红外线防盗系统分析研究吴路文

1、学科分类号：理工类湖南人文科技学院本科生毕业论文题目 中文）:红外线防盗报警系统研究英文）：Infrared anti-theft alarm systemresearch学生姓名：吴路文 学号08417348系部：电子信息科学与技术专业年级：电子信息科学与技术指导教师：李双桂职称：副教授湖南人文科技学院教务处制热释电传感器用开关代目录摘要 3引言 4 第一章国内外研究动态动 5 第二章红外线 62.1红外线简介 62.1.1 红外线 62.1.2 红外辐射 62.1.3 红外辐射原理 72.2 红外技术 72.2.1 红外技术的基本应用 72.2.2 红外技术的发展史以及发展趋势 72.3

2、红外技术的研究现状 10 第三章红外探测器 103.1 红外探测器 103.2 红外探测器的分类 113.3 被动红外探测器 123.4 主动红外探测器 133.4 热释电红外传感器的原理特性 13 第四章电路组成及框图 154.1 电路的组成 154.2 电源电路 164.3 整流滤波电路 164.4 稳压电路 194.5 放大电路的设计 204.5.1 反相交流放大器 204.5.2 同相交流放大器 204.5.3 比较器电路设计 21 第五章整机工作电路及工作原理23 第六章电路的仿真及元器件介绍246.1电路仿真246.1.1 电源电路仿真图 246.1.2 红外线热释电传感器报警指示

3、仿真图 替）256.2 元件的介绍 256.2.1 KP506B 红外传感器 256.2.2 LM324 集成运放 26 参考文献： 28 致谢 29附录 1 电路原理图 30摘要通过介绍热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警 功能，达到了安全防护之目的。该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和报警指示电路等组成。当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警信号，适 用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。概述了红外辐射的知识、热

4、释电红外传感器的结构和工作原理。本文研究热释电红外传感器设计的一种被动式红外报 警电路，分析了该电路的功能和工作原理。热释电红外传感器具有很多的优点，在防盗、警戒等装置中应用较广。关键词：热释电红外PIR);传感器；热释电效应InfraredInfrared anti-theftanti-theft alarmalarm systemsystem researchresearchAbstract:Abstract:Through the in troduct ion of pyroelectric in frared sen sor worki ng prin ciple, give a pa

5、ssive pyroelectric in frared alarm structure theory and applicatio n circuit. The circuit of the hidden nature of the infrared alarm system applies very well, so as to achieve the an ti-theft alarm fun cti on, achieved the purpose of security. The alarm can detect in frared radiati on gen erated by

6、a huma n body, compris ing an infrared sensor, a signal amplification circuit, voltage comparator, a delay circuit and an alarm indication circuit. When people enter the alarm monitoring region, which can send out alarm signals, is suitable for family, office, warehouse, laboratory and other importa

7、 nt occasi ons an ti-theft alarm. Overview of the in frared radiatio n of the knowledge, the pyroelectric infrared sensor structure and working principle. This paper studies the pyroelectric infrared sensor design of a passive infrared alarm circuit, an alyzes the fun cti on of the circuit and work

8、ing prin ciple. Pyroelectric in frared sen sor has many adva ntages, in the an ti-theft warning device, widely used in.KeyKey words:words: pyroelectric in frared ( PIR 。 sen so。 pyroelectric effect引言科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电 子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。现在人们更是感觉到了科技 给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会的发展

9、中起了很 大的推动作用，安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。它的特点 是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续 性。随着国民经济的发展，社会安全保障的需要，电子报警这门综合技术也在不断 地发展。有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是人们的基本要求，在无人看守的 家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的 要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。 针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。如有门磁式、触摸式、红外线监 测等自动报警系统，报警器为人们解决了不少问题但是市场上的报警器大部分都 是用于一些

10、大公司财政机构。价格高昂，一般人们难以接受。如果再设计和生产 一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更 加有效的作用。由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、 警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中， 被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户 和专业人士的欢迎。红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领 域都得到广泛的应用。由于它是不可见光，因此用它作防盗监控报警器，具有良 好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强防盗报警系统是用物理方 法或电子技术，自动探测发生在布防监

11、测区域内的侵入行为，产生报警信号，并 提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是 预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警 信号在安保控制中心。第一章国内外研究动态动防盗报警系统通常由：探测器 又称报警器）、传输通道和报警控制器三部 分构成报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，是由 电子和机械部件组成的装置 。1.报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、 被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波 报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、

