测试技术_课程设计__微波_红外双鉴器的入侵报警系统.doc

目 录1 设计的目的和意义12总体方案设计22.1方案比较22.2 方案论证32.3 方案选择33 单元模块设计及工作原理分析43.1 微波多普勒探测模块43.2 HB100输出信号处理模块73.3热释电红外探测模块83.4HN911L的输出信号处理模块133.5双鉴探测器模块134系统调试185系统功能和指标参数195.1报警系统的功能及工作过程195.2 系统指标参数196设计总结206.1 小结206.2系统前景展望及完善改进207参考文献：21附录：防盗报警系统设计原理图221 设计的目的和意义随着信息技术及传感器技术的普及和发展，尤其是跨入新世纪后，保密探测技术得到了迅猛的发展，微波多普勒/红外探测技术已渗透到国民经济的各行各业和人们日常生活的方方面面，在工业自动化、生产过程控制、通信、红外制导、激光武器、电子对抗、环境监测、红外加热、安全防范、家用电器控制及日常生活各个方面都得到了广泛的应用。本论文主要谈了红外技术和微波多普勒效应在防盗报警系统中的应用。 如今市场上成熟的防盗报警产品有被动式的、主动式的和多技术复合式的。但前两者都有致命的缺点就是误报率很高，而多技术复合式的防盗报警器误报率很低，也是未来发展的主要方向。即使如此，我依旧设计的是被动式防盗报警器，因为我以目前的水准很难对已成熟的产品有所突破而设计出一流的产品。个人认为利用红外技术和微波多普勒效应设计防盗报警器的意义在于设计的过程，在设计的过程中我们才会把这几年在学校里学到的融合，同时也让自己明白我们的学习道路还很遥远。报警器适用于仓库、住宅等地防盗报警。在没有人在的情况下它可自动完成报警任务，防止盗窃的发生。自动报警器的设计在一定情况下解决了无人看护仓库、住宅等地物品的保护，使厂家的资产和个人的财产免受损失。本报警器可用于医院住院病人的有线呼叫，设置不间断电源，当电网停电时，备有直流稳压电源在同一地点可监视多处的安全情况，一旦出现偷盗，即可及时通过扬声器发出报警声响。本设计的目的在于设计出一个具有实用价值的、性能较高的利用红外双鉴传感器的防盗报警器。该报警器具有误报率较低、安装和配置容易等特点。该防盗报警器适用于仓库、住宅、机关办公楼等地的防盗报警。在没有人在的情况下它可自动完成报警任务，防止盗窃的发生。自动报警器的设计在一定情况下解决了无人看护仓库、住宅等地物品的保护，使厂家的资产和个人的财产免受损失。达到了本设计的根本目的。2总体方案设计2.1方案比较方案一：本方案采用红外探测和微波多普勒探测的双鉴探测方法，这种探测方法将两种探测技术结合起来，以“相与“的关系来触发报警装置，即只有两种探测器同时或相继在短暂时间内都探测到入侵目标时，才发出报警信号。本系统包括两个探测模块、两个信号处理模块、一个信号判断模块和一指示报警模块。系统组成框图如图2.1所示。热释电红外探测器微波多普勒探测器信号处理模块信号处理模块双鉴探测器报警模块图2.1 入侵双鉴报警系统总体框图方案二：本方案采用主动式红外激光探测方法，由激光发射机发射红外激光束到红外接收机，信号处理器根据红外接收机接收到的信号判断是否发出报警信号。本系统包括红外激光束发射模块、红外接收模块和报警电路模块。系统原理框图如下图2.2所示。光学系统红外激光器驱动电路光学系统红外传感器放大器报警装置信号处理电路图2.2红外激光入侵探测报警系统框图2.2 方案论证方案一：被动式红外线探测器不停的对监测范围进行扫描，并将微红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，送到双鉴器；同时微波探测器也时刻对监视范围进行探测，并将信号装换、放大、处理送到双鉴器。双鉴器对接收到的两路监测信号进行处理，判断，只有当两路探测器同时或相继在短暂时间内都探测到入侵目标时，双鉴器才发出报警指令，由报警装置发出报警信号。方案二： 由驱动电源、红外激光器，光学系统组成的激光发射模块发出数道红外激光，此束到接收装置，若激光束被阻断，接收装置中的红外传感器产生报警触发信号信号经放大后送到报警装置，触发报警。2.3 方案选择方案二采用单技术探测器仅利用了一种探测技术。这种探测器虽然结构简单、价格低廉，但由于受到各种因素的影响，在某些情况下的误报、漏报率会相当高。方案一采用两路独立的探测技术，只有同时感应到入侵者的红外热辐射以及检测到回波的多普勒频率或微波场的扰动时才触发报警。正是由于这双重探测、复合和鉴别，所以可避免单探测技术报警因某种故障或收环境干扰而导致的漏报或误报。因此选择方案一。3 单元模块设计及工作原理分析3.1 微波多普勒探测模块功能：向监护范围发出微波，同时接受反射回来的信号，判断是否有物体的侵入，如果有发出信号送信号处理模块。