基于红外热释电的自动控制设计与应用.ppt

1、张建兵2011年3月制作,基于红外热释电的自动控制设计与应用,现代综合电子设计与实践(一),研究背景 现代电子技术的迅猛发展，导致人们生活水平不断提高，人类对自己的生活和工作环境的舒适性和安全性提出了跟高的要求。,相关创新新闻,第一章 概述,银行自动开关门；宾馆旋转门自动旋转装置； 安防防盗报警系统；,小区智能监控、家用门禁视频语音系统；楼道的声控、 光控开关、光控窗帘、家用电器等等；,生活起居方面：,工作环境方面：,智 能 家 居 系 统,内容知识点,1.红外热释电传感器PIR；,本课程主要介绍了基于红外热释电传感器设计的红外自动控制系统的设计方法及应用。,2.菲尼尔透镜的设计原理；,3.B

2、ISS0001数字模拟处理芯片；,4.自动控制电路设计；,5.相关元器件基础知识介绍；,6.设计产品的总装、测试；,课程主要内容,1.模拟电子线路,2.数字电子线路,3.传感器测控技术,4.自动控制原理,涉及的基础知识,应用领域 1.安防 2.自动控制 3.接近开关 4.遥测,第二章 热释电红外传感器特性,热释电红外传感器(Passive Infrared Radiation Sensor)，简称PIR也可称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件，其可以以非接触形式检测出人体辐射红外线能量的变化，并将其转换成电压信号的传感器。,常用材料：单晶（LiTaO3，钽酸

3、锂等）、 压电陶瓷（PZT，锆钛酸铅） 高分子薄膜（PVFZ）,热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。我国利用ATGSAS晶体制成的红外摄像管已开始出口国外。其温度响应率达到45A/，温度分辨率小于0.2，信号灵敏度高，图像清晰度和抗强光干扰能力也明显地提高，且滞后较小。,热释电效应：,热电效应形成原理,当一些晶体受热时自身的电子，因随着温度梯度由高温 区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象，两 端将会产生数量相等符号相反的电荷。,光谱认识,1.人类肉眼所能看到的可见光谱范围大约

4、为390nm760nm 。 2.波长在0.77um以上到1000um左右的光波波称为“红外波”。 3.在0.39um以下到0.04um左右的称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测这种发光物体的存在。 4.在光学中光的概念也可以延伸到红外线和紫外线领域，甚至X射线均被认为是光，而可见光的光谱只是电磁光谱中的一部分。,保护内部元器件、工作稳定性、方便安装；,约为6mm2的多层膜干涉滤光片，滤去5m以下波长(例如太阳光、荧光灯)对7m10m范围波长有良好的透光性；抑制环境干扰,探测0.2m-20m的红外信号微弱变化转化成电信号，通常采用极性相反、特性相同的双

5、探测元件串联使用，以消除因环境和自身变化引起的干扰；,将高阻抗PZT进行阻抗变换，将其电荷信号变化转化成电压 信号变化；,热释电元件(PZT)：,场 效 应 管：,滤 光 片：,外 壳：,外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成,传感器结构组成：,热释电传感器结构,热释电传感器灵敏度与运动方向关系,热释电红外传感器优缺点,优点：,信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； 易受射频辐射的干扰； 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时 失灵； 被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向

6、运动的物体检测能力比较差。,非接触式 被动式(自身无辐射) 器件功耗小 隐蔽性好 价格低廉红外传感,缺点：,抗干扰性能：,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。,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的小动物，一般不产生报警。,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。,市场常见的热释电红外传感器,上海赛拉公司的SD02、PH5342； 德国Perkinelmer公司的LHi954、LHi985； 美国Hamastsu公司的LHi954、Lhi958； 美国Hamas