12、视频 运动检测报警器、声音探测器等许多种类。2.报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。3.报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报 警探测器。除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使 用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范 要求。本设计的名称为“红外防盗报警器”。这是一种新型多功能防盗报警 器，该设计的实物将有功能扩展性好，硬件配置先进等优点。此套报警系统对 防范盗窃和追捕盗窃犯，有着重要的实用意义。该设计的完成主要由两个因素 驱动，其一，满足消费需求的程度和领先性；其二

13、，科学技术的发展。该设计 主要有以下几个特点：1. 由于防盗报警系统用途的特殊性，这就需要防盗报警系统不断改进其功 能以应对盗贼层出不穷的盗窃手段。在设计时，充分考虑这一问题，使得系统 的功能有着很好的扩展性，可以针对不同的场合，进行系统的改进。2. 在设计时，考虑到实际现场环境和用户的安全防范要求。3. 具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短 路或断路时，均能产生报警信号输出。4. 具有一定的抗干扰能力，可以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物 和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。5. 系统的灵敏度和可靠性很高。第二章红外线2.1红外线简介 12.1.1

14、红外线红外线是由德国科学家霍胥尔于 1800 年发现，又称为红外热辐射 , 他将太 阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量 各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。 红外线具有： 1. 有热效应 2.穿透云雾的能力强因此得到结论：太阳光谱中，红 光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太 阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为 0.751000卩m红外线可分为 三部分，即近红外线，波长为 0.751.50卩m之间；中红外线，波长为1.50 6.0卩m之间；远红外线，波长为 6.01000卩m之间。152.1.

15、2红外辐射红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波 （电磁辐射。 1666年，英 国物理学家I.牛顿发现，太阳光经过三棱镜后分裂成彩色光带红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫。1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究 太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之 外。因此，他认为在红光之外存在一种不可见光。后来的实验证明，这种不可 见光与可见光具有相同的物理性质 , 遵守相同的规律 ,所不同的只是一个物理参 数波长。这种不可见光称为红外辐射，又称红外光、红外线。1718世纪，许多物理学家认为，光 包括红外光和紫外光）具有波动的 性质, 有一定的传播速度 , 波

16、长是它的特征参数并可以测量。可见光的彩色不 同，反映了它们的波长不同。紫光的波长最短 ,红光的波长最长 , 红外辐射的波 长则更长，紫外光的波长比紫光更短。 1864年，英国物理学家 J.C. 麦克斯韦从 理论上总结了当时已有的电磁学规律 , 提出了存在电磁波的可能性 ,它的传播速 度可用纯电学量计算出来。后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。因而 猜想，光波就是电磁波。1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜 想。已知带电体受到扰动就发射出电磁波。扰动越强烈，发射出电磁波的能量 就越大，波长就越短。2.1.3 红外辐射原理红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基

17、于任何物 体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热 红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈 小。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度 (-273 C 就存在分子和 原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线，物体的红外辐射能量的大小 与其波长的分布以及其表面温度有着十分密切的关系。在某些应用现场，检测 器要接触被测物是不实际或者是不可能的。而红外检测器可以在短时间内远距 离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。2.2红外技术2.2.1红外技术的基本应用 红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。红外技

18、术的内容包含四个主要部分：1. 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的 分布；辐射在媒质中的传播特性 - 反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电 效应等。2. 红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤 光电等。3. 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。4. 红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究涉 及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件 及系统；既有材料问题，又有应用问题。与红外线相关的技术还有：探测技 术。精确制导技术。光电子技术。先进材料技术2.2.2红外技术的发展史以及发展趋

19、势 1自从1800年英国天文学家FW赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发 展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究 逐步发展，但发展比较缓慢，直到 1940年前后才真正出现现代的红外技术。当 时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用 红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机 载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室实验阶段，有些已小批 量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。 特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应 用于单兵装备、装甲车辆、航空和

20、航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导 等各个领域。红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，FW赫歇尔发现红 外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。 1830年以 后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。 1 9世纪，科学家们使用热敏型红外探测 器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理 性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是 光速、波长是它们的特征参数并可以测量。 20世纪初开始，测量了大量的有机 物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了

21、红外技术在物质分析中的价 值。 30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的 仪器。 40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类 探测器，其性能优良、结构牢靠。 50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电 型红外探测器得到新的推动。到 60年初期，对于13、35和813微M三 个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、 光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两 用方面都得到了广泛的应用。从 60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现 了红外技术的现状及发展方向。1. 红外探测器最早是用单元探测器，为

22、了提高灵敏度和分辨率，后来发展 为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过 （串扫同一目标时，它输出的信 噪比可比单元探测器高n开平方）倍，n为元数。如果多元线列探测器平行扫 过（平扫目标时，则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外 探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作 为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。现在，红外探测器已从多元发展 到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。目前，长波碲镉汞（HgCdTe：探测器面阵已达640X 480元，焦平面阵列探测器的实验室水 平已达256X 256元，预计到2000年可达到百万元。2.

