基于热释电红外线传感器的自动报警器课程设计

PAGEPAGE18课程设计（论文）题目：基于热释电红外线传感器的自动报警器设计院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：摘要随着近几年我国电子技术的不断发展，许多原先的高端电子产品也逐渐步入人们的生活。现在价格低廉的热释电红外传感器得到了很大的普及。原本用于控制感应门的热释电红外传感器也进入了人们的生活安全保障中,在保护各方面安全工作中起着至关重要的作用。本次设计的热释电传感器报警器能够应用于家庭、商场、仓库的夜晚自动值守防盗保护。光敏电阻感受到的光亮越少电阻越大，依据此特性用它来作为热释电红外线传感器的开关电路。而热释电传感器在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出控制信号，控制大功率报警装置发出声光报警信号。本次设计利用上述的传感器，可以实现在夜晚自动进行监控报警，给夜班值守人员减轻了负担，为社会节约了资源，创造了价值。经过分析、仿真后，本次的电路设计具备了相应的报警灵敏度与报警能力，总体水平基本达到了课程设计的要求。能够运用在家庭、商场、仓库等需要夜晚自动值守防盗保护的场合，为人们的日常生活带来了方便，更为私人财产和公共财产的保护起到了一定的作用。关键字：热释电红外线传感器；光敏电阻；报警器；555定时器目录第1章绪论 1第2章方案论证 32.1热释电传感器报警器设计要求 32.2系统设计方案选择 32.2.1方案一 32.2.2方案二 3第3章电路设计 63.1传感器电路设计 63.2光敏电路设计 83.3555定时器电路设计 93.4报警电路设计 93.5电源电路设计 11第4章仿真与调试 12第5章课程设计总结 15参考文献 16附录Ⅰ 17附录Ⅱ 18第1章绪论热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。目前国内、外使用的各类防盗、安保报警器大多采用的是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。它们均采用的是监测接收到的经反射回来的信号有无异常来判断有无入侵者。识别效率低，容易误报警，而热释电红外传感器(简称PIR)是80年代发展起来的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，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。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。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。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，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，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10~20米范围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，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。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。菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。被动式热释电红外探头具有本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。利用热释电传感器监测环境变化，进行信息传输进而完成报警功能的系统主要用于家居安全，探测夜间有无人员闯入，该系统方便、稳定，十分适合家庭财产的保护。这里所设计的被动式报警器采用的是热释电红外线传感器，是一种被动式的红外传感器，它本身并不向环境中发射检测用的红外线，只是被动的接受，因此这种热释电传感器能以非接触形式检测出人体辐射出的红外线，并将其转化为电压信号。同时，它还能辨别出运动的生物与其他非生物，应用范围十分广泛。热释电传感器既可应用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关及遥测等领域。第2章方案论证2.1热释电传感器报警器设计要求本设计要求利用热释电红外线传感器和光敏传感器设计制作一套防盗报警系统，使之适用于家庭、商场、仓库的夜晚自动值守防盗保护。