馮曉月-熱釋電人體紅外線檢測電路

PAGE8-內(nèi)容摘要隨著社會的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高,人們的安全意識越來越強(qiáng)，基于此種情況各種不同的報警器也越來越多。其中以熱釋電人體紅外線防盜報警器最為突出，它以其相當(dāng)高的靈敏度和可靠性，深受廣大用戶的喜歡。本文就是以熱釋電人體紅外線檢測為核心，結(jié)合各種報警電路裝置及其外圍輔助電路,構(gòu)成了一個集防盜、防火等多種檢測功能為一體的多功能防盜報警系統(tǒng)。索引關(guān)鍵詞：熱釋電紅外線報警器傳感器目錄ＴO(shè)Ｃ\o”1－3＂＼h\z\ｕHYPERLINK\ｌ"＿Toc28045403８＂第一章緒論 PAGEREＦ_Toc28045４038＼ｈ—１-ＨYPERLINＫ\l＂_Toc２804540３9＂1.1課題背景 PＡGＥREF_Toc2８045４039\h-1-ＨＹPERLINK\l"_Toc２８０45404０"1.２熱釋電人體紅外線的應(yīng)用 ＰAＧERＥＦ_Ｔoc280454040\h－1－ＨYPERLINＫ\l”_Toc280454041”第二章熱釋電紅外傳感器的工作原理 PAＧEREＦ＿Toc2８0４5４0４1\h－1-ＨYPＥRLINＫ\l"_Toc2８04５4042”2.１熱釋電紅外傳感器的工作原理?PAＧＥRＥF＿Tｏc2８0４５４０4２\h-1—HYＰＥRLＩNK\l”_Ｔoc28０4５4043"2。2熱釋電紅外傳感器優(yōu)缺點(diǎn) PAＧEREF＿Toｃ2804５４０43\h-2-HYPERLINK\l＂＿Toc280454044”第三章熱釋電紅外線防盜報警器的電路設(shè)計 ＰAGＥＲEF＿Toｃ2８0454０44\h－2－HYPERLINK\l”＿Toc２80454045”３．1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PＡGEREF_Tｏc２80４54045\h—2－HYPERLINK\ｌ”_Toｃ28045404６”3.2電路說明?PＡGEＲEF_Toｃ2804５４046\ｈ—2-ＨYPEＲLIＮK\l"_Toc280４54047”后記?PAGEREF_Toｃ280454０４7\ｈ—8-HＹPＥRＬＩNK參考文獻(xiàn) PAＧERＥF_Tｏc28０454048＼h—9－熱釋電人體紅外線檢測電路第一章緒論１。1課題背景紅外線是一種光線，是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，具有普通光的性質(zhì)，可以以光速直線傳播。紅外線由德國科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射（Inｆraredradiatｉｏn)。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0。75～１。５0μm之間;中紅外線，波長為1。50～６.0μm之間；遠(yuǎn)紅外線，波長為6．0~l000μm之間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,紅外線越來越廣泛的應(yīng)用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療、考古、天文、探測等科學(xué)領(lǐng)域,即使在日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用到紅外技術(shù)。如紅外線取暖器、紅外自動干手器、紅外線報警器、遠(yuǎn)紅外糧食烘干等.熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件.它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路.1。2熱釋電人體紅外線的應(yīng)用隨著社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,人們生活水平得到很大的提高，對私有財產(chǎn)的保護(hù)手段在不斷的增強(qiáng)，對防盜設(shè)施的智能化提出了新的要求。本設(shè)計就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計的家庭式電子防盜系統(tǒng).它在以前的防盜器基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大的改進(jìn)，由于使用了單片機(jī)做信號處理器，不但可以用于單一的住宅區(qū),也可以用于較大規(guī)模住宅區(qū)的防盜系統(tǒng)。它的工作性能好,不易出現(xiàn)不報和誤報現(xiàn)象,安全可靠.在我國，目前市面上報警器主要有壓力觸發(fā)式防盜報警器開關(guān)電子防盜報警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報警器等各種報警器，但這幾種比較常見的報警器都存在一些缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了人體熱釋電紅外傳感器,在人體探測器領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器因其價格低廉、制作簡單、成本低，安裝比較方便，防盜性能比較穩(wěn)定，靈敏度高、安全可靠等特點(diǎn)，備受廣大家庭用戶的歡迎。而且防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn).第二章熱釋電紅外傳感器的工作原理2．1熱釋電紅外傳感器的工作原理早在1９3８年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射的原理.近年來,伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,以及對該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長.