红外探测报警 电路设计

1、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

2、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.153.5.1 HEF4538B 触发控制电路.153.5.2 KD9561 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

3、件清单.29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

4、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。2 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

5、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。2.2.2 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

6、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 L

7、M324 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； 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

8、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

9、范围时，语音芯片驱动扬声器发出报警声，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 Altium Designer Summer 09 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 5

10、V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。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

11、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

12、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行放大，总增益大于 200。该模块的原理电路如图

13、 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TP1TP4 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

14、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的旁路作用会使放大器的高频响应变差，其频带的上限频率约为：12HfsR C (3-2)若fR的阻值较大(如本设计中为 1M)，放放大器的上限频率就会严重下降，同时fR、sC引入的附加滞后相位可能引起寄生振荡，因而会引起严重的稳定性-+问题。对此有两种解决办法，一个简单的方法是减小fR的阻值，使H 高出实际的应用频率范围，但这样做将使放大器的放大倍数下降(因fVinRAR )。为了保持放大器较高的放大倍数，更通用的方法是在反馈电阻fR上并

15、联一个补偿电容fC，使infR C网络与insR C网络构成相位补偿。infR C将引起输出电压相位超前，由于不能准确知道sC的值，所以相位超前量与滞后量不可能得到完全补偿，一般是采用可变电容fC，用实验和调整fC的方法使附加相移最小。本设计采用后一种方法来消除可能引入的寄生振荡，在进行电路调试时，根据实际情况来调整 C8、C9 的容值，使附加相移最小。可变电位器 VR1 用于调节第二级放大器的放大倍数，在电路调试时，可根据实际情况来调节信号的放大倍数，以达到最佳放大效果；对于第二级放大电路，因为本设计采用单电源的供电方式，为了保证其能工作在线性范围内，本设计通过电阻 R6 和 R8 分压，将

16、其同相端的直流电位抬高至 2.5V；二极管 D2、D3 接成相反的方向，主要是为了提高电路工作的稳定性，为后级电压比较电路提供稳定的电压信号。关于该模块电路放大前后的相位问题，由图 3-3 信号放大电路原理图可以看出，第一级放大电路中的放大器 U3A 的信号信号输入端为同相端，信号经放大后的输出波形将不产生相移；而第二级放大电路中的放大器 U3B 的信号输入端为反相端，信号经放大后将会产生 180的相移。3.3.2 电路参数计算下面根据电路的原理结构，对信号放大电路的相关参数进行推导计算，主要包括电路的增益、输入输出阻抗以及带宽等。1、增益图 3-3 所示的信号放大电路为电压串联负反馈电路，则

17、第一级放大电路的电压反馈系数为71111148711481111fVoRVjwCFVRjwCRjwCRjwC 74118474811811111RRjwCjwCRRRjwCjwCjwC 4871181174487117118117411R CR Cj wC C R RwR CR CR Cj wC C R Rw (3-3)上式中2f，取10fHz，则62.8/rad s，将810CnF，1110CF，41RM，710Rk代入式(3-3) 后发现其分子分母上的第二项，即虚部，约等于零，则反馈系数的值为48711841171140.1010.0110.101VR CR CFC RC RC R (3-

18、4)负反馈放大电路的一般电压增益(闭环)表达式为1VVFVVAAA F (3-5)其中，VA为基本放大电路的电压增益，VF为反馈网络的电压反馈系数。经查阅运算放大器 LM324N 的数据资料可知，其基本增益为 100dB，即510，则可得第一级信号放大电路的增益为51511099.91 100.011VFVAAAF (3-6)第二级放大电路为电压并联负反馈，其电压负反馈系数为91012102259910110591111VRfVoVRRRRVj CFVRj CRRRj CRj C9101510959101510991111VRVRRRRRj Cj CRRRRRj Cj Cj C 5991015

19、9910110105959101599101101011VRVRVRVRR CRRRjR CRRRCCR CRRRRjR CRRRCC (3-7) 上式中62.8/rad s，1VRR为电位器 VR1 接入第二级放大器输入电路的阻值，令式(3-7)的分子分母中的虚部为零，可计推出1VRR的表达式为1910259101VRRRRR C C (3-8)将62.8/rad s，51RM，910Rk，10100Rk，910CnF，1010CF代入式(3-8)中可得1VRR的值为 524k。第二级放大电路的电压负反馈系数为5991011025959101100.39VRVVRR CRRRCFR CRRR

20、RC (3-9)由式(3-5)可得，第二级放大电路的电压增益为5252102.631 100.381VFVAAAF (3-10)因此，信号放大电路的总的电压增益为121299.9 2.63262.74VFVFVFVFVFAAAAA (3-11)2、输入输出阻抗由于运算放大器 LM324N 的输入和输出阻抗在其数据资料上并没有给出，本设计对于信号放大电路的输入和输出阻抗不作详细的推导计算，只作定性分析。在电压串联负反馈电路中，由于fV与iV在输入回路中彼此串联，且极性相反，其结果导致输入电流iI减小，从而引起输入电阻ifZ(=iiVI)比无反馈时增加，增大倍数为1VAF，由此可见反馈愈深，输入阻

