展的一次实践活动，以巩固所学知识、培养动手能力。1.3设计内容和要求：1）、掌握光电转换器的工作原理、性能，根据实际设计选用相应的光电检测器件；2）、掌握自然界物体辐射红外光谱的原理，理解近红外波段、中红外波段和远 红外波段的含义及其光谱特点；3）、掌握红外辐射检测电路设计的原理和组成，基于热释电红外传感器设计红外辐射检测电路，并在protel下画出相应原理图；4）、参考五篇相关论文。【第二章】方案分析2.1课

5、题名称人体红外辐射检测电路设计2.2主要功能（1）检测人体红外辐射（2）对检测到的红外波段范围进行区分（3）利用红、绿指示灯显示判断结果2.3设计思路1、利用热释电传感器感将红外辐射信号转换成电压信号2、将脉冲电信号进行延时3、利用电压比较电路对电信号所在范围进行判断4、利用变压器和整流电路将220v交流电变成5V直流电为电路供电2.4实现原理红外线是一种光线，是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外 热辐射（Infrared radiation）。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50卩m之间；中红外线，波长为1.506.0卩m之间;远红外线，波长为6.01000 卩m

6、之间。任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的 物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的， 而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在37 C左右，会发出10卩m左右特定波长的红外线。热释电红外线传感器是一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检 测出人体辐射的红外线能量的变化，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。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集 到热释电元件，该元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外 释放电荷。产生微弱的电压脉冲信号，由于脉冲信号不便于处理，利用运放

7、电 路对该脉冲信号放大，并通过延时电路将脉冲信号延时，后将该信号接入到由 运放组成的电压比较电路中，通过与事先设置的上限电压V1和下限电压V2比较，实现电压在所预先设定的电压范围内时红绿两个指示灯同时亮起，表示检 测到得红外辐射为人体红外波段。2.5主要过程红外辐射一热释电传感器一电压脉冲信号一延时电路一电压信号一电压比 较电路-指示灯【第三章】电路设计3.1 Protel 原理图利用Protel设计如上电路图，整个电路分为四部分：信号检测放大电路、 信号延时电路、电压比较电路、电源供电电路，并利用网络标号将三部分电路 连接。3.2电气规则检测报告2-Jan-20141& : 25:24Err

8、口:r Repor t For : DocunentsxSheet 1 .SchEnd Report3.3信号检测放大电路图中JP1代表热释电传感器 RE200B U1为运算放大器 AD620, JP1的2 管脚为信号输出端，将其与运放的输入端3管脚相连，当热释电传感器接收到红外辐射刺激时，产生脉冲电压，通过 JP1-3与U1-3，将信号传送至放大电路， 该电路电阻值为 R1=50 Q,放大倍率为 G，R仁49.4KQ / (G-1)，即G=1000， 上图所示放大电路将信号放大1000倍。3.4信号延时电路电压比较电路主要由两个运放 AR1、AR2构成，因为热释电脉冲电压微弱， 在人体热辐射

9、刺激下电压变化 1mv左右，经放大电路放大后为 1V左右，大致 在1V到2V之间，所以将AR1的负输入端和AR2的正输入端分别接入1V和 2V电压，作为与输入电压进行比较的参考电压，当输入电压值高于2V时AR1输出端为高电平，AR2输出低电平，即只有LED-D1亮起，当输入电压低于1V 时AR2输出端为高电平，AR1输出电压平，即只有LED-D2亮起，只有当输入 电压在1V到2V之间时，AR1和AR2才同时输出高电平，即 D1、D2同时亮 起，表示所测热辐射在人体热辐射范围内。3.6电源供电电路电源供电电路由两部分构成，一是由变压器构成的降压电路，即将 220V交 流电变成低压交流电，再通过桥

10、式整流电路将该交流电压信号转换为 5V的直流 信号，为整个电路供电。【第4章】PCB设计【PCB图】:LED* * t4S32 TpnflpoTRANSLQES2peAcQ3丄!I- t T WWW- dNQ pPN *CAP- _QI E LSI2U*RzsLJa利用Protel软件制作如上图示PCB电路图，采用双面制板，整个电路板长 约74mm、宽约62mm，经手动布线后，横向布线多在顶层采用红色连线，纵向 布线多在底层采用蓝色连线，横纵交错，使电路相互隔离，各元件排列紧凑， 连线密布，显示部分位于电路板中下部，左侧为热释电探测器部分，右上角为 电源接入部分和电源指示灯。【效果图】：HEA

