【正文】 ........................................................ 27 總 結(jié) ...................................................................... 28 參考文獻(xiàn) ................................................................... 29 附錄 1 原理圖 .............................................................. 30 附錄 2 PCB 布線圖 ........................................................... 31 附錄 3 PCB 三維圖 ........................................................... 32 附錄 4 實(shí)物圖 .............................................................. 33 附錄 5 元件明細(xì)表 .......................................................... 34 摘 要 通過(guò)介紹熱釋紅外傳感器的工作原理，給出了一種被動(dòng)型熱釋電紅外報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用電路。這種電路把紅外線的隱蔽性很好地應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警功能，達(dá)到了安全防護(hù)之目的。 該報(bào)警器能探測(cè)人體發(fā)出的紅外線，由紅外線傳感器、信號(hào)放大電路、電壓比較器、延時(shí)電路和報(bào)警指示電路等組成。當(dāng)人進(jìn)入報(bào)警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，適用于家庭、辦公室、倉(cāng)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)室等比較重要場(chǎng)合防盜報(bào)警。概述了紅外輻射的知識(shí)、熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。利用熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)式紅外報(bào)警電 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè) 路 ,分析了該電路的功能和工作原理。熱釋電紅外傳感器具有很多的優(yōu)點(diǎn) ,在防盜、警戒等裝置中應(yīng)用較廣。 關(guān)鍵詞 被動(dòng)式紅外報(bào)警器 ； 熱釋電紅外（ PIR） ； 傳感器 ； 熱釋電效應(yīng) ； 菲涅爾透鏡 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 1 章 緒論 電路設(shè)計(jì)背景 近年來(lái)，隨著改革開(kāi)放的深入發(fā)展，電子電器的飛速發(fā)展 .人民的生活水平有了很大提高。各種高檔家電產(chǎn)品和貴重物品為許多家庭所擁有。然而一些不法分子也是越來(lái)越多。這點(diǎn)就是看到了大部分人防盜意識(shí)還不夠強(qiáng)，造成偷盜現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。因此，越來(lái)越多的居民家庭對(duì)財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題十分擔(dān)憂。 報(bào)警器這時(shí)正為人們解決了不少問(wèn)題。但是市場(chǎng)上的報(bào)警器大部分都是用于一些大公司及財(cái)政機(jī)構(gòu)。價(jià)格高昂，一般人們難以接受。如果設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一種價(jià)廉、性能靈敏可靠的防盜報(bào)警器，必將在防盜和保證財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮更加有效的作用。由于紅外線是不可見(jiàn) 光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，此外，在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 紅外報(bào)警器大多數(shù)采用國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，其功能也非常先進(jìn)。其中包括被動(dòng)式熱釋電型紅外報(bào)警器，也即是本文將研究的產(chǎn)品。還有紅外監(jiān)控?zé)o線報(bào)警器，超聲波防盜報(bào)警器 ,紅外線防盜報(bào)警器，高靈敏紅外報(bào)警器 ,觸摸式延時(shí)防盜報(bào)警器 , 觸摸式防盜報(bào)警器，紅外報(bào)警器，紅外線聲光報(bào)警器。 其外，可用紅外報(bào)警器原理控制各種電器的運(yùn)行。 紅外報(bào)警器分類及原理 紅外報(bào)警器分為主動(dòng)紅外報(bào)警和被動(dòng)紅外報(bào)警，主動(dòng)紅外入侵報(bào)警器是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)是由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)是由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號(hào)處理器等部分組成。主動(dòng)紅外報(bào)警器是一種紅外線光束遮擋型報(bào)警器，發(fā)射機(jī)中的紅外發(fā)光二極管在電源的激發(fā)下，發(fā)出一束經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光束（此光束的波長(zhǎng)約在 ～ 微米之間），經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的作用變成平行光發(fā)射出去。此光束被接收機(jī)接收，由接收機(jī)中的紅外光電傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路處理后傳給報(bào)警控制器。 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè) 由發(fā)射 機(jī)發(fā)射出的紅外線經(jīng)過(guò)防范區(qū)到達(dá)接收機(jī)，構(gòu)成了一條警戒線。正常情況下，接收機(jī)收到的是一個(gè)穩(wěn)定的光信號(hào)，當(dāng)有人入侵該警戒線時(shí)，紅外光束被遮擋，接收機(jī)收到的紅外信號(hào)發(fā)生變化，提取這一變化，經(jīng)放大和適當(dāng)處理，控制器發(fā)出的報(bào)警信號(hào)。目前此類報(bào)警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應(yīng)用在周界防范居多，最大的優(yōu)點(diǎn)就是防范距離遠(yuǎn)，能達(dá)到被動(dòng)紅外的十倍以上探測(cè)距離。 被動(dòng)紅外報(bào)警器主要是根據(jù)外界紅外能量的變化來(lái)判斷是否有人在移動(dòng)。人體的紅外能量與環(huán)境有差別，當(dāng)人通過(guò)探測(cè)區(qū)域時(shí)，報(bào)警器收集到的這個(gè)不同的紅外能量的位置 變化，進(jìn)而通過(guò)分析發(fā)出報(bào)警。人體都有恒定的體溫，一般在 37 度左右，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μ m 左右的紅外線，被動(dòng)紅外報(bào)警器就是靠探測(cè)人體發(fā)射的 10μ m 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10μ m 左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外報(bào)警器是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為 10μ m 左右的紅外輻射必須非常敏感。