23、红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。早期的红外探测器通常 工作在近红外。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外 和远红外。3. 轻小型化。非致冷、集成式、大面阵是红外探测器方向的发展。采用低 温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具 有良好的性能，但它也使红外探测器体积大、成本高。为了实现小型化，必须 减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将 是今后的发展方向。利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，也可使红 外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使其向轻集成化、 大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性

24、能。4. 红外探测系统从单波段向多波段发展。正如前面所述：在大气环境中，目标的红外辐射只能在13、35和813微M三个大气窗口内才能有效地传 输。如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系 统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低 预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更 好地满足各军兵种的需要。在红外技术的发展中，需要特别指出的是： 60 年代激光的出现极大地影响 了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电 子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更 高的分辨率和

25、更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐 射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另 外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动 红外技术向更先进的方向发展。红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长 波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。 红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断 其发展趋势。(1 红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到 106108元以上 的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清 晰度热像仪

26、，极大地缩小整机体积，增强功能。(2 双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成 像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。(3 探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红 外整机实现智能化。(4 提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展 重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。(5提高成品率，降低价格。2.3红外技术的研究现状物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度 (0 K或- 273E 的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外 线的强度也越大。我们根据各类

27、目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外 技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。在现代战 争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空 中和空间获取战场信息的关键技术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和 物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。红外技术已成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段。一切军 事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都 散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外技术装备，就可以从空中和空间对 这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可 以白天黑

28、夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从 70 年代 以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警 报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导 弹的发射和方向，据说将来美国的天基红外系统可在 20 秒内，提供有关导弹发 射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。第三章 红外探测器3.1 红外探测器 红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件 . 要察觉这种 辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一 般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵 敏，均可用

29、来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效 应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电 量。据能量转换方式 , 红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类 . 热探测 器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化 , 而光子探 测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应 , 具体表现为探测器 响应元自由载流子 （即电子和/或空穴数目的变化 .由于这种变化是由入射光子 数的变化引起的 ,光子探测器的响应正比于吸收的光子数 . 而热探测器的响应正 比与所吸收的能量 .热探测器的换能过程包括 :热阻效应,热伏效应 ,热气动效应 和热释

30、电效应 . 光子探测器的换能过程包括 : 光生伏特效应 , 光电导效应 , 光电磁 效应和光发射效应 . 探测器已经有了 20 多年的发展历史，但是基于探测器本身 的原理，目前还存在很多不尽人意的地方。例如，被动红外探测器受外界环境 的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象； 而当温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况； 另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物 的活动，容易发生误报现象。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应 元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包

31、括 致冷部件、光学部件和电子部件等。从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见 光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目 标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是目标和背 景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的 能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；由 于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的 研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技 术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。红外探测器是将 不可见的

32、红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外 整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中 心。3.2 红外探测器的分类红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学 科，是一门综合科学。热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使 探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与 压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功 率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：(1 液态的水银温度计及气动的高莱池 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的 温差电效应。(3 石英

33、共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来 实现红外探测。(4测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应辐射引起温升改 变材料电阻用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测 温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度 附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21 世纪最引人注目的一类探测器；(5 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外 辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的 晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。光子探测器光子探测器吸收光子后，本

34、身发生电子状态的改变，从而引起 内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光 子数。(1光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内 一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为 光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两 种。(2 光伏探测器：主要利用 p-n 结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红 外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p 区，电子进入 n 区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器 比较，光伏探测器背景限探测率大 40%，不需要外加偏置电场和

35、负载电阻，不 消耗功率，有高的阻抗。(3光发射 -Schottky 势垒探测器：金属和半导体接触，形成 Schottky 势 垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费 M能级，留下 空穴越过势垒进入 Si 衬底， PtSi 层的电子被收集，完成红外探测。(4量子阱探测器VQWIP :将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形 成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而 能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。 因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低； 量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高

36、；响应光谱区窄；低温要求 苛刻。3.3被动红外探测器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10卩m左右的红外线，被动红外报警器就是靠 探测人体发射的10卩m左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10卩m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

37、。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10卩m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。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的 许多防盗报警器材相比，具有

