【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)置的熱釋電器件聚焦，因此靈敏度較高，只要有人在透鏡視場內(nèi)走動就會輸出有效信號。 熱釋電紅外傳感器的輸出信號特性及優(yōu)缺點(diǎn) 熱釋電紅外傳感器輸出電信號的幅度和頻率主要決定于：目標(biāo)人體的溫度、探測區(qū)域背景、人體離傳感器的距離、人體移動的速度、光學(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和設(shè)計樣式。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差越大 ，離傳感器越近，輸出電信號的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學(xué)透鏡使用時，輸出信號波形電壓峰峰值約為 1mV，頻率 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 6 第 6 頁 共 23 頁 可由下列公式 21計算： Ls2 fVf bb ??? ?? （ 21） 其中： f 是輸出信號頻率（ Hz）， Vb是人體移動速度（ m/s）， fb是光學(xué)系統(tǒng)焦距（ mm）， s是傳感器敏感元的面積（ mm2）， L是人體離傳感器距離（ m）。 對于雙敏感元傳感器，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 2（ mm） *1（ mm），人體移動速度范圍為 （ m/s）～5（ m/s），常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為 25（ mm），我們可計算出傳感器輸出信號的頻率范圍為 ～ 8Hz。 由于傳感器輸出的信號非常微弱，因此需要外接放大電路，也有些傳感器生產(chǎn)廠家直接將后續(xù)信號處理電路內(nèi)置在傳感器中，用戶直接就可以使用。 熱釋電紅外傳感器其優(yōu)點(diǎn)是本身不發(fā)出各種類型的輻射，該器件的功耗小、隱蔽性好、價格低。其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度 下降，有時還會短時失靈。 菲涅爾透鏡 熱釋電紅外傳感器不加光學(xué)透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測距離通常不大于 2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可大于 7m。因此在實(shí)際應(yīng)用中，熱釋電紅外傳感器通常與菲涅爾透鏡配合使用。 菲涅爾透鏡（ Fresnel Lense）是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心園組成，是依托菲涅爾理論由平凸透鏡演變而來的，是平凸透鏡的一種異化。它具有短焦距、大孔徑及厚度小的特點(diǎn)，用菲涅爾透鏡可以獲得更為柔和、均勻的光分布照明狀態(tài)。菲涅爾透鏡有兩種形式， 即折射式和反射式。 其工作原理十分簡單，它有兩種理解方式： （ 1）假設(shè)一個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。如圖 23所示。 圖 23 菲涅爾透鏡 1 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 7 第 7 頁 共 23 頁 另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個凹槽都可以看做一個獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透 鏡還能夠消除部分球形像差。如圖 24所示。 圖 24 菲涅爾透鏡 2 菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達(dá)到對指定光譜范圍的光帶通（反射或者折射）的作用。傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價昂貴，菲涅爾透鏡可以極大的降低成本，典型的例子就是 PIR。 PIR 廣泛的用在門鈴、警報器上。如果你拿一個看看，你會發(fā)現(xiàn)在每個 PIR 上都有個塑料的小帽子，這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到 10μ m 左右（人體紅外線輻射的峰值），成本相當(dāng)?shù)?低。 因此，菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR（熱釋電紅外傳感器）上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在 PIR 上產(chǎn)生變化的信號，繼而傳感器就能產(chǎn)生控制信號。在熱釋電紅外傳感器應(yīng)用中，菲涅爾透鏡的主要作用是聚焦作用。其工作示意圖如圖 25 所示。 熱釋電紅外傳感器的安裝要求 熱釋電紅外傳感器的誤報率與安裝位置和方式有很大關(guān)系，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （ 1）傳感器應(yīng)離地面 2～ ，遠(yuǎn)離空調(diào)器、冰箱、火爐、射燈等 空氣溫度變化敏感的地方； 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 8 第 8 頁 共 23 頁 圖 25 菲涅爾透鏡聚焦作用示意圖 （ 2）不要正對著窗戶、門、灶臺，否則室外的熱氣和人員的頻繁流動會引起傳感器誤報； （ 3）傳感器探測范圍不能有隔板、大型家具、屏風(fēng)等遮擋物。 