第9章 智能家居环境监测系统传感器设计

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A0
VDD DOUT OSC2 OSC1
18 17 16 15 9 13 12 11 10
2 A1 3 4 5 6 7 8 A2 A3 A4 A5 A6/D5 A7/D4
PT2262
VSS A11/D0 A10/D1 A9/D2 A8/D3
14 TE
图9-12 PT2262引脚图
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9.2.2.基于QM-N5型气敏元件的家居有害气体检测报警电路设计
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9.3火灾报警系统传感器选择与设计
“火灾”，是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成 的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁 公众安全和社会发展的主要灾害之一， 火灾的发展过程 大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。选 择合适的火灾探测器的目的在于：在初燃生烟阶段，能 自动发出火灾报警信号，达到早期预警的目的。
图9-6 BISS0001管脚功能图
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（2）由BISS0001组成的热释电传感器信号处理电路
5V
12V
R2
9 10 C2 10nF 11 R6 R5 12 C3 13 1M 10k 14 10uF R7 2M 15 16 R4 R1 RG3 R8 1M C4 10nF 47k 47k C5 47uF 8 7 6 5 4 3 2 1
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常用防盗报警器的种类及特点
（ 4 ）玻璃破碎探测器：利用压电陶瓷片的压电效应 （压电陶瓷片在外力作用下产生变形时将会在其表面 产生电荷），可以制成玻璃破碎入侵探测器。对高频 的玻璃破碎声音（ 10k ～ 15kHZ ）进行有效检测，而对 10kHZ以下的声音信号（如说话、走路声）则有较强的 抑制作用。但该产品灵敏度非常难调，灵敏度过高， 则室外的风吹雨打所也能导致报警；灵敏度过低，则 会因盗贼轻轻拉开窗户力度过轻而未感测到振动而产 生漏报警。
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9.1.1家居防盗报警系统传感器设计
防盗报警系统是指在防范现场探测到有入侵者时能发出相应报 警信号的专用电子系统。它通过相关信号探测传感器器，在建 筑物中进行周界或定方位的探测和保护。
1.常用防盗报警器的种类及特点 （1）门磁传感器：门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系 统中常用的器件，其优点是体积小，工作可靠，可以通过无线 工作，使用起来非常方便。门磁是接近开关的一种，可以是光 电的，也可以是永磁的。门磁传感器通常安装在居室门窗上， 当门窗紧闭时，门磁传感器不报警，当门窗无论何种原因被打 开时，门磁传感器立即报警。
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常用防盗报警器的种类及特点
（5）主动式红外发射／接收传感器：主动式红外发射 ／接收传感器由主动红外光发射器和接收器两部分组 成。红外光在人眼看不见的光谱范围，经过光束聚焦， 在收发器之间形成红外光束，当有人经过这条无形的 封锁线时，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端由 于红外光束产生变化将自动识别是否报警。
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常用防盗报警器的种类及特点
（6）被动式热释电红外传感器 被动式红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测移 动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四 周辐射红外线，被动式热释电红外传感器利用移动目标 (如人、畜、车)自身辐射的红外线进行探测。
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与其它类型的保安设备相比，被动式红外入侵探测器具 有以下特点： 1) 不需要在保安区域内安装任何设备，可实现远距离 控制； 2) 由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射，故保 密性强，能有效执行保安任务； 3) 与环境照度无关，可以昼夜工作，特别适宜在夜间 或黑暗条件下工作； 4) 由于无能量发射，没有容易磨损的活动部件，因而 功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。
实用传感器技术教程
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第9章 智能家居环境监测系统传感器设计
9.1 1.2 9.2 9.3 9.4
智能家居安防系统传感器设计 家居有害气体检测报警系统设计 火灾报警系统传感器选择与设计
家居温湿度检测传感器系统设计
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传感器在原理与结构上千差万别，同一个物理量，可
C4 0.01uF 1 2 3 LHI968 R1 1M 1uF C2 + 0.01uF +C 1
R7 10K
+
R9 C6 0.01uF 4.7K R6
LM324
+
VD1 IN4001
2M C5 3 4 R4 R5 + + LM324 1 2 10K 10uF 11R 3 47K
R21M C3 47uF
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2）热释电传感器：热释电红外传感器是报警器的核心器 件，它可以把人体的红外线信号转换为电信号以供信号处 理部分使用。 热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，3个引脚分别 为电源端（内部开关管D极），信号输出端（内部开关管S 极），接地端（GROUND），其外形及引脚见图9-3：
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9.1.2.无线门磁传感器系统设计
1.无线门磁传感器简介
无线门磁传感器是一种在 保安监控、安全防范系统 中常用的器件，其体积小， 工作可靠，通过无线工作， 使用起来非常方便。
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2.无线门磁传感器内部工作原理
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3.PT2262介绍
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以有多种不同测量原理的传感器可供选择，同一种传 感器，也可以用来测量多种不同的物理量。如何根据
9.1 智能家居安防系统传感器设计
智能家居指的是一个居住环境，是指以住宅为平台安 装有智能家居系统的居住环境，又称智能住宅。通俗 地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统 和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系 统，本节重点介绍家庭安防系统和环境控制系统传感 器的选择和使用。
R9
VD1
J1