21、抗越大。对于信号放大电路的输出阻抗，由于电压串联负反馈电路能维持闭环电压增益VFA基本稳定，当输入电压iV一定时，输出电压趋向于维持恒定，输出电压恒定与输出阻抗低是密切相关的。显然，引入负反馈后，输出阻抗ifZ变小，并且反馈愈深，输出阻抗越小。3、带宽由上面对信号放大电路的增益的计算过程可知，该电路设计的带宽为 10Hz，这一带宽完全能够满足红外热释电传感器输出信号的放大要求。因为红外传感器用来检测人体发出的红外线信号，而人体移动的频率一般为几赫兹，这一频率范围在本设计的信号放大电路的带宽之内。3.4 电压比较电路该模块电路的设计仍然采用集成四运放 LM324 来实现，此时该运放工作于开环状态

22、下，电路原理图如图 3-4 所示。当热释电红外传感器外传感器探测到人体辐射的红外线信号并经信号放大电路放大后送给此窗口比较器后，若信号幅度超过窗口比较器的上下限参考电压，系统将输出高电平信号；无异常情况时，将输出低电平信号。图 3-4 电压比较电路图 3-4 中，运放 U3C 工作在开环状态下，以构成电压比较器电路；R11、R13、R21 为比较器 U3C 的同相端和反相端提供参考电压，同相端和反相端不同的参考电压形成比较器的回差电压。按照电路中给出的参数计算，比较器 U3C 反相端参考电压为13211113212020052.6220020200NCCRRUVVVRRR(3-12)比较器 U

23、3C 同相端的参考电压为2111132120052.3820020200PCCRUVVVRRR(3-13)由式(3-12)、(3-13)可得该电压比较电路的回差电压为2.622.380.24TNPVVVV (3-14)3.5 报警电路该模块电路由 HEF4538B 触发控制电路和语音芯片 KD9561 报警电路组成，HEF4538B 在电压比较电路输出的高低电平驱动下，输出一个脉冲宽度大约为 10s 的高电平信号，该信号加在 KD9561 语音芯片的报警控制端，由语音芯片 KD9561 驱动扬声器发出报警信号。3.5.1 HEF4538B 触发控制电路HEF4538B 是一款双单稳多频振荡器芯

24、片，本设计只采用其中之一。该模块的电路原理图如图 3-5 所示。图 3-5 HEF4538B 触发控制电路考虑到使用者主动清除报警信号的意愿，在设计该电路时，特地为该芯片的DC端设置一报警清除按键，在使用者按下按键时，报警信号立即停止。该模块电路输出高电平脉冲宽度由TCC、TCR管脚外接的电容和电阻值的乘积决定，在图 3-5 中，R14、C12 即为这两个管脚的外接阻容器件，则输出的高电平脉冲宽度约为6614121 1010 1010TCTCRCRCss 因此，在红外传感器探测到人体发出的红外线信号时，报警电路将产生约 10s 的报警声，以提示看守者有人进入监控区域。3.5.2 KD9561

25、报警电路语音芯片 KD9561 在触发控制电路的控制下，输出相应的报警信号。该芯片可输出四种报警信号，这可以通过改变音效选择端接法来选择，如表 3-1 所示。表 3-1 KD9561 音效选择对应表音效音效选择端接法SEL1SEL21警车声悬空悬空2消防车声DDV(接正极)悬空3救护车声SSV(接负极)悬空4机枪声任意DDV(接正极)本设计选择第一种音效模式，因此需将两个音效选择端悬空，图3-6 给出了该模块的电路原理图。图 3-6 KD9561 报警电路如图 3-6 所示，本设计采用单向晶闸管 MCR100-3 来控制语音芯片的供电状态，当单稳多频振荡器输出高电平时，晶闸管 Q1 触发导通，

26、语音芯片 KD9561 通电，驱动扬声器发出报警声音。为了有足够的功率驱动扬声器发声，本设计通过两级三极管放大电路来驱动扬声器。该模块电路的发生快慢，可通过语音芯片 KD9561 的 6、7 管脚之间的所接电阻 R18 来调节，本设计采用 240 k，在电路调试时，如出现扬声器发声过快或过慢的情况，可以更换适当阻值的电阻来进行调节。4 电路仿真本设计采用 Multisim 软件对所设计的电路进行仿真测试，该软件是美国国家仪器公司(National Instruments)开发的混合电路仿真平台，可进行模拟电路，数字电路以及微控制器系统等硬件电路的仿真测试。由于软件仿真的局限性，无法做到对整个电

27、路进行仿真测试，本设计将重点对信号放大电路和电压比较电路进行仿真，并对仿真结果进行分析综合，在此基础上，对本方案所设计的红外传感器报警电路的性能进行整体评估。4.1 信号放大电路仿真4.1.1 测试信号本设计以峰峰值为 20mV，频率为 10Hz 的正弦波信号作为测试信号，正弦波测试信号的波形如图 4-1 所示。图 4-1 正弦波测试信号波形由图 4-1 可知，本方案选取了两个时刻来进行验证，分别为124.756ms 和 175.439ms，对应的幅值分别为 9.999mV 和-9.996mV，即可说明正弦波测试信号的峰峰值为 20mV。4.1.2 放大电路输出波形将正弦波测试信号加在信号放大