為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是報(bào)警器無(wú)信號(hào)輸出。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場(chǎng)上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具 有如下特點(diǎn)： 1. 不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。 2. 靈敏度高、控制范圍大。 3. 隱蔽性好，可流動(dòng)安裝。 熱釋電紅外傳感器的原理特性 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè) 了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放 出的紅外線能量變化 并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用 因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 該電阻阻抗高達(dá) 104MΩ，故引入的 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式 即源極跟隨器 來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也 是有正、負(fù)極性的。雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)。使用時(shí) D端接電源正極， G 端接電源負(fù)極， S 端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過(guò)安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為 0． 2～ 20μ m。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過(guò)外，還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門外。 設(shè)計(jì)意義及要求 通過(guò)對(duì)紅外線報(bào)警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，用集成運(yùn)放 LM32紅外傳感器、二極管等器件設(shè)計(jì)電路，可監(jiān)視幾米到幾十米范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的人體，當(dāng)有人在該范圍走動(dòng)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。并且運(yùn)用 multisim 軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真和 Protel 99se 軟件畫原理圖以及制作電路板，制作實(shí)物并調(diào)試、展示功能。 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 2 章 電路組成及框圖 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和日益普及，電子報(bào)警器已經(jīng)在各企業(yè)事業(yè)單位和人們的日常生活中得到廣泛的應(yīng)用，紅外線報(bào)警器可監(jiān)視幾米到幾十米范圍內(nèi)移動(dòng)的人體，當(dāng)有人在該范圍內(nèi)走動(dòng)時(shí)，發(fā)出報(bào)警。其電路的組成框圖如圖 21所示。 圖 21 報(bào)警器電路的組成圖 1． 電源：通過(guò)交流電經(jīng)變壓器的變壓、橋式二極管的整流、電容的濾波、穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓得到 5V 的直流電壓。 2． 傳感器：傳感器主要是用來(lái)采集人體的紅外線信號(hào)并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。 3． 放大濾波：是由集成 運(yùn) 算放大器 LM324 和電容構(gòu)成對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波供下一級(jí)電路使用。 4． 比較器：這里采用的是雙限電壓比較器，把電路中的基準(zhǔn)電壓 U1 和 U2 作為參考電壓（ U1U2）與比較器輸出的電壓作比較控制指示電路指示是否有人進(jìn)入的情況。 比較器 傳感器 電源 基準(zhǔn)電壓 指示電路 放大濾波 第 9 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 3 章 單元電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì) 直流電源（ DC power）有正、負(fù)兩個(gè)電極，當(dāng)兩個(gè)電極與電路連通后，能夠使電路兩端之間維持恒定的電位差，從而在外電路中形成由正極到負(fù)極的電流 來(lái)為電路工作提供能量 。 在 設(shè)計(jì)采用的是 5V 的芯片，所以電路設(shè)計(jì)為 5V的電源 。 整流濾波電路 1．整流電路 晶體二極管是由兩種具有不同導(dǎo)電性能的 n 型半導(dǎo)體和 p 型半導(dǎo)體結(jié)合形成的 pn 結(jié)構(gòu)成的，如圖 31（ a）所示， pn 結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，常用符?hào)表示如圖 31（ b）。 圖 31 二極管的 pn 結(jié)構(gòu)及符號(hào) 圖 32 二極管的特性曲線 第 10 頁(yè) 共 31 頁(yè) 當(dāng) pn 結(jié)加上正向電壓（ p 區(qū)接正、 n 區(qū)接負(fù)）時(shí)，外電場(chǎng)使 pn 結(jié)的阻擋層變薄，形成比較大的電流，二極管的正向電阻很??；當(dāng) pn結(jié)加上反向電壓時(shí)，外電場(chǎng)使 pn 結(jié)的阻 擋層變厚，形成極小的反向電流，表現(xiàn)為反向電阻非常大。晶體二極管的正反向特性曲線如圖 32 所示，即二極管具有單向?qū)щ娦浴? 利用二極管的單向?qū)щ娦裕蓪⒔涣麟娮兂擅}沖直流電，其過(guò)程稱為整流。如圖 33是橋式整流濾波電路，其整流過(guò)程如下：當(dāng)交流電為正半周時(shí)， M點(diǎn)電壓高于 N 點(diǎn)電壓， DD4截止，而 D D5 導(dǎo)通，電流將從交流電源依次通過(guò) D RL、 D5 回到電源；當(dāng)交流電為負(fù)半周時(shí)， N 點(diǎn)電壓高于 M 點(diǎn)電壓， D D5 截止，而 D D4 導(dǎo)通，電流將從交流電源依次通過(guò) D RL、 D4 回到電源。這樣通過(guò) RL 的電流方向是固定的， UA始終大于 UB，且 UAB隨交流電的起伏而波動(dòng)。如果將 RL 兩端接入示波器會(huì)觀察到如圖 34 的整流波形②。 整流電路是把交流電變成直流電的電路，電路是二極管的單向?qū)щ娦杂伤膫€(gè)二極管構(gòu)成橋式整流電路，如圖 33 所示 。 圖 33 橋式整流 圖 34 交流、整流及濾波波形 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè) 2． 濾波電路 電容（或電容量 , Capacitance）指的是在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量；記為 C，國(guó)際 單位是法拉（ F）。一般來(lái)說(shuō)，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上；造成電荷的累積儲(chǔ)存，最常見(jiàn)的例子就是兩片平行金屬板 ， 也是電容器的俗稱。 在負(fù)載 RL 兩端并接上電容值較大的電解電容，如圖 33 所示，可將脈沖直流電過(guò)濾成較平穩(wěn)的直流電，稱為濾波。波形②將會(huì)變得較為平滑或成一條直線③。 濾波的基本原理：電容 C兩端的初始電壓