经过分析，有如下要求：（1）可实现非法入侵报警；（2）使用光敏电阻控制，白天不报警，晚上自动开始工作；（3）当有人靠近时热释电传感器报警，无人靠近时不报警。2.2系统设计方案选择2.2.1方案一目前最为流行的防盗报警装置大多采用的是主动式探测仪，例如超声波探测仪、对射式红外线传感器和微波等技术。因此，方案一采用对射式红外线传感器，经过具备检波、放大、滤波和后期处理的信号处理电路后，输入到报警装置，报警装置的工作与否由另外的定时开关控制。可基本实现报警器设计要求。2.2.2方案二光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结的方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子——空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。当白天的时候光敏电阻近似导通，此时的电阻被称之为亮电阻，阻值约为几千欧，流过的电流叫亮电流；夜晚无光照的时候，光敏电阻内无电流流过，暗电阻的电阻值约为兆欧级，近似断路。一般来说，暗电阻与亮电阻阻值之比约为~之间。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。凡是温度超过绝对0°C（-273°C）的物体都能产生热辐射（红外光谱），而温度低于1725°C的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其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。而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。近红外：波长范围0.75～3μm；中红外：波长范围3～25μm；远红外：波长范围25～1000μm；人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。本次选用D205B型大窗口热释电红外线传感器，它接受的红外线波长为4—15μm，透过率大于75%，输出的信号为5V，噪声小于70mV，故后续处理电路仅需要低通的阻容滤波电路即可。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。本次设计中因为要用于无人的夜间自动值守场合，报警电路触发后必然要给安保人员一定的反应时间，因此需要给报警电路一个报警时延，故需要用555定时器构成单稳态触发器来实现相应功能。报警电路主要由继电器及相关电路和220V声光报警器组成。继电器作为开关控制部分，通过接收来自555定时器的信号，通过继电器衔铁吸合与释放来控制220V交流电路的闭合与断开，从而控制声光报警器的工作与否。考虑到实际应用，还需要加一个手动报警开关以防止突发的意外情况。三极管开关电路光控电路NE555集成电路三极管开关电路光控电路NE555集成电路 传感器电路报警电路 传感器电路报警电路图2.1整体方框图根据前面所述的各模块结构，这里需要将市电转换成适合各模块使用的相应的直流电源，电源模块势必要作为直流稳压电源为各单元提供能量。这里应用与MC78系列类似的LM109H芯片即可实现所要求的功能，为系统提供+5V的电源。方案二是方案一的改进版。本电路分为光敏电路、热释电红外线传感器电路、555单稳态触发电路和报警电路。使用热释电红外线传感器代替主动式红外线传感器，将误操作率降到最低，既能有效防盗，又能降低工作人员的负担。本次设计的报警器还加入了光敏电阻控制电路，较之定时开关更加方便、稳定，使用寿命也更加长，可以实现夜晚自动进入工作状态，无需人工操作，更加自动化。加入555定时器能将报警信号延时，给值守的工作人员一定的反应时间。由于传感器输出信号足够大故不需要放大，仅需要滤除工频干扰和低频信号，且易于调控，实用度高于方案一，故选择此方案。第3章电路设计本次设计中包含传感器电路、光敏控制电路、555定时器电路和报警电路。传感器电路中包含信号采集部分和信号变换处理部分。它们负责将侵入的人体辐射出的红外线收集起来，转化为电信号，滤除工频干扰和噪声信号后，输出的信号经过光敏控制电路和555定时器电路传到报警电路，进行相应的报警。3.1传感器电路设计传感器选用D205B型大窗口热释电红外线传感器，参数如下表所示。红外接收头D205B是利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外线的辐射的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。