应物 -热释电红外报警电路设计

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 光电检测技术 题 目 热释电红外报警电路设计 院 系 电子科学学院 专业班级 学生姓名 学生学号 10 指导教师 2013年3月1日大庆石油学院课程设计任务书课程 光电检测技术题目 热释电红外报警器电路设计专业 应 姓名 学主要内容： 应用CS9803GP专用集成电路，热释电传感器，设计一全天候热释电红外报警器电路。基本要求：1） 研究CS9803GP专用集成电路，热释电传感器的功能特性。2） 设计热释电红外报警器电路的功能框图。3） 设计热释电红外报报警器电路中的光电检测电路、信号处理电路、控制电路。4） 实现有人进入监视区，警令声音就会大作。5）

2、 调试安装。6） 完成课程设计总结报告。主要参考资料：1）陈有卿编著. 新颖集成电路制作精选M.人民邮电出版社, 2005.4.2) 陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例M. 2006.4.3) 黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用M. 2006.10.完成期限 2013.2.252013.3.1 指导教师 专业负责人 2013年2月25日第1章 概述1.1 红外线防盗报警器原理概述红外线报警器分主动式和被动式两种。主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红线线又不断反弹的，那么报警器

3、就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。1.2基于热释电传感器的热释电红外报警电路设计的意义由于人本身辐射一定波长的红外线，红外探测器检测到红外变化而产生斩波信号从而触发报警电路，其灵敏度较高，适用于对移动目标的侦测。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，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装。对于一些大型仓库或者保密性较高的场所，通常都希望工作人员进入时对其行为进行跟踪而不报警；而对非系统内部人员在进行防盗报警同时，并对其进行跟踪录像。针对该应用需求，本文提出了一种兼主动和

4、被动红外报警于一体的目标跟踪和报警系统的设计方案，给出了原理框图，在此基础上分析了系统的工作流程。特别是系统的被动红外跟踪报警功能更是为一些突发事件的后续侦查提供了可靠证据。1.3 基于热释电传感器的热释电红外报警电路设计设计的前景展望红外报警系统的信息采集单元必须能够灵敏的感应到其检测范围内的红外线强度信息的变化，将红外线强度信息的变化转换成电压值的变化，信号处理单元将电压信号放大并传输到控制单元，控制单元被触发，驱动发声电路以及继电器，从而达到报警目的；再在控制单元添加遥控接收电路，以便于用户在进入报警系统的检测范围内前关闭报警声音电路。第2章 光电二极管工作原理及电路设计原理2.1 热释

5、电传感的主要工作原理红外线一般都被称为“热线”，只要物体本身温度高于热力学温度OK（约-273），则都会发射出相当于某一个温度的辐射线。人体都有恒定的体温，一般为37，所以会从人体表面辐射出波长约为10um的红外线。可利用而镜或透镜将人体所辐射出来的红外线有效地集中于热释电红外传感器上，通过热释电红外传感器将收集到的红外线能量转换为电气信号。热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成。热释电红外传感器能将波长为8-12Ltm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

6、时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度；当人体进入警戒区时，通过菲涅耳透镜，热释电红外传感器感应到的足人体温度与背景温度的差异信号，因此热释电红外传感器探测的就足移动物体与背景物体的温度差异。光学滤镜的主要作用是只允许波长在l0um左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成。这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释兀件儿乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人进入探测I父域内，人体辐射的红外线就会通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。不过由于角度不同，

7、两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能抵消，经处理电路处理后输出控制信号。2.2系统总体方案整体框图及每部分功能2.2.1系统总体方案整体框图红外报警系统的信息采集单元必须能够灵敏的感应到其检测范围内的红外线强度信息的变化，将红外线强度信息的变化转换成电压值的变化，信号处理单元将电压信号放大并传输到控制单元，控制单元被触发，驱动发声电路以及继电器，从而达到报警目的；再在控制单元添加遥控接收电路，以便于用户在进入报警系统的检测范围内前关闭报警声音电路。通过以上分析，可画出系统总体方案框图，如图1所示。图1系统总体框图2.2.2红外检测单元由于本系统的设计目的是以环境中红外线强度变

8、化这一信息参数来实现的，所以红外线检测以及其信号处理单元就成为了本系统的核心。整个系统的灵敏度、稳定性等参数都直接受到此单元的影响，所以采用何种红外检测装置是一个关键问题。2.2.3开关控制单元当传感器信号被处理完毕后需要用检测单元的输出信号去触发后级的报警装置，如警示灯、报警声电路等，需要一些电子电路来将红外信息处理单元和后级报警装置有机的联系在一起，才能实现自动报警。使用继电器作为开关，利用红外信息处理单元的输出信号控制继电器，利用继电器内的各组开关的通断来控制后级报警装置。2.2.4遥控单元当用户需要进入本装置的监控区域时，为了不触发报警装置报警，可以使用遥控器关闭报警发声电路。使用红外