7、tsu公司的Pascal288； 日本NipponGeramic公司的SCA02-1、RS02D；,虽然他们的型号不一样，但其结构、外形和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。,RE200B热释电红外传感器(839E)参数说明,体积：8.3*4.2mm3 灵敏元面积：2.01.0mm2 基片材料：硅基片 厚度：0.5mm 工作波长：7-14m 平均透过率：75% 噪声：200mV(mVp-p) (25) 输出信号：2.5V 调制频率0.3-3.0Hz 带宽 72.5db增益,放大约350倍) 平衡度：20% 工作电压：2.2-15V 工作电流： 8.5-24A(VD=10V,Rs=47k,

8、25) 源极电压：0.4-1.1V (VD=10V,Rs=47k,25) 工作温度：-20- +70 保存温度：-35- +80 视场：138125,思考题,1.什么是热释电效应？ 2.简述热释电红外(PIR)传感器工作的优缺点。 3.简述并能画出PIR的内部结构框图。,第三章 菲涅尔透镜特性介绍,菲涅尔透镜历史,菲涅尔透镜 (Fresnel Lense)是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统灯塔透镜。孔多塞(1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅耳

9、亦对这种透镜在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔（PharedeCordouan）上；透过它发射的光线可以在20英里（32千米）以外看到。苏格兰物理学家大卫布儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。,菲涅尔透镜基本结构,菲涅尔透镜正面图,菲涅尔透镜(Fresnel Lense)是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心圆组成。通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，所以又称螺纹透镜。,菲涅尔透镜的形成原理,若能去除光在玻璃中直线传播的部分而保留发生折射的曲面，便能省

10、下大量材料同时达到相同的聚光效果。,菲涅尔透镜的形成过程演示,常用镜片外观示意图,菲涅尔镜片通常采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。将0.5mm厚的镜片表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密,感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深，感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线,越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多,水平感应角度就越大。,区段数量越多，被感应人体移动幅度就越小；区段数量越少被，感应人体移动幅度就需要大；区与区之间，段与段之间，区段之间形成

11、盲区。不同区的同心圆之间相互交错，就可以减少区段之间的盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。,常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图,菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域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。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红

12、外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。,菲涅尔透镜分类,光 学 设 计 上 分 类,b 把光线聚焦到一个点,1.圆形菲涅尔透镜,从 结 构 上 划 分,a校准为平行光线,a正菲涅尔透镜；,b负菲涅尔透镜;,2.菲涅尔透镜阵列,3.柱状菲涅尔透镜,4.线性菲涅尔透镜,5.衍射菲涅尔透镜,6.菲涅尔反射透镜,7.菲涅尔光束分离器,8.菲涅尔棱镜,从颜色上分类：,1.聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。 2.白色主要用于适配外壳颜色。 3.黑色用于防强光干扰。,1.外观描述外观形状（长、方、圆）、尺寸（直

13、径）。以毫米为单位。 2.探测范围指镜片能探测的有效距离（米）和角度。 3.焦距指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。,菲尼尔镜片主要参数：,菲尼尔透镜的应用及发展现状,1.投影显示：菲涅尔投影电视，背投菲涅尔屏幕，高射投影仪，准直器；,2.聚光聚能：太阳能菲涅尔透镜，摄影用菲涅尔聚光灯，菲涅尔放大镜； 。,3.航空航海：灯塔用菲涅尔透镜，菲涅尔飞行模拟；,4.科技研究：激光检测系统等；,5.红外探测：无源移动探测器；,6.照明光学：汽车头灯，交通标志，光学着陆系统。,美国海军德怀特D艾森豪威尔号航空母舰上的光学着陆系统,第一,该系

14、统设在航母中部左舷的一个自稳平台上，以保证其光束不受舰体左右摇摆的影响。它由4组灯光组成，主要是中央竖排的5个分段的灯箱，通过菲涅尔透镜发出5层光束，光束与降落跑道平行，和海平面保持一定角度，形成5层坡面。每段光束层高在舰载机进入下滑道的入口处（距航母0.75海里）为6.6米，正中段为橙色光束，向上、向下分别转为黄色和红色光束，正中段灯箱两侧有水平的绿色基准定光灯。当舰载机高度和下滑角正确时，飞行员可以看到橙色光球正处于绿色基准灯的中央，保持此角度就可以准确下滑着舰。如飞行员看到的是黄色光球且处于绿色基准灯之上，就要降低高度；如看到红色光球且处于绿色基准灯之下，那就要马上升高，否则就会撞在航母