它采用四灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了信号输出强度，增加了多方向灵敏度，兼有单元和双元热释电红外传感器的优点，传感器的工作更加稳定。此型号应用广泛，例如自动灯开关，保险装置，防盗报警器，感应门，智能玩具等，特别适用于本次设计所需的吸顶式应用场合。表3.1D205B参数型号D205B封装TO-5红外接收电极0.7×2.4mm,4个灵敏元窗口尺寸4.9mm×4.9mm接受波长5—14μm透过率75%输出信号峰峰值≥5000mV灵敏度≥4300V/W噪声峰值≤70mV探测率(D*)1.6×108cmHz1/2/W输出平衡度＜10%电源电压3-15V工作温度范围-30°C-70°C由压控电压源型低通滤波器的传函式（3-1）知其固有频率和增益分别为式（3-2）和式（3-3）。（3-1）（3-2）（3-3）由于本次设计中，传感器输出信号无需放大，仅需滤除信号中所带的工频干扰和相应的低频信号，参数选择图3.1中各元件标注。经计算，传递函数为（3-4）固有角频率为（3-5）截止频率为(3-6)增益(3-7)故选用的R2，R3阻值为100Ω，功率为0.25W的电阻。C1，C2为47μF的电解电容。此时的固有角频率由式（3-5）即可求出，截止频率根据式（3-6）即能得到。R4，R5构成低通滤波器的增益部分，由于传感器输出的电压幅值已经足够大了，故设置增益为1，选用的R4为100KΩ，R5为10Ω，由式（3-7）知，增益近似为1。图3.1传感器测量与滤波电路3.2光敏电路设计经方案设计，光敏电阻选用GM5516可得出如下的电路图。图3.2中，电源VCC接电源电路，经光敏电阻和分压电阻到GND。因为光敏电阻GM5516在接受光照时近似导通，电阻阻值为五千欧姆到十千欧姆。这时如果Q1不工作，它的基极电压要小于0.3V，即光敏电阻分得的电压要小于0.3V；在无光照时，即夜晚值守时GM5516暗电阻阻值约为500KΩ。要使三极管Q1工作，基极电压至少为0.3V，即光敏电阻两端的电位差至少也要大于0.3V，因此得出分压电阻R1应选用阻值为100KΩ，功率为0.25W的色环电阻即可。图3.2光敏电路3.3555定时器电路设计根据设计方案，采用NE555定时器构成单稳态触发器，给报警电路一个控制信号，使报警电路触发，考虑到实际应用中，报警电路从开始工作到提示值班人员到现场将需要一段时间，因此，555定时器构成的单稳态触发器需要使输出的高电平持续一段时间，报警电路一旦开始工作将会持续一段时间才会恢复正常。有单稳态触发器的特性可知，输出脉冲的宽度等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R7和电容C4的大小，等于电容电压在充电过程中从0上升到光控电路输出值U的2/3倍所需要的时间。（3-8）所以，本次设计的延时时延为11s，故R7为10KΩ，功率1/4W的电阻，C4为1000微法的电解电容。图3.3555定时器电路3.4报警电路设计经方案设计，报警电路将由555定时器输出控制信号控制三极管Q2的导通与否，来决定继电器K的动作。当555定时器输出高点平时，Q2导通，继电器线圈通电，常开触点闭合，电铃和红色LED报警灯构成的报警单元接通交流220V电源，报警单元开始工作，且由于555定时器构成的单稳态触发器具有时延功能，经3.3节计算可知，报警电路一旦工作，将经过110s的时间后才停止。当555定时器输出低电平时，Q2截止，线圈断电，触点断开，报警电路停止工作。考虑到白天值守时可能遇到突发的特殊情况，本次设计还加入了手动报警功能，在电路正常工作时，即使传感器电路和光控电路不工作，值班人员也可以进行手动报警，只需按下开关S1，Q2即被短路，继电器K的线圈得电，常开触点闭合，接通大功率报警装置的电源，报警单元开始工作，且报警状态将一直持续下去。当需要解除报警时，需要手动断开S1，使继电器线圈失电，报警单元停止工作。安装装置时由于涉及到220V的交流电，故在报警电路的供电电路前加一个空气开关，便于施工人员的安装。又因为发光二极管的耐压值太小，直接跨接在市电上肯定会将二极管烧毁，因此需要串联一个分压电阻，由于本次二极管用作指示灯，功率无需太大，串接100KΩ的1/4W电阻即可实现。图3.4报警电路3.5电源电路设计经过分析各模块的所需电压，电源电路可设计为如图3.5所示的模样，它可以直接将220V交流电经电桥整流，滤波电路的滤波和LM109H的变换形成+5V的直流稳压电源供给各个模块，以提供各模块工作所需能量。经查阅相关资料，C6-C9起作滤波作用，参数如图中所示，由于C6和C7电容值过大，使用的是电解电容。考虑到电源稳压电路的安全，在接入市电之前，加入空气开关，便于节省能源和保护电路及人身安全。图3.5电源电路第4章仿真与调试本次设计电路图运用目前比较流行的Protel99SE，因此仿真也使用该软件，其具备仿真功能。