此外，熱釋電紅外傳感器對人體敏感程度還和人的運(yùn)動方向有關(guān)，它對于徑向移動反應(yīng)最不敏感，而對于切向方向（即與半徑垂直的方向）移動最為敏感。如圖 26所示。 圖 26 熱釋電紅外傳感器靈敏度示意圖 四運(yùn)放集 成電路 LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用 14腳雙列直插塑料封裝 ,外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的 運(yùn)算放大器 , 除電源共用外 ,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖 1所示的符號來表示 ,它有 5個引出腳 ,其中“ +”、“ ”為兩個信號輸入端 ,“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端 ,“ Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中 ,Vi（ ）為反相輸入端 ,表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反 。Vi+（ +）為同相輸入端 ,表示運(yùn)放 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 9 第 9 頁 共 23 頁 輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324的引腳排列見圖 27。 圖 27LM324外形圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由于 LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬 ,靜態(tài)功耗小 ,可單電源使用 ,價格低廉等優(yōu)點(diǎn) ,因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 運(yùn)放電路設(shè)計 利用 LM324 運(yùn)放，設(shè)計的前置放大電路圖如圖 28 所示。 圖 28 前置放大電路圖 此放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大 ,可用于擴(kuò)音機(jī)前置放大等。電路無需調(diào)試。放大器 U1A 由 R R4組成 1/2Vcc 偏置 ,C2是消振電容。 U1A 放大器電壓放大倍數(shù) Av僅由外接電阻 R R5決定： Av1=R5/R2=200K/10K=20。 放大器 U2B 由 R R8組成 1/2Vcc 偏 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 10 第 10 頁 共 23 頁 置， C5 是 消 振 電 容 。 U2B 電 壓 放 大 倍 數(shù) Av 由 外 接 電 阻 R6 、 R9 決 定 ：Av2=R9/R6=1M/10K=100。 Avo=Av1*Av2=20*100=66db。按圖中所給數(shù)值 , Av1=20和Av2=100。負(fù)號表示輸出信號與輸入信號相位相反。此兩級放大電路輸入電阻分別為 RR6， C1和 C4為耦合電容。 （二）比較電路和開關(guān)電路設(shè)計 利用 LM324 設(shè)計的比較、開關(guān)電路圖如圖 29 所示。 圖 29（ a）比較電路 圖 29（ b）電壓傳輸特性 其中 U1 為上限電壓， U2 為下限電壓， Ui 為輸入電壓；當(dāng) UiU1 或 UiU2 時，運(yùn)算放大器 A1 或 A2 輸出高電平 ,輸出 Vo≈ U+om，三極管 Q1 導(dǎo)通， Uo 輸出為低電平。 西南科技大學(xué)高等教育自學(xué)考試（電子信息技術(shù)）畢業(yè)論 文 11 第 11 頁 共 23 頁 當(dāng) U1UiU2時，運(yùn)算放大器 A1 和 A2 均輸出低電平，輸出 Vo=Uom，三極管 Q 截止，Uo輸出為高電平。由圖中傳輸特性可知，當(dāng)輸入電壓 Ui處于 U1和 U2之間時，輸出為 Uom，而當(dāng)輸入電壓的值處于 U1和 U2之外時輸出為 +Uom。在圖 29（ b）電壓傳輸特性電 路中，運(yùn)算放大器的輸出端不能直接相連，因?yàn)閳D 29（ a）（ D D2用 IN4148， R=1K）當(dāng)兩個運(yùn)入輸出電壓的極性相反時，將互為對方提供低阻抗通路而導(dǎo)致運(yùn)算放大器燒毀。在比較器后加上開關(guān)管 ,整個電路不但工作可靠 ,且輸出電流大 ,能驅(qū)動后級的執(zhí)行電器工作。 （三）延時電路 延時電路的功能是使客人離開過后音樂還繼續(xù)在響，在本設(shè)計中可以得用單穩(wěn)態(tài)ME555 后積分電路實(shí)現(xiàn)。 NE555 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器 及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。下面就本設(shè)計需要主要介紹一下它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、基本原理和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 555 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 210 所