在自然界,任何高于絕對溫度（—27３K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜,不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關(guān)的,而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會發(fā)出10μm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷,后經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。被動紅外探頭,其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件,而且制成的兩個電極化方向正好相反,環(huán)境背景輻射對兩個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，于是探測器無信號輸出.2.2熱釋電紅外傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射,器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。缺點(diǎn)：一、容易受各種熱源、光源干擾。容易受射頻輻射的干擾。二、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。三、環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈.第三章熱釋電紅外線防盜報警器的電路設(shè)計３.１.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器電路，觸摸式傳感器電路，邏輯控制電路及報警電路四部分組成。熱釋電人體紅外傳感器電路采用熱釋電人體紅外傳感器檢測人體紅外信號再由專用模塊放大，鑒頻，延遲等產(chǎn)生報警信號.觸摸式傳感器電路常用導(dǎo)電布、導(dǎo)電膜或金屬線將保險柜、文物柜或其他貴重物品、展品保護(hù)起來。該報警裝置一經(jīng)觸發(fā)便能自動報警。在家庭中我們可以在陽臺邊、防護(hù)欄、空調(diào)室外機(jī)等處布防，一旦有人企圖攀爬即可發(fā)出警報。３。2電路說明一、熱釋電人體紅外線傳感電路熱釋電紅外傳感器是一種非接觸方式檢測人或物體等被測對象的熱釋紅外線。在電子防盜、人體探測器領(lǐng)域中,熱釋電紅外探測器由于檢測溫度范圍大(—80～150０℃）,在整個光波范圍內(nèi)頻率響應(yīng)均勻，靈敏度高,技術(shù)性能穩(wěn)定安全可靠而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。采用熱釋電人體紅外傳感器制造的被動紅外探測器，用于控制自動門,自動臺燈及高級光電玩具等。人體都有恒定的體溫，一般在37度,所以會發(fā)出特定波長1０UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的１0ＵM左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(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)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號.熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,在元件兩個表面做成電極,在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV.由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時,ΔT=0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT,則有ΔT輸出;若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出了。二、熱釋電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由敏感元件、場效應(yīng)管，高阻值電阻，濾光窗,菲涅爾透鏡等構(gòu)成。熱釋電體是一種具有強(qiáng)烈自發(fā)極化效應(yīng)的電介質(zhì)材料如鋯鈦酸鉛（PＺT)陶瓷、鉭酸鋰（LｉTａO3)單晶體等，這類介質(zhì)的表面平時靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡,當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變時，介質(zhì)內(nèi)部極化狀態(tài)隨之發(fā)生變化，由于內(nèi)外層電荷變化速度發(fā)生“失步”現(xiàn)象，使得介質(zhì)表面出現(xiàn)熱釋電效應(yīng).熱釋電元件的等效電阻高達(dá)１0１0Ω，為了獲得最佳噪聲系數(shù)，必須進(jìn)行阻抗匹配，前置極一般采用高輸入阻抗，低噪聲ＪＦET與其匹配。制作時，熱釋電體、輸入電阻器、第一級JFＥT通常封裝于一個管殼內(nèi),成為一個不可分割的整體。等效電路如圖3—1所示.圖３-1第一級ＪＦＥT輸出信號的信噪比由熱釋電紅外傳感器決定.同時,為了使熱釋電紅外傳感器只對紅外光譜中某一段紅外輻射敏感，必須在熱釋電體前設(shè)置濾光片。當(dāng)熱釋電紅外傳感器作為入侵防盜報警使用時，主要是使熱釋電紅外傳感器波長在0。2~20μm范圍內(nèi)幾乎是穩(wěn)定不變的，在傳感器的設(shè)計中,熱釋電體表貼上波長為７~10μm的濾光片，這樣可以避免太陽光的輻射和其他的紅外輻射的干擾，從而減少虛報。由于熱釋電紅外傳感器主要對人體目標(biāo)移動做出響應(yīng)，根據(jù)人行走的頻率計算結(jié)果，電流的頻率響應(yīng)最好在0.1～10Hz之間。這樣既可以截止過低頻率的信號，也可以截止較高頻率的信號。因?yàn)樾∮?。１Hz信號易受外界環(huán)境溫度變化和元件參數(shù)改變的影響，大于10Hz的信號從圖3-２可以看出，噪聲電壓隨著頻率的增大而迅速增大，加之當(dāng)信號頻率接近50Hz電源頻率時，易受50Hz電磁干擾,因此在電路設(shè)計中應(yīng)根據(jù)輸出噪聲電壓變化及信號頻帶要求.采用有源帶通濾波器消除干擾,提高整個系統(tǒng)的可靠性。熱釋電人體紅外傳感器的應(yīng)用中，目前采用帶通放大器,放大器的中心頻率一般在1Ｈz左右。放大器帶寬對靈敏度和可靠性的影響大.