9、线遥控，将集成红外接收管安装于本报警装置中，当其接收到发射管发送过来的红外光信号时，改变其输出电平，利用此特性去控制报警电路。2.2.5电源单元采用变压器获取电压，再经过稳压滤波处理，获取本装置的工作电压。选择好各个模块的设计方案，可画出具体的系统设计框图，如图2所示。 图2系统具体框图 第3章 热释电红外报警器电路设计3.1热释电红外报警器电路设计3.1.1红外检测单元设计本系统采用RE200B热释电红外传感器，用于采集红外线信号。以集成电路CS9803GP为核心，辅以少量的外围元件构成信息处理单元，当探头检测到环境中有红外信息变化时，芯片的第11脚由低电平变为高电平，输出保持高电平的时间可

10、通过与第8脚所连的电位器调节。第9脚可接光敏电阻，用于在光线强的时候屏蔽芯片第11脚的信号输出。具体电路如图3所示。图3红外检测单元电路3.1.2开关控制单元设计使用集电极电流较大的三极管8050来放大CS9803GP输出的电流，用以驱动继电器，实现开关作用。电路中使用二极管IN4001作为续流二极管，避免三极管被击穿。相应的电路图如图4所示。4 图4 继电器开关电路3.1.3电机驱动单元设计由于本系统在工作时要求电机带动红外探头在一定的角度范围内做往返运动，所以需要一个可以控制直流电机进行正反转的电路。图5所示的是一个H桥电路，电路中Q1、Q4的基极的分别是两个控制信号输入端，当两个输入端的

11、输入信号都为低电平时，所有三极管都截止，电机停止转动；当Q1基极为高电平，Q4输入端为低电平时，Q1、Q3、Q6导通，Q2、Q4、Q5截止，电流从电机的A端流向B端，此时电机向某一个方向转动；当Q1基极为低电平，Q4为高电平时，Q1、Q3、Q6截止、Q2、Q4、Q5导通，电流从电机的B端流向A端，电机向另一个方向转动。由H桥的特点可知，为了能够使电机自动地周期性转换方向，需要有一个装置能够向H桥的两个输入端提供驱动信号。5因此本设计中运用NE556构成控制信号发生电路，如图6所示。NE556中集成了2个555时基电路，改变C4可以调节其振荡频率，改变R10、R12可调节波形信号占空比，频率和占

12、空比的计算公式：T=0.693（R9+R10+R11+R12）C4； t1=0.693(R9+R10)C4;t2=0.693(R11+R12)C4。6波形由芯片第9脚输出，用于控制电机在顺时针和逆时针方向转动的时间长短。另一个时基电路用于构成一个频率为0.01Hz的无稳态振荡器，改变C1可以调节振荡频率，改变R7、R8可调节波形信号占空比，由第5脚输出，用于控制0.5Hz方波的输出时间长短和间隔时间长短，使驱动信号发生电路间歇性地向H桥提供一段时间的驱动信号，输出波形信号的时序图如图7所示。图H桥电路图图6NE556电路图图7输出波形信号的时序图3.1.4遥控单元设计遥控单元分为发射电路与接收

13、电路两部分，发射电路采用NE555时基电路为核心构成无稳态振荡电路，产生脉冲信号，驱动红外发射二极管，具体电路如图8所示。红外接收器采用集成红外接收头SFH506-38，因该接收头能响应较宽频率范围的红外光，所以为了提高报警装置的安全级别，本设计在红外接收电路中采用锁相环音频译码电路LM567构成选频电路，即接收电路只响应某一频率带宽内的红外光。在使用中可以设置发射电路输出的脉冲频率等于接收端的内部振荡频率，这样只有使用此遥控器才可控制本报警系统。在本电路中当只有当接收端接收到的脉冲信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，芯片的第8脚才输出高电平，否则输出低电平。具体电路如图9所示。图8红外发

14、射电路图8中555电路的振荡频率: f0=1.443/（R4+2R3）C2。图9红外接收电路图9所示电路中芯片第5、6脚外接的电阻R16、电容C17决定了锁相环内部压控振荡器的中心频率：f0=1/1.1R16*C17。3.1.5延时电路设计采用555时基电路构成开机延时电路，在接通电源瞬间，由于C1上的电压不能突变，可视为短路，此时555复位，芯片的第三脚输出低电平，此时Q3截止，Q5导通，发光二极管发光。同时C1开始充电，当充到三分之一电源电压的时候，555被置位，第3脚输出高电平，Q3导通，Q5截止，LED熄灭。报警发声电路处于待机状态，开机延迟时间 T=1.1R3C1。9遥控电路通过Q1

15、控制延时电路电源的通断，如图10所示。图10555延时开关电路3.1.6电源单元设计为了使电机的运行不影响其它单元的正常工作，本设计给电机驱动单元单独供电，为了适应不同功率的电机，电机电源采用可调稳压芯片LM317，以便调节输出电压值。如图11所示。图11电源电路3.1.7报警发声电路设计选用性价相对较高的报警音乐集成芯片，当给芯片的电压输入端通电时其输出端就会输出报警。 3.2 整体电路图3.2.1设计给出总体电路图可画出具体的总体电路图，如图12所示。 图12总体电路图3.2.2 整体电路的工作原理设计实现的功能是当打开系统电源，电源工作指示灯亮起，延时指示灯亮起，系统处于开机延时状态，此

