基于热释电红外线传感器的自动报警器

红外声光报警器课程设计1．设计目的（1）掌握红外报警器的设计方法；（2）学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

2.设计任务设计一防盗报警器，当有人靠近时，报警器发出声音，同时指示灯闪烁。

3.设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用Multisim电路仿真软件）；（2）选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）；(3) 对电路进行局部或整体仿真分析；（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。

4.参考资料（l）李立主编. 电工学实验指导. 北京：高等教育出版社（2）高吉祥主编. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社（3）谢云，等编著.现代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社目录1. 设计任务和要求 (4)1.1设计任务 (4)1.2设计要求 (5)1.3设计原理 (6)2. 设计方案的选择与论证 ----------------------------------- 52.1设计方案讨论选择----------------------------------- 52.1.1方案一------------------------------------------- 52.1.2方案二------------------------------------------- 5 3．电路设计及计算 ---------------------------------------- 93.1 传感器电路设计------------------------------------- 93.2 光敏电路设计-------------------------------------- 123.3 555定时器电路设计 -------------------------------- 123.4 报警电路设计-------------------------------------- 133.5 电源电路设计-------------------------------------- 15 4．课程设计总结及心得体会 ------------------------------- 175.附录 --------------------------------------------------- 186.参考文献 ----------------------------------------------- 201.设计任务和要求1.1设计任务设计一防盗报警器，当有人靠近时，报警器发出声音，同时指示灯闪烁。

1.2设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图；（2）选择常用的电器元件；(3) 对电路进行局部或整体仿真分析；（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告，并完成相应答辩。

1.3设计原理被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。

人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。

人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10μm左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。

为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。

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。

2. 设计方案的选择与论证2.1 设计方案讨论选择2.1.1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。

2.1.2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102~ 106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。

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。

3．电路设计及计算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3.1 D205B参数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）。