應(yīng)物 -熱釋電紅外報警電路設(shè)計

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 光電檢測技術(shù) 題 目 熱釋電紅外報警電路設(shè)計 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 10 指導(dǎo)教師 2013年3月1日大慶石油學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程 光電檢測技術(shù)題目 熱釋電紅外報警器電路設(shè)計專業(yè) 應(yīng) 姓名 學(xué)主要內(nèi)容： 應(yīng)用CS9803GP專用集成電路，熱釋電傳感器，設(shè)計一全天候熱釋電紅外報警器電路?；疽螅?） 研究CS9803GP專用集成電路，熱釋電傳感器的功能特性。2） 設(shè)計熱釋電紅外報警器電路的功能框圖。3） 設(shè)計熱釋電紅外報報警器電路中的光電檢測電路、信號處理電路、控制電路。4） 實現(xiàn)有人進(jìn)入監(jiān)視區(qū)，警令聲音就會大作。5）

2、 調(diào)試安裝。6） 完成課程設(shè)計總結(jié)報告。主要參考資料：1）陳有卿編著. 新穎集成電路制作精選M.人民郵電出版社, 2005.4.2) 陳振官，陳宏威等編著.光電子電路制作實例M. 2006.4.3) 黃繼昌等編著.檢測專用集成電路及應(yīng)用M. 2006.10.完成期限 2013.2.252013.3.1 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2013年2月25日第1章 概述1.1 紅外線防盜報警器原理概述紅外線報警器分主動式和被動式兩種。主動式紅外線報警器，是報警器主動發(fā)出紅外線，紅外線碰到障礙物，就會反彈回來，被報警器的探頭接收。如果探頭監(jiān)測到，紅外線是靜止不動的，也就是不斷發(fā)出紅線線又不斷反彈的，那么報警器

3、就不會報警。當(dāng)有會動的物體觸犯了這根看不見的紅線的時候，探頭就會檢測到有異常，就會報警。1.2基于熱釋電傳感器的熱釋電紅外報警電路設(shè)計的意義由于人本身輻射一定波長的紅外線，紅外探測器檢測到紅外變化而產(chǎn)生斬波信號從而觸發(fā)報警電路，其靈敏度較高，適用于對移動目標(biāo)的偵測。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點(diǎn)：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；隱蔽性好，可流動安裝。對于一些大型倉庫或者保密性較高的場所，通常都希望工作人員進(jìn)入時對其行為進(jìn)行跟蹤而不報警；而對非系統(tǒng)內(nèi)部人員在進(jìn)行防盜報警同時，并對其進(jìn)行跟蹤錄像。針對該應(yīng)用需求，本文提出了一種兼主動和

4、被動紅外報警于一體的目標(biāo)跟蹤和報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了原理框圖，在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的工作流程。特別是系統(tǒng)的被動紅外跟蹤報警功能更是為一些突發(fā)事件的后續(xù)偵查提供了可靠證據(jù)。1.3 基于熱釋電傳感器的熱釋電紅外報警電路設(shè)計設(shè)計的前景展望紅外報警系統(tǒng)的信息采集單元必須能夠靈敏的感應(yīng)到其檢測范圍內(nèi)的紅外線強(qiáng)度信息的變化，將紅外線強(qiáng)度信息的變化轉(zhuǎn)換成電壓值的變化，信號處理單元將電