16、时报警发声电路被屏蔽。电机每隔一个时间段就会带动红外探头来回扫描一段时间，既起到对静止人体的扫描作用、增大了探头的扫描区域，也减少了电能消耗。开机1分钟后延时指示灯熄灭，当有人进入监控范围时，继电器吸合、报警声响起。当在按下遥控器时，系统的遥控接收端接收到控制信号，开始进入开机延时状态，延时指示灯亮起，报警发声电路被屏蔽。延时的目的是方便用户走出房间或者进入房间关闭报警系统的电源。传动装置使用齿轮减速，使最终转速在60转/Min以下，用装于其传动轴上的软轮摩擦带动安装有红外探头的轮子转动，在轮子的两旁安装两块挡板，以限制检测探头的转动范围。为保证报警的准确度，本报警装置限在室内使用，并且在其监

17、控范围内尽量不要放置热源，如电炉、取暖机等。在安装时应将本装置安装于适当的高度，避免因有小动物经过而产生误报现象。 第4章 安装与调试4.1 器件准备本次电路设计需要用到的实验器件如下：（1）CS9803GP专用集成电路：CS9803GP是为热释电红外传感器配套设计的专用集成电路，采用CMOS工艺制造。其外围器件大大减少，节约了空间和成本及调试时间，提高整机可靠性，可广泛应用于照明控制、马达和电磁阀控制，防盗报警等领域。（2）热释电传感器：热释电传感器又称人体红外传感器， 被广泛应用于防盗报警、 来客告知及非接触开关等红外领域。4.2 搭接电路焊接元器件的时候必须注意不要出现虚焊、漏焊之类的问

18、题。电路的搭建是在面板上完成的，必须弄清楚面板的内部链接关系，以免造成电路的短路或者断路。在连接电路时，常出现导线虽已插入插孔，但未能与面板内部铁片紧密接触，是电路无法形成通路，从而导致实验现象无法出现。由于电路较为复杂，连线较多，在实际连接时要十分注意导线两侧管脚是否接通。4.3 调试电路首先，对硬件电路进行电气检查，看连线是否与电路原理图一致，有无短路、虚焊等现象，电子元件的型号、极性是否有误。检查完毕，用万用电表测量两个稳压芯片输出端的电阻，排除电源短路的可能性。然后将热释电红外探头的接收窗口指向无人或动物的方向，接通电源，先用电压表测量各个芯片的电压输入引脚的电压值，都应在芯片要求达到

19、的电压范围之内。然后观察电机的运动情况，调节振荡电路的振荡频率和占空比，使电机的顺时针和逆时针方向的转动角度与转动间隔时间符合用户的要求。观察延时电路指示灯，应在开启电源瞬间亮起，一段时间后自动熄灭，待延时指示灯熄灭以后，用手放到探头检测窗口的前方时，芯片CS9803GP的第11脚应由低电平变为高电平，继电器吸合，报警电路发出报警声；调节红外检测单元的R9可得到用户所需要的报警声保持时间。在CS9803GP的第9脚连接有一个开关，当开关闭合时可在白天屏蔽该芯片输出，晚上正常工作。硬件实物图如图13所示。图13硬件实物图第5章 结论自动化、智能化和绿色节能是当前科技发展的一个趋势，本设计在将普通

20、热释电红外设备加以改进的同时，也考虑到了系统的节能方面，认真的进行了文献查阅、方案选择、软件仿真、硬件调试、论文撰写等环节，在硬件上获得了比较好的效果，使热释电红外报警器的性能得到较大的优化。报警、丰富的外设资源、智能的系统诊断、灵活的扩展改装是本系统的主要优点。本系统在可靠性、稳定性、实时性、并发处理性、节能性等指标测试中均达到了满意的效果，具备了运用于实际防盗报警场合的价值和最终面向产品开发的优势。但是由于设计时间有限，在电路中一些元件的选择方面没有做到最优化。笔者将会继续研究，不断将设计中的元件进行合理更换，使本防盗报警器能够以造价低廉、功能完善的特点为人民大众所接受。参考文献1陈有卿编著. 新颖集成电路制作精选M.人民邮电出版社, 2005.2陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例M. 2006.3刘铁根 .光电检测技术与系统，机械工业出版社.2006.4黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用M. 2006.5吕海宝，激光光电检测.国防科技大学出版社.1995.6王清正，胡渝.光电检测技术.电子工业出版社.1994.7陈有卿,张晓东.报警集成电路和报警器制作实例M.人民邮电出版社.，1996.8许兴在.传感器近代应用技术M.同济大学出版社.1994.9洪峰.电子小制作第