11、DER 4X2OO利用软件的仿真功能，制作了如上图所示的效果图，上图展示了电路板的实 际制作效果，白色轮廓为各元件的实际封装，铜色线路为电路板顶层的实际布 线效果。【线路焊盘图】：上图清晰的显示了各元件在电路板的位置及连线、焊盘布局情况，展示了双面板两侧所有线路的连接情况【第5章】Multisim仿真【Multisim仿真原理图】：1、信号检测放大电路：luitiaeter-XD4 X上图中V2=1mv模拟了人体红外辐射引起的热释电输出电压变化，经过运放电路放大后，运放输出电压约为 1V，即实现了对输入信号的1000倍放大示波器对输入、输出信号的显示结果:电压信号经放大器放大后接入上图所示延时

12、电路，绿色波形代表输入信号，红色波形代表输出信号，由示波器显示可知，该延时电路实现了对信号的5倍延时。3、电压比较电路下图中V1、V2、V3三个电压分别代表了三个经放大、延时电路处理后的 信号电压，V2模拟人体红外辐射产生的电压值， V1、V3分别模拟高于人体和 低于人体红外辐射的物体。R1 3.0kQVCC:R3 4.QKQi|R4 1.0KQL4-3288RT3288RTU2 LED2当V仁0.9V接入电压比较电路，红灯亮起，即表示该物体产生的红外辐射 低于人体辐射。R1 3.0KQ1.2 V3288RTU24LED24LED1:1 R2 2.0KQ0.9 VU1vcc2 -brAAArJ

13、p-,.r.-r-R4 1.0KQ-E5-3288RTR3 4.QKQ当V3=2.1V接入电压比较电路，绿灯亮起，即表示该物体产生的红外辐射 低于人体辐射。R1 yokovcc5V:R3 4.0KQi|R4：1.0kQU13288RT4-U2 LED23288RT当V2=1.2V接入电压比较电路，红灯、绿灯同时亮起，表示该检测电路所 检测的电压在预先设定的电压范围内，即说明热释电所测红外辐射在人体红外 辐射范围内4、电源供电电路XMM1T11B4B421D1220 Vrms50 Hz0220V交流电经变压器降压后再经整流电路，变化为5V直流电源【第6章】主要元件介绍6.1元器件清单D22|AB

14、cD|1Part TypeDesignatorFootpri ntDescription2AD620AR (B)U1SOPBPrecision Instrumentation Amplifier3BRIDGE1D4FLY4Diiode Bridge4CAPC2RAD0 4Capacitor5CAPC3RAD04CapacitorCAPC1RAD0 4Capacitor7HEADER 3JP2DIPSDIPS3HEADER 4X2J卩1DIPS9LEDD2DIODEO 110IledD1DIODEO.711IledD3DIODEO.712JOPAMPAR2DIP4Operational Ampl

15、ifier1310PAMPAR1DIP4Operational Amplifier14RES2R1AXIAL0.5151RES2R5AXIAL0.516RES2R6AXIAL0.5171RES2R8AX1AL0.518RES2R2AXIAL0.5191RES2R3AX1ALO,520RES2R4AXIAL0.621 RES2R7AX1AL0.522TRA 忖T16666.2主要元件介绍621热释电红外传感器一一RE200B实物图:内部结构示意图:fflU 嘛涅尔ET灵敏元面积 2.0 X 1.0mm2 ;视场139 X 126 输出信号 2.5V（420 k黑体1Hz调制频率033.0Hz 带

16、宽72.5db增益）平衡度r85kOr(為十5kQT 2lD31W !&匸&1”(3) 各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端TR。3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，贝U时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“ 0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准 电压，当该端不用时，应将该端串入一只 0.01卩F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4

17、.5 16V，CMOS型 时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，(4) 555时基电路的功能表如下表示。清零端高触发端TH低触发端TRQ放电管T功能0XX0导通直接清零101x保持上一状态保持上状态1101截止置11001截止置11110导通清零623集成运放AD620AD620是一个低成本，高精度的仪表放大器，使用方便，仅需使用一个外部电阻即可设置增益。其放大倍数为1-10000，为精度考虑，在放大5000的时候最为准确。(1)实物图引脚排列如下图所示:(2)各管脚功能：P1与P8脚接外部增益设置电阻；P2与P3脚是输入端;P6脚是输出端；P4与P7脚接土 5V电源；P5是输入参考电压400mv【第七章】结果分析本次课程设计，通过对电路的原理分析和仿真论证，证明该电路可以利用热释 电传感器实现对热辐射的探测，将红外辐射信号转换为电压信号， 并能将微弱的电 压信号进行放大，将短暂的脉冲信号进行延时， 并利用电压比较电路对采集到的 电压信号进行大致的范围判断，从而实现了对人体红外辐射的探测和识别【第八章】设计心得心得体会：通过本次课程设计，更深入的了解了热释电传感器，555定时器，集成运放一一AD620等器件的运用，理解光电转换的原理 以及自然界物体红外光谱的