源自文库
D S G
BISS0001
R10
R11
SW1 1 2 C6 C7
VT1
C1 10nF
图9-8 热释电红外开关电路原理图
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A 1IN+ 1IN1OUT
1 11 14 15 16 VL + OP2 + OP1 VH U1 2 3 COP2 + COP1 10 VDD IB VO RR1 RC1
9.2家居有害气体检测报警系统设计
9.2.1.常用气敏传感器分类及工作原理 气敏传感器是一种将检测到的气体类别、成分、和浓度转换为 电信号的传感器。可用于对气体的定性或定量检测。气敏材料 与气体接触后会发生化学或物理相互作用，导致其某些特性参 数的改变，包括质量，电参数，光学参数等。气敏传感器利用 这些材料作为气敏元件，把被测气体种类或浓度的变化转化成 传感器输出信号的变化，从而实现气体检测目的。
具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在具体场合进行某个量的测量时首先要解 决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方 法和测量设备也随之确定，因而测量结果的成败，在 很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 智能家居环境监测系统既有温湿度检测、有害气体检 测等检测功能，又有火灾报警和防盗报警等控制功能， 是一个典型的多传感器的测控系统。本章以智能家居 环境监测系统传感器设计作为传感器综合设计实例， 介绍传感器应用系统设计过程中的如何选择、计算以 及安装传感器，同时给出各种传感器的实际应用电路。
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双元热释电红外检测元件 LHI968内部电路图如图9-4所 示:
光学滤镜 场效应管
EMI电阻
D S
双热释 电元件
+ - 偏置 - 电阻 +
EMI + 电容
GND 外壳
图9-4 双探测元热释电红外传感器
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+5V
3）信号处理 电路：信号处 理主要是把热 释电传感器输 出的微弱电信 号进行放大、 滤波、延迟和 比较，为报警 功能的实现打 下基础。如图 9-5所示
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2. 基于分离元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计 （1）被动式热释电红外传感器的结构原理
待测 目标
光学系统 菲涅尔透镜
热释电红 外传感器
信号 处理
报警 电路
图9-1 报警器结构框图
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1）光学系统：主要由菲涅耳透镜构成，菲涅耳透镜是根据 菲涅耳原理制成，其作用主要有两个：一是聚焦作用，即将 探测空间内的红外线有效地集中到热释电传感器上。二是将 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 物体能以温度不断变化的形式在热释电红外传感器上产生变 化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就可以产生相应 的控制信号，图9-2为菲涅耳透镜外观图。
-
41M
LM324
-
R10 10K
LM324
+
VD2 IN4001 R12 1M + C7 10uF CLR B A Q VT1 9013 R16 51 C RC Q
R8 10K
-
4.7K R11
R17
SW 4 1 R15 51 2 3 VT2 9013 C8 + 10uF
240K
5 6 BELL
2IN2OUT VC VRF /RESET
VM 13 12 9
+
状态控 制器
+ VR COP3 U2
延迟时间 定时器Tx
4
封锁时间 定时器Ti
6 5
RR2 RC2
8 VH VM VL VR
7
VSS
图9-7 BISS0001原理框图
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4.热释电传感器应用领域及常用型号参数
目前市场上常见的产品主要有：日本KDS产品：KDS209S， PIS-204S；尼赛拉产品：RE200B，RE03B，PD632；德国 海曼产品：LHI958，LH1954，LHI1448，LHI878， LHI778，上海产的SD02、PH5324，美国HAMAMATSU公司 产的P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、 RS02D等。虽然生产厂商众多，但因其结构、外型和基 本参数大致相同，大部分可以互换使用。
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常用防盗报警器的种类及特点
（3）微波雷达传感器：微波雷达探测器是一种将微波 收、发设备合置的探测器，采用多普勒雷达的原理， 将微波发射天线与接受天线装在一起，通过检测活动 目标产生的反射波频差进行报警。微波入侵探测器的 主要缺点是安装要求高，微波段的电磁波由于波长较 短，故穿透力强，所以在安装时不要面对室外。另外 金属物体对微波反射较强，因而在探测器防范区域内 不要有大面积（或体积较大）物体存在，如铁柜等， 否则其后面的阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏 洞。其另一个缺点是会发出对人体有害的微量能量， 因此使用时必须将能量控制在对人体无害的水平。
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常用防盗报警器的种类及特点
（2）超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特 性研制而成的传感器，超声波报警装置的有效性取决 于能量在保安区域内多次反射后的能量大小，像墙壁、 桌子和文件柜等硬表面物体对声波有很好的反射作用， 而地毯、窗帘和布等软质材料则是声波的不良反射体。 因此在充满软质材料的区域应该避免使用超声波传感 器。
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5热释电红外传感器的安装注意事项
1）不能安装在室外。2）红外线热释电传感器应离地 面2～2.4米，向下倾斜15度角。3）红外线热释电传感 器远离空调, 冰箱， 火炉等空气温度变化敏感的地方。 4）红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔 家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。5）红外线 热释电传感器不能直对门窗及有阳光直射的地方，否 则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件 的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装 在有强气流活动的地方。6）安装探测器的天花板或墙 要坚固，不能有晃动或震动。
HEF4538B
KD9561
51
R13
图9-5 报警器的工作电路图
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3. 基于集成元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计
（1）BISS0001介绍
1 6 1 VO 2 5 1 RR1 3 4 1 RC1 4 3 BISS0001 1 RC2 5 2 1 RR2 6 1 1 VSS 7 0 VRF/ 9 RESET 8 A 1 1OUT 1IN1IN+ 2IN2OUT VDD IB VC