15、尾柱端面或降到尾后大海中。,光学着陆系统简介,第二，在中央灯箱左右各竖排着一组红色闪光灯，如果不允许舰载机着舰，它发出闪光，此时绿色基准灯和中央灯箱均关闭，告诉飞行员停止下降立即复飞，因此被称为“复飞灯”。复飞灯上有一组绿灯，叫做切断灯，它打开即是允许进入下滑的信号。 这些灯光由着舰引导员（LSO）控制，他们在舰后部左舷LSO平台上，分工观察着舰机的位置、起落架、襟翼、尾钩等的情况，一面与飞行员通话，一面操纵灯光信号。在舰岛上部左侧后部设有主飞行控制室，一名飞控官监视着飞行甲板和空中的情况，对着舰机的安全进行最后把关。在美国航母上，飞控官由老资格的中校级飞行员担任，并配有一名少校做为助手 。,

16、光学着陆系统简介,第四章 热释电红外处理芯片原理,对于被动式热释电红外探头有其自身的缺点，可以通过利用相应的集成芯片对其信号进过特殊方法的处理后，使它在很多域具有广阔的应用前景。,很多生产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器 例如：HOLTEK HT761X PTI PT8A26XXP WELTREND WT8072 BISS0001等。,WELTREND(伟诠电子股份有限公司)专用芯片BISS0001 PTI（百利通电子有限公司）专用芯片PT8A26XXP,CMOS数模混合专用集成电路工艺。 具有独立高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配进行信号与处理。 内部的双向鉴幅器可有效抑制

17、干扰。 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器,结构新颖,稳定可靠调解范围宽。 内置参考电压，工作电压范围2V6V。 采用16脚DIP和SOP封装。 可用于多种传感器和延时控制器。,BISS0001功能特点,BISS0001热释电处理芯片管脚说明,BISS0001热释电处理芯片管脚说明,BISS0001芯片工作原理,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。,BISS0001 内部框图,不可重复触发工作方式下的工作过程波形图,可重复触发工作方式下的工作过程波形图,PT8A26XXP热释电处理芯片特性及功能简介,阴影部分是P

18、IR信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR信号处理部分，控制部分就简单略过。,PT8A26XXP是PTI(百利通电子有限公司)生产的又一种专用PIR热释电信号处理的专用芯片。,窗口比较器：经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。,滤波放大：普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通带0.3Hz7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳

19、定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。,噪声抑制数字信号处理： 根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz）。具体判别方法如下： 判别操作限制在2s内； 脉冲宽度低于24ms的都算作噪声，不予处理；单个有效脉冲：宽度必须大于340 ms；双脉冲，其中宽度必须大于160ms ，窄的大于 24ms ；三个脉冲有效，每个都必须大于 24ms,由于PIR 信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下：,第五章 被动式红外自动控制报警

20、装置设计,热释电红外传感器(PIR),菲涅尔透镜,热释电信号专用处理芯片,相关电子元器件,被动式红外热释电自动控制报警系统设计,所谓的“被动式”，即指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的.在这里是指自动控制报警装置本身不需要发出任何探测信号，而是通过处在灵敏区范围的被测目标(例如人)发出的红外信号，使装置本身通过热释电传感器发生电压变化从而产生相应动作，以达到自动控制或报警的目的。,被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和自动控制报警电路等几部分组成。,设计流程图,图中将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用

21、时的工作原理示意图，在图中待测目标人横向穿过探测区域时，其发出的红外信号相对菲涅尔透镜来说，信号最强，经过聚焦后辐射在热释电传感器后，最终实现我们所需要的功能。,探测区运动示意图,红外热释电自动控制装置电路原理图,重复触发 控制端,控制信号3.2V输出端,开关键,3.3V电源 稳压,禁止触发端,高低增 益选择,电源正端,PIR信号 输出,开关功能,无源 蜂鸣器,+6V电源,红外热释电自动控制装置电路图中，通常采用的电源电压在512V左右，而BISS0001芯片电压要控制在36V之间，所以电源输入后需要进行稳压，这里我们使用了型号为7150A或7133A的一款三端稳压元件，该芯片是一款5.0V/