38、如下特点：1. 不需要用红外线或电磁波等发射源。2. 灵敏度高、控制范围大。3. 隐蔽性好，可流动安装。3.4主动红外探测器主动红外探测器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光 学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分 组成。主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光 二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束此光束的波长约在0.80.95微M之间），经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被 接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处 理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机

39、，构成 了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵 该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变 化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、 三光束还有多光束的红外栅栏等。一般应用在周界防范居多，最大的优点就是 防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。3.4热释电红外传感器的原理特性 2热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。 不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高 热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化

40、。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传 感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因 而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。 热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电 元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该 电阻阻抗高达104血，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟 随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应 管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的 两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

41、由 于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。双 探测元热释电红外传感器的结构。使用时 D端接电源正极，G端接电源负极，S 端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目 的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干 扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外 辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个 探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料 是一种广谱材料，它的探测波长范围为0. 220卩m为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器

42、在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤 波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外 辐射拒之门外。第四章电路组成及框图4.1电路的组成随着电子技术的飞速发展和日益普及，电子报警器已经在各企业事业单位和人们的日常生活中得到广泛的应用，红外线报警器可监视几M到几十M范围内移动的人体，当有人在该范围内走动时，发出报警。其电路的组成框图如图4-1所示。图4-1报警器电路的组成图1 电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、 稳压器的稳压得到5V的直流电压。2传感器：传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电 信号的器件。3 放大滤波：是由集成运算

43、放大器 LM324和电容构成对传感器的信号进行 放大和滤波供下一级电路使用。4比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1和U2作为参考电压U2与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人 进入的情况。4.2电源电路3直流电源DC power有正、负两个电极，当两个电极与电路连通后，能够 使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流 来为电路工作提供能量。在设计采用的是5V的芯片，所以电路设计为5V的电源。4.3整流滤波电路4.3.1 .整流电路4 5晶体二极管是由两种具有不同导电性能的 n型半导体和p型半导体结合形 成的pn结构成的，如图4-1a）所

44、示，pn结具有单向导电的特性，常用符号表 示如图4-1b ）。（呂）图4-1二极管的pn结构及符号图4-2二极管的特性曲线当pn结加上正向电压vp区接正、n区接负）时，外电场使pn结的阻挡层 变薄，形成比较大的电流，二极管的正向电阻很小；当pn结加上反向电压时，外电场使pn结的阻 挡层变厚，形成极小的反向电流，表现为反向电阻非常大。晶体二极管的正反 向特性曲线如图4-2所示，即二极管具有单向导电性。利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉冲直流电，其过程称为整流。如图4-3是桥式整流滤波电路，其整流过程如下：当交流电为正半周时，M点电压高于N点电压，D2、D4截止，而D2、D5导通，电流将从交

45、流电源依次 通过D2 RL、D5回到电源；当交流电为负半周时，N点电压高于 M点电压，D2、D5截止，而D3 D4导通，电流将从交流电源依次通过 D3 RL、D4回到电 源。这样通过RL的电流方向是固定的，UA始终大于UB,且UAB随交流电的起伏 而波动。如果将RL两端接入示波器会观察到如图4-4的整流波形。整流电路是把交流电变成直流电的电路，电路是二极管的单向导电性由四 个二极管构成桥式整流电路，如图 4-3所示。D2D2D3D3C2C247；uF滤波输出D4D4D5D5图4-3桥式整流图4-4交流、整流及滤波波形4.3.2 滤波电路4电容 或电容量,Capacitanee ）指的是在给定电

46、位差下的电荷储藏量；记 为C,国际单位是法拉F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常 见的例子就是两片平行金属板，也是电容器的俗称。在负载RL两端并接上电容值较大的电解电容，如图4-3所示，可将脉冲直流电过滤成较平稳的直流电，称为滤波。波形将会变得较为平滑或成一条直 线。滤波的基本原理：电容 C两端的初始电压为0。接入交流电源U后，当U 为正半周时，D2、D5导通，U通过D2、D5对电容充电；当U为负半周时，D3 D4导通，U通过D3 D4对电容充电。由于充电回路等效电阻很小，所以充电很 快，电容C迅速被充到

47、交流电压的最大值 Umax此时二极管的电压始终小于或220V220V 交 流电输入等于0,故二极管均截止，电谷不可能放电，故输出电压恒为Umax综上所述，交流电通过整流、滤波可以变成直流电，这就是一般稳压电源 的基本原理。4.4稳压电路LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317的输入最高电压为30多伏，输出电压1.5-32V，输出电流1.5A，不过在用的时候 要注意功耗以及散热问题。LM317有三个引脚，一个输入一个输出一个电压调 节。输入引脚输入正电压，输出引脚接负载，电压调节引脚一个引脚接电阻（200 左右在输出引脚,另一个接可调电阻（几K接于地。输入和输出引脚对