帶寬窄，噪聲小,誤測率低；帶寬寬，噪聲大,誤測率高，但對快,慢速移動的影響好.放大器信號的輸出可以是電平輸出,繼電器輸出或可控硅輸出等多種方式.圖3—2三、BISS０001(人體熱釋電紅外感應(yīng)集成電路)ＢIＳＳ０001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān).它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)，如圖３—３。圖３-3圖3－４圖３—4為BISＳ00０1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,運(yùn)算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由Ｃ3耦合給運(yùn)算放大器OP２進(jìn)行第二級放大，再經(jīng)由電比較器CＯP1和CＯP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經(jīng)晶體管T１放大驅(qū)動繼電器接通負(fù)載。四、熱釋電人體紅外報警器總體電路圖圖３-5它是采用熱釋電紅外傳感器及BIＳＳ0０01組成的報警系統(tǒng)。在圖3-5中，采用熱釋電人體紅外器進(jìn)行接收人體紅外信號,接收到的信號在經(jīng)過R1，Ｃ1進(jìn)行隔交(去除交流干擾),限幅,整流輸入到BＩSS0001的１4管腳,經(jīng)14,15管腳一級放大后由16口輸出.輸出信號由電阻R6和電容C3進(jìn)行耦合,其后由13管腳輸入,二級放大，由12管腳輸出。再經(jīng)雙向鑒幅,狀態(tài)控制器，從2端口輸出。經(jīng)過處理后有2管腳輸出再由ＶT8０50進(jìn)行電流控制接通負(fù)載(報警器）。８，1１管腳接電源,7管腳接地.１０管腳為運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端,外接較大的電阻。3,4管腳為延遲端口，由R1０,C6來完成延時。輸出延遲時間Ｔx由外部的R9和Ｃ7的大小調(diào)整，值為Tx≈2457６xR9C7；5,6管腳為封鎖端口，由R9，C7組成，觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R１0和Ｃ6的大小調(diào)整，值為Ti≈24xＲ1０Ｃ6。９端口為觸發(fā)禁止端。當(dāng)Vｃ＜ＶR時禁止觸發(fā);當(dāng)Ｖｃ〉VＲ時允許觸發(fā)，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R３的電阻值會降低,使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Ｖs。1管腳為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)SＷ1與１端連通時,芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)ＳＷ１與2端連通時，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式.以下是熱釋電人體紅外防盜報警器的兩種工作方式：不可重復(fù)觸發(fā)方式：圖3-6所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形,來說明其工作過程。首先，根據(jù)實(shí)際需要,利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后利用Ｃ3，Ｒ6進(jìn)行耦合信號輸送給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級放大,同時將直流電位抬高為VM（≈0.5VDD）? 圖3-6后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和ＣOP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0。7ＶDＤ、VL≈0．3ＶDD，所以，當(dāng)VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP３是一個條件比較器。當(dāng)輸入電壓Ｖｃ＜ＶR（≈0。2VDD)時,ＣOP3輸出為低電平封住了與門Ｕ２,禁止觸發(fā)信號Ｖs向下級傳遞;而當(dāng)Vc〉VＲ時,COＰ3輸出為高電平，進(jìn)入延時周期。當(dāng)A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結(jié)束,即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時間結(jié)束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進(jìn)入封鎖周期Tｉ。在Tｉ時間內(nèi)，任何V２的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)(高電平)，可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾.（2)可重復(fù)觸發(fā)工作方式圖3-7圖3－７所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程?？芍貜?fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“０"、A=“0”期間,信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Ｖc=“1”、A=“1”時，Vｓ可重復(fù)觸發(fā)Ｖｏ為有效狀態(tài),并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài).在Tx時間內(nèi),只要Vs發(fā)生上跳變，則Ｖo將從Vｓ上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Ｔx周期;若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0"狀態(tài)，則在Tｘ周期結(jié)束后Ｖo恢復(fù)為無效狀態(tài),并且，同樣在封鎖時間T