22、3.3V的高性能、低成本电源管理类芯片，非常适合于采用电池供电或外部电源不稳情况下使用。通过稳压，就能保证了红外热释电传感器PIR两端稳定的工作电压要求。电路中，在电源端和PIR的D极分别引入了104pf和220uF两块电容，同样也是为了防止外界高频和低频干扰信号对PIR两端电压的干扰。 在电路原理图中，BISS0001芯片中9管脚通过一只暗阻为M级的光敏电阻R10和地连接，这样可以用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R10的电阻值会骤然降低至几K级，通过和R3=480K分压，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。,在BISS0001芯片中1脚，接入工作方式选择开关SW

23、1，当SW1处于低电平“0”时，即接地时，芯片处于不可重复触发工作方式；当SW1处于高点平“1”时，即和电源正极相接，芯片处于可重复触发工作方式； 电路图中R7可以调节放大器增益的大小，通常在十几千欧左右，实际使用时可以根据实际情况进行调整，这样可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx大小是由BISS0001芯片3脚和4脚外部连接的R1和C1的大小进行控制，通常Tx26103R1C1，而触发封锁时间Ti可以通过5脚和6脚外部连接的R2和C2的大小调整，Ti40R2C2，同时Ti与Tx两者有一定的联系，需要根据时间使用情况进行时间的调整。,BISS0001中的2脚是整个电路的信号输出端，有

24、信号输出时，其高电平电压基本保持在3.2V左右，外部控制电路及报警电路主要通过2脚进行控制的。本电路是通过一个N型场效应管和3V直流电磁式继电器结合而形成的自动控制报警电路。 通过以上电路调整的，整个电路装置就可以正常工作了，首先热释电PIR传感器接收到外部信号后，通过微弱电压经过14脚进入第一级运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C11耦合给运算放大器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经场效应管管T1放大驱动LED、继电器去接通负载。,第六章 自动控制报警装置产品总

25、装/调试的应用,焊接电路板原则：,元器件 清点分类,焊接 “先矮后高”,焊完一个 清单做记号,分析电路板 电路图分布,清点元件数量 测量电阻阻值 检查元件是否损坏,先焊接电阻 瓷片电容等,对印刷电路板的 布线进行分析,防止错焊 漏焊和误焊,第七章 相关元器件基础常识,电阻,可以按照此记忆:“黑 棕， 红 橙 黄 绿 兰 紫 灰， 白！”,色环,所谓“四色环电阻”就是指用四条色环表示阻值的电阻。从左向右数，第一，二环表示两位有效数字，第三环表示数字后面添加“0”的个数。所谓“从左向右”，我们是指把电阻象图中所画的样子放置四条色环中，有三条相互之间的距离*得比较近，而第四环距离稍微大一点。如下图：

26、,第一环：红代表2；第二环：紫代表7；第三环：棕代表1； 但是第三环的“1”并不是“有效数字”，而是表示在前面两个有效数字后面添加“零”的个数。,“四色环”读数规则,上述电阻的阻值是：270 ，第四环表示电阻的“精度”，也就是阻值的误差。金色代表误差5，银色代表误差10。对270而言，5的误差，意味着这个电阻实际最小的阻值是270*（10.05）265.5；最大不会超过270*（10.05）283.5。,当第三环是黑色的时候，这个黑环代表0的个数，几个0？是0个“0”，也就是“没有0”，不添加“0”。如：,阻值是：22 而绝不是220！,金色和银色也会出现在第三环中： 第三环金色：把小数点向前