28、电路的输入端来观察信号放大电路的输出波形情况，本设计将分别给出两级放大电路的输出波形情况。图 4-2 给出了第一级放大电路在零时刻的输出情况，其中第一幅图为正弦波测试信号的波形，第二幅图为第一级放大电路的输出情况。这两幅图对比可知，测试信号输入为 0V 时，第一级放大电路输出为29.500mV，即第一级放大电路存在约 30mV 的零点漂移电压。图 4-2 第一级放大电路在零时刻的输出情况图 4-3 第一级放大电路输出情况图 4-3 给出了第一级放大电路的输出情况，第一幅图为正弦波测试信号的波形，第二幅图为第一级放大电路的放大输出波形。在对仿真结果截图时，本设计选取了两个时刻来进行验证分析，分别

29、为 1.526s 时刻和 1.775s 时刻，它们分别对应正弦波测试信号的正最大幅值和负最大幅值。由仿真结果可以看出，在 1.526s 时刻，输入的正弦波测试信号幅值为 9.995mV，第一级放大电路在该时刻的输出为 788.282mV；在1.775s 时刻，输入的正弦波测试信号的输出幅值为-10mV，第一级放大电路在该时刻的输出为-778.813mV。从这两点的仿真结果可知，第一级放大电路的放大倍数约为 78，这与理论计算的结果基本吻合，验证了原理设计的正确性。此外，从仿真结果不难看出，经过第一级放大电路放大后的输出波形出现了轻微的相移，相位滞后小于 5，在误差允许范围内，这与理论分析的结果

30、是相符的。图 4-4 第二级放大电路在零时刻的输出情况图 4-4 给出了第二级放大电路在零时刻的输出情况。由该图可知，在零时刻第二级放大电路的输出为 2.513V。根据 3.3.1 小节的原理分析可知，为了使放大器能工作在线性范围内，通过电阻 R6、R8 分压电路将放大器的同相端参考电压抬高至 2.5V，这一点从仿真结果上得以验证。图 4-5 给出了第二级放大电路的输出情况，在对仿真结果截图时，仍然选取 1.526s 和 1.775s 两个时刻，以方便对整体的仿真结果进行分析说明。由图 4-5 可以看出，在这两个时刻的输出图 4-5 第二级放大电路的输出情况分别为 1.679V 和 3.313

31、V。由该级的仿真结果可以看出，经本级放大电路放大后，输出波形出现了接近 180的相移，这一点说明了理论分析的正确性。4.2 电压比较电路仿真将放大电路输出的信号加在电压比较电路的输入端后，电压比较电路的输出波形如图 4-6 所示。由仿真结果可知，电压比较电路输出的是方波信号，高电平为 3.156V，低电平为 1.842V。图 4-6 电压比较电路输出波形5 课程设计总结及体会传感器及应用系统课程设计是综合所学的电子技术基础和传感器技术而进行的一次综合性训练。设计者要学会灵活应用所学的电子技术基础和传感器技术相关知识对所设计的题目进行综合分析，查找相关资料，给出设计方案，并进行方案优化，在此基础

32、上完成所设计的题目。下面我将对本设计的题目红外传感器报警电路的设计过程及设计思路进行一下总结，然后谈谈本次课程设计的心得体会。5.1 课程设计总结我所选择的设计题目是红外传感器报警电路，通过该题目可以看出，要完成该题目的设计，需综合运用传感器技术、模拟电子技术和数字电子技术知识。设计该题目之前要明确一下几点：一、红外传感器的特性。设计者要了解常用的红外线传感器及其特性，该题目要求采用热释电红外传感器，这种传感器属于被动型红外传感器，所谓“被动型”是指它本身不发射红外线，而是靠接收自然界的红外线信号来完成红外信号的采集，然后转换成电信号(电压、电流、电荷)输出。明确了这一点之后，就可以确定，设计

33、该题目不涉及红外发射电路，即所要设计的电路为被动式红外传感器报警电路。二、信号调理电路的选择。这里信号调理电路包括滤波、放大、比较等。通常传感器的输出电信号都比较微弱，不能满足后级执行相应操作的电路的工作要求，因此需要采用适当大的放大电路来进行信号放大，放大电路的放大倍数可以根据后级电路的工作要求进行调整。另外，还要根据后级电路的输入要求是数字信号还是模拟信号，设计相应的转换电路(比较器、AD 转换器等)。对该题目分析后可知，后级报警电路需要触发信号，一般采用逻辑器件或微控制器(如单片机)来实现触发控制，因此完成该题目要涉及信号放大和比较电路。三、报警电路的触发控制。对报警电路的控制，可采用逻辑器件来完成，也可采用微控制器来实现。前者不涉及软件编程，采用逻辑器件的组合来实现，属于纯硬件设计；后者需要进行软件编程，属于系统型设计。综合考虑各方面因素，本设计采用前者来实现报警电路的触发控制。四、报警电路报警语音的产生需要采用 OTP