48、地要接 滤波电容。图4-5稳压电路图典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB纹波抑制比，输出短 路保护，过流、过热保护，调整管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。稳 压电路的原理图如图4-5所示。当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时 必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317的引脚如图4-6所示。图4-6 LM317引脚滤波电压输入+5克压输出如图4-6所示1脚为调节脚、2脚为输出脚、3脚为输入脚，其中2脚与散 热片的表面是连接的。电源指示电路是由一个发光二极管构成，利用发光二极管的发光作用，指示电路的工作情况，当发光时说明电路正常工作，不发光时说明电路

49、不工作， 如果电路电流过大会把发光二极管烧毁这是就可以检查电源电路是否用开路或 者短路的情况。电源指示电路如图 4-5所示。4.5放大电路的设计4.5.1反相交流放大器4此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等，电路无需 调试。图4-7反相交流放大器放大器采用单电源供电,由R1、R2组成勺U+偏置,C1是消振电容。如图4-7 所示：放大器电压放大倍数 Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：。负号表 示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。4.5.2同相

50、交流放大器5同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的 R1、R2组成U+分压电路, 通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决 定：.*丨,电路输入电阻为 R3、R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧4.5.3比较器电路设计单限比较器只能检测一个电平，若要检测Ui是否处于U1和U2两个电平之间，则需采用双限电压比较器 又称窗口比较器)。双限电压比较器常用于工业 系统控制中，当被监测的对象 ,理 论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大，如LM324运放开环放 大倍数为100dB,既10万倍。此时运放便形成一个电压比较器，其输出不是 高电平V+),就是低电平U2U1时，

51、A2输出+Uo(sat,A1 输出为- Uo(sat，故二极管 VD2导通，VD1截止，uo则近似等于 + Uo(sat ;当 uiU1，A1 输出为 + Uo(sat，二极管 VD2截止， VD1导通，uo也近似等于+ Uo(sat ;只有当U1ui，二极管 VD1,VD2都截止，uo为0。其电压传输特性如图4-10示。如图4-9使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻 R1、R1X组成分 压电路，为运放A1设定比较电平U1;电阻R2 R2/组成分压电路，为运放 A2 设定比较电平 U2输入电压U1同时加到A1的正输入端和 A2的负输入端之 间，当Ui U1时，运放A1输出高电平；当Ui

52、U2则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这 便是一个电压双限指示器。若选择 U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范 围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。通过以上对电路的分析与设计，最终完成了5V电源的设计，也了解了LM317芯片的功能与作用和桥式整流二极管的工作原理与整流过程。通过对LM324集成运算放大器性能和特点的分析，从各个方面了解了LM324集成运算放Auf2 =大器以及LM324构成的同相放器、反相放大器和电压双限比较器的原理并且以 此运用在整机电路的设计中以发挥出良

53、好的效果。第五章整机工作电路及工作原理通过对电路的分析设计完成了整机电路的总体设计原理图如附录1所示其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要是通过对交流电的变压、整 流、滤波、稳压输出一个+5V的直流电压为后面的报警电路的正常工作提供电 压；报警电路主要是由热释电红外传感器、LM324集成运算放大器、发光二极管、电阻电容构成。传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压 信号，由于此时的电压比较微弱所以要经过LM324的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。下面是报警电路的工作 流程与及电路的参数计算过程：11在电路中采用KP506B型热释电人体红外线

54、传感器，当人体进入该传感器的 监视范围时，传感器就会产生一个交流电压 幅度约为1mV，该电压的频率与 人体的移动速度有关2。在正常行走速度下，其频率约为6Hz。电路中，R3C4 C5构成退耦电路，R1为传感器的负债，C2为滤波电容，以滤掉高频干扰 信号。传感器的输出信号加到运算放大器A1的同相端，A1构成同相输入式放大电路，其放大倍数取决于 R4和R2,其大小为：A1放大后的信号经电容C6耦合至放大器A2反相输入端，A2构成反相输入 式放大电路。电阻 R6 R7将A2同相端偏置于电源电压的一半，A2的增益取决于R8 R5,其大小为因此，传感器信号经两级运放总共放大了Auf1 X Auf2 =112 X -42 )=-4704倍，当传感器产生一个幅度为1mV交流信号时，A2的理论输出值为-4.704V。A3和A4构成双限电压比较器，A3的参考电位为：U3=三X 5 =3VA4的参考电位为：U4