27、移动1位； 第三环银色：把小数点向前移动2位；,举两个例子： 1、色环排列:“橙灰金 金”，其阻值是：3.9 ； 2、色环排列:“绿黄银 金”，其阻值是：0.54 ；,电容器,电容按介质不同分为,按结构可分为,按极性分为,液体介质电容，,无机固体介质电容,有机固体介质电容,电解电容,气体介质电容,固定电容,可变电容,微调电容,无极性电容,有极性电容,容量单位：F（法拉）、F（微法）、nF（纳法）、pF（皮法或微微法）。 例如：4n7 表示4.7nF或4700pF，0.22 表示0.22F，51 表示51pF。,注意：瓷片电容无正负极性；电解电容有正负之分，长管脚为“正极”，否则为“负极”，或靠

28、近白色标志的管脚为“负极”。,数码表示法：一般用三位数字来表示容量的大小，单位为pF。前两位为有效数字，后一位表示位率。即乘以10i，i为第三位数字，若第三位数字9，则乘10-1。如223J代表22103pF22000pF0.22F，允许误差为5%；又如479K代表4710-1pF，允许误差为5%的电容。这种表示方法最为常见。,二极管、稳压管,由于二极管的单向导电性，常用作开关元件，在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。 二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管

29、压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V,发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。 稳压二极管通常的稳压值在10V以下，利用其反向特性不同可以和二极管区别，二极管的方向击穿电压在10V以上，区别方法如下：用万用表X10K档测量它们的反向电阻。普通二极管的反向电阻为无穷大(万用表指针不动)，测量稳压管(例如6.2V)时，万用表有一定的指示数。,光敏电阻：,光敏电阻和热敏电阻,在温度变化的条件下，电阻的阻 值大小发生变化。,在光照变化条件下，电阻的阻值会发生变化。在无光照或光线很暗时，阻值同在很大，在兆欧(M)级别；在良好光照情况下，其阻值会突然变小，通常在千欧(K)级别；,热敏电阻：,三极管,

30、三极管9014：1.发射极（e）2.基极（b）3.集电极（c），常用NPN低功率三极 管，主要用作低频、低噪音前置放大；,三极管8550：1.发射极（e）2.基极（b）3.集电 常用的普通三极管，是一种低电压、大电流、小信号PNP型，主要用途：开关应用、射频放大；,1 2 3,三端稳压管、场效应管,三端稳压管HT7133-A： 1.电压输入端; 2.稳压输出端; 3.接地端；,一种极少的电源稳压元件，其具有低功耗、低压降、低温漂和高线性度等特点，精度可大2%,最大输出电流100mA； 非常适合于采用电池供电或外部供电不稳情况下使用. 具有在较宽的输入电压范围内能稳定输出, 而自身消耗很小的特点

31、, 可广泛适用于电池供电设备。,2N-7000型场效应管：,当G极电压小于门极电压UG(2.5V左右)时，D极到S极电流几乎没有，即DS的电阻无限大；当G极电压大于等于UG时，D极S极为导通状态；所以可以作为“电压型开关”。,场效应管属于电压控制元件，类似于晶体管的三极管，但其构造与工作原理与其截然不同的，与其相比有以下特点：电压控制元件、输入电阻大、温度稳定性好、噪声低和较强的抗辐射能力等特点。,工作原理：,直流电磁式继电器,其典型结构如上图b所示，当线圈通电后，铁心被磁化产生足够的铁电磁力，吸引衔铁，使动接点与静接点“5”断开，而与静接点“4”闭合，成为继电器“动作”和“吸合”；当线圈断电后，电磁力消失，衔铁返回，动接点也恢复到原来位置，称为继电器的“释放”或“复位”。继电器符合通常用长方框内标一字母“J”表示。其接点有三种基本形式，见上图。,设计实践要求,一、设计实践目的：,1.通过对热释电红外传感器、红外热释电处理芯片等相关设计结构及工作原理的学习、设计、安装、焊接、调试、了解并熟悉基于红外热释电的自动控制过程及应用领域。,2.通过自己设计安装的热释电红外自动控产品，巩固相关模拟电路和数字电路基础知识，训练动手能力，