运用其参数扫描分析功能可以方便的实现检测到光敏电阻的变化造成电路的变化。仿真电路图如图4.1所示，由于仿真时不能采用真的热释电红外传感器和光敏电阻来进行，故用交变电源代替传感器进行输出电信号，用普通电阻经过调参数来进行光敏电阻阻值变化模拟。报警电路的输入信号是图4.1中的U5，由于继电器不能观看其动作状态，故报警电路未连接，由图中U5的波形即可推测出报警电路动作。图4.1仿真电路图图4.2光敏电阻导通图4.3光敏电阻截止最终的仿真结果如图4.2和图4.3所示，其中U0代表热释电红外线传感器输出的信号，这个信号是一个波动的，在无人靠近时，它不输出信号，当有人靠近时，传感器感受到人体辐射的红外线，产生信号突变，进行了信号变换，将非电量转换为电量进行输出。经过低通滤波器后，滤除工频干扰和高频噪声，将低频噪声进行衰减。得到如图中U1所示的信号，由图中可以发现U1的相位较U0有了滞后，说明滤波有了效果。图中的U2是光敏电阻的输出信号，由光敏电阻的特性可知，光敏电阻的阻值随光照强度的增加而降低。经过参数扫描分析，通过设定光敏电阻的初值为5KΩ，终值为500KΩ，步长为5KΩ，使其通过分压来控制光控电路的导通与否。图4.2是光敏电阻为5KΩ时的各部分信号波形，图中U4是传感器经低通滤波后通过光敏电阻控制电路后的波形，U5是555定时器输出的电平，此时为低电平。图4.3是光敏电阻为500KΩ时的波形，由图中U5的波形可知，555定时器构成的单稳态触发器具备了延时的功能，有参数算得时延为11s，本次仿真图中由于测量时间的关系，并未显示出整个11s范围内的变化，见微知著，可以根据电路图中参数算得。第5章课程设计总结通过这个课程设计，让我了解到对于自己学过的知识需要学以致用，不能只是背书本上的知识，在实践的时候要能真正的用在需要的地方。同时我也发现只是这样的学习如果不去加以利用是不能熟练掌握精髓的，对于自己不知道的，要用合理的方式去学习到自己的脑袋里面，把它真正的变成自己的东西，这样才是学习的根本所在。信号变化综合设计，需要很多信号处理的知识。本次设计中需要将传感器输出的信号中包含的50Hz工频干扰和低频噪声滤除，以防止这些信号干扰报警电路动作。因此，进过查阅资料，选择了低通滤波器，它能将高于截止频率的信号有效的滤除，经过多次实验确定参数和仿真，本次设计的滤波器可以满足要求的精度。说到光敏电阻，经过与老师交流和网上查阅资料，得到了光敏电阻的正确用法，用它来控制电路在不同时间的开启与关闭，实现了电路的自动化控制、运行。根据设计要求，本次需要用大功率报警器，因此选用了220V集成式的声光报警器，能够有效将报警信号发出，另外还加入了手动报警开关以防止突发的意外情况。在设计过程中需要考虑很多实际应用中的问题，因此需要全面考虑。总体说来这次的设计过程让我在自身看到了很多的不成熟，这次难能可贵的机会能让我更好的认清自己，找到适合自己的学习方法，成为一个学以致用的高素质人才。参考文献[1]宋文绪,杨帆.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2009：234~238[2]张国雄.测控电路[M].北京：机械工业出版社，2012：110～115[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：489～497[4]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M]．北京：高等教育出版社，2006：101～114[5]李宁,王军敏.信号处理中几种重要变换的特点及关系分析.赤峰学院学报（自然科学版）2012年（第19期）[6]刘舒祺,施国梁.基于热释电红外传感器的报警系统.国外电子元器件.2005年（第5期）[7]聊太全.热释电人体红外传感器原理与应用.电子世界.2005年（第11期）附录Ⅰ附录Ⅱ器件名称型号件数电解电容1000uF16V4电解电容47uF400V2电容0.33uF400V2电容0.01uF50V1光敏电阻GM55161电阻100KΩ0.25W3电阻20KΩ0.25W1电阻10KΩ0.25W2电阻100Ω0.25W2电阻10Ω0.25W1二极管1N41485三极管80502运算放大器CLC4041555定时器NE5551三端稳压器LM109H1空气开关DZ47-1P2手动报警开关KCD1-1041继电器T731热释电红外传感器D205B1声光报警器LTE-1081J1基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研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