电路设计：图3.1微波多普勒探测模块原理图微波多普勒效应：多普勒效应是指，当发射信号源与接受者之间存在相对径向运动时，接受到的回波信号的频率或相位将发生变化。这可以从固定目标（静物）和移动目标信号的时域特性和频域特性方面进行分析。为了分析方便，设微波信号源发出的探测信号为单音连续波，其瞬时值为： （3.1）式中： ，为探测信号的频率；为探测信号的初始相位。该探测信号在传播过程中遇到障碍物（包括目标）时会发生反射，微波接收机收到的目标回波信号的瞬时值为： （3.2）式中：为回波信号瞬时高频相位；为回波信号相对于探测信号的时延。 的值为： （3.3）式中：为目标到微波探测器的距离；为电磁波的传播速度，其值为 。对于固定物体（静物），其回波信号的频率与原发出的探测信号的频率 相同，则固定物体反射回波的瞬时值为： （3.4）式中： 为固定物体到微波探测器的距离。对于移动目标，由于运动体对探测器作相对运动，故移动目标相对于探测器的距离是随时间变化的，即 （3.5）式中： 为移动目标被发现时相对于探测器的距离； 为活动目标相对于探测器的径向速度；“号与运动方向有关。活动目标回波信号的瞬时值为 （3.6）式中： 为活动目标回波信号的幅值。 定义： （3.7）即将活动目标与探测器之间的相对运动引起的收、发频率的差额，称为多普勒频率（频移）。这种因相对运动而导致的活动目标回波信号不同与发送的探测信号频率的效应，称为多普勒效应。微波多普勒探测器的结构图图3.2微波多普勒探测器 HB100结构图器件介绍：微波多普勒探测器 HB100微波多普勒传感器是新加坡Agilis公司的产品，其产品销往全球多个国家和地区，销量占据多普勒微波传感器领域全球60%的市场。多普勒微波传感器应用Doppler雷达定理传送低功率微波信号并接收物体反射回来的能量。若微波运动传感器检测到物体的运动，其反射的微波频率将产生偏移，这种偏移的微波与发射的微波相混合，从而在输出端产生一低频电压。内置的多普勒效应收发机模块利用DRO（介质谐振振荡器）和微带接插天线技术实现了低电流消耗、高温稳定性、高可靠性和扁平外形。传感器模块的体积为46.5408.7mm，重8克。这种传感器模块适用于无接触运动和探测应用，如自动门激活、侵入报警、汽车警报器、自动点火控制、及交通道路监控。无接触：无需接触物体操作。无磨损，无裂痕。低环境敏感性：不受热度、周围环境噪音、湿度、气流、灰尘影响，适合恶劣的环境。无障碍：可以“透视”非金属材料，如木头、塑料、玻璃、砖等。可以隐藏或完全封装来防止破坏。安全：能量辐射大大低于OSHA准则，人们不易发觉。长测程：监测运动的范围超过15m。鉴于传感器信号处理技术、目标范围和反射率，测程可以更长。表3.1 芯片HB100参数列表参数注释最小值典型值最大值单位中心频率110.52010.52510.530GHz辐射功率（EIRP）1121520dBm杂波抑制1-7.3dBm建立时间36uSec接收信号强度2200uVp-p噪声输出353dB天线方向图-方位803dB天线方向图-俯仰40电源电压4.755.005025VDC电源电流3040mA脉冲重复频率42KHz脉冲宽度410uSec操作温度-1555重量8gm注释1：HB100辐射功率符合FCC-P art15.245标准注释2：接受信号强度（RSS）在93dB的双向传输衰减条件下测得。注释3：噪声电压测量条件：屏蔽箱中10Hz100Hz输出带宽。注释4：脉冲操作模式。模块连接：三极管节+5V电源；电阻R3接双鉴器模块的14脚；电阻R1接微波信号处理模块中VT3的集电极。3.2 HB100输出信号处理模块 功能：把HB100输出的反应物体移动的低频信号选通输出，并对信号采样保持， 保证信号的连续和完整。由N1及其它部件组成的低通放大电路把HB100的输出放大，在N1的1脚输出。并送到双鉴器模块DZ9862的4脚。可调电阻RP用于调整一级放大器的增益，调整R213的大小可以调整探测距离。 电路设计：图3.3 HB100输出信号处理模块原理图VT3只在HB100起作用期间导通，把HB100输出的反应物体移动的低频信号选通输出， C1为采样保持电路， 保证信号的连续和完整。由LM358组成的低通放大电路把HB100的输出放大，在HB100的1脚输出。可调电阻RP 用于调整一级放大器的增益，调整RP的大小可以调整探测距离。模块连接：VT3的集电极接微波探测器输出端；电阻R13接双鉴器模块DZ9862的14脚。3.3热释电红外探测模块 功能：接收监测范围内物体的红外辐射，并将接收到的信号转化为电信号，输送到下一级信号处理模块。 电路设计：图3.4热释电红外探测模块原理图热释电红外效应：在自然界，任何高于绝对温度(-273)的物体都将产生红外光谱，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。热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钦错酸铅(PZT )等)的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出：在热释电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。能将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。另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以达到提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60db70db，就可以检测10m20m处人的活动。热释电人体红外线传感器的基本结构和原理热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。敏感单元：对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。 传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。传感器仍然没有信号输出。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.110Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为515um），因此，传感器对它们不敏感。当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.110Hz）和对特定波长红外线（一般为515um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。滤光窗： 它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.014um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.514um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为614um，中心波长为10um。 物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）（其中m为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为3637.5。C ，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。 综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。菲涅尔透镜：不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉。这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。器件介绍：热释电红外探测器HN911LHN911系列红外探测模块共有三个型号，通用型（HN911T）、微功耗型（HN911L）和低温型（HN911D）。由于在结构上采用了微型化，设计上突出了对信号处理电路和抗干扰能力的改善，其抗干扰性能，特别在抗电磁波性能方面，得到了很大提高。模块的静态电流不大于1mA，HN911L型仅为20uA。在工作温度方面，HN911D型耐低温，在-30度下仍可正常工作。HN911L的主要性能指标如表3.2：表3.2 芯片HN911L的主要性能指标参数名称参数值参数名称参数值电源电压DC5V0.5放大器增益大于70Db电源纹波不大于0.02V放大器频宽0.3-7Hz传感响应度大于2500V/W输出延时大于2s传感水平角度 大于电源开通到正常延时不大于2ms传感垂直角度大于工作温度-3050静态电流小于20uA保存温度-4060HN911L内电路包括高灵敏度红外传感器、带通放大器、滤波器、信号处理电路、延时电路和高、低电平输出电路等。当防范区内无人移动，即红外探测器件没接到移动人体辐射出的红外信号时，整个模块处于静止状态，此时耗能极少；当有人进入监视场内时，红外探测器件检测到移动人体辐射出的微弱红外线能量，通过放大，滤波后，由比较电路进行比较鉴别。该模块中的放大器具有“增益调节”功能和温度补偿功能。这主要是考虑到在红外探测器工作时，周围环境的红外线（波长为0.320um）辐射能量将与移动的人体辐射出的红外线一起被探测器接收，当气温升高时，背景红外辐射会增强，这将影响对人体辐射的红外线（中心波长为811 um）的检测。设置温度补偿电路，可使放大器通带（0.37Hz）内的增益随环境温度的升高而自动提升，以保证探测器的温度稳定性。图3.5 HN911L的结构图模块连接：输出端连到后面信号放大处理端R173.4HN911L的输出信号处理模块功能：将HN911L输出的有效信号保持放大，并输送到双鉴器DZ9862的3脚。电路设计：图3.6HN911L的输出信号处理模块原理图器件选择：运算放大器选择LM358模块连接：R18与R17及C12的接点处接热释电红外的输出端，运算放大器的输出端接双鉴器的第3引脚。3.5双鉴探测器模块功能：根据微波多普勒探测器与热释电红外探测器探测到信号，判断是否让报警装置报警。电路设计：图3.7 双鉴探测器模块原理图器件介绍：双鉴探测器DZ9862DZ9862是福建大众微波有限公司开发的微波红外双鉴探测器的专用控制芯片。 DZ9862的主要性能参数如下：工作电压： 适用温度范围：0; 储藏温度：; 工作频率：3.58MHz; 消耗电流：小于1.5mA（=5V）; 输入电压：;输出电压： 表3.3 双鉴器DZ9862的引脚功能表管脚号管脚名称功能1LED2LED输出，串接1K限流电阻2LED3LED输出，串接1K限流电阻3TD红外信号输入端4MW微波信号输入端5电源负极6参考电压输入7外接上拉电阻8Rdowm外接下拉电阻9M0模式选择0输入10M1模式选择1输入11D1外接存储器数据输入12DO外接存储器数据输出13CLOCK外接存储器时钟14PULSE微波电源脉冲输出15LED1LED输出，串接1K限流电阻16VDD电源正极输入17OSCO内部振荡器输出18OSC1内部振荡器输入19CS外接存储器片选，高有效20RELAY报警控制信号输出 表3.4 双鉴器DZ9862的模式选择工作模式管脚符合 单红外 单微波 双鉴M0 低 高 高M1 高 低 高DZ9862采用20引脚DIP封装，图3.8是其引脚排列图。各引脚功能如表3.3所列。图3.8 DZ9862的引脚排列图模式选择：DZ9862有三种工作模式：分别为单红外、单微波和双鉴模式，它们可用M0和M1脚来设定。具体设置如表3.4所示.外部存储器说明：DZ9862芯片只有后缀为C或D才具有外接存储器功能。且后缀为C或D时必须外接存储器（93C46）；而如果后缀为A或B，则外接存储器引脚应当悬空。DZ9862的直流电气特性：表3.5 所列是DZ9862的直流电气特性参数。它们的测试条件为。表3.5 DZ9862的直流电气特性参数列表符号特性条件最小典型最大单位输入漏电流1uA输入高电平2.0V输入低电平0.8V时钟输入高电平3.5V时钟输入低电平OSCI1.5V输出高电平2.4V输出低电平0.4V工作电流1.5mA模拟电压输入TD,MW0.24.5V模块连接：芯片引脚3接N2输出端 引脚4接N1输出端 引脚14接微波探测器模块输入端。4系统调试 调试主要是针对硬件设备，根据需要监控的范围，合理确定探测器的敏感距离；调节放大器的增益，使得输出有效信号时足以触发下级电路。 将探测器安装在监测区合理位置，然后将微波探测器输入到DZ9862第4脚引线和红外探测器输入到DZ9862第3脚的信号接到一双踪示波器上，让一人在监视边沿位置来回走动，调节可变电阻RP，使得微波探测器的探测距离达到预定目标。根据数两路输出信号的幅值，调节放大器N1 N2的增益，至输出合适的电平或脉冲幅值。5系统功能和指标参数5.1报警系统的功能及工作过程功能： 当有人或其它物体入侵到监测范围内时，LED1和LED2同时点亮，报警声音响起。工作过程：当有人或其它物体入侵到监测范围内时，微波多普勒探测器发出的微波信号经目标反射后与入射波合成另一频率的微波信号，微波探测器检测的这一信号后，输出一70Hz的脉冲信号，经采样、保持，放大后输出到DZ9862的第四引脚。同时红外探测器也检测到不同于环境温度的红外辐射，经HN911L芯片内部电路的比较和延时后输出端输出高电平，在放大后输入DZ9862的第三引脚。在两路探测信号的激励下，引脚1，2输出高电平，驱动报警信号灯LED1,LED2,点亮，同时引脚20输出高电平，驱动三极管VT3导通，引发继电器吸合，报警信号响起。5.2 系统指标参数微波探测器对径向运动特别敏感，探测有效距离达20米，可覆盖150平方米的空间；红外探测器对垂直方向物体十分敏感，在室内探测距离可达12米，覆盖80平方米的空间；两中探测器综合起来使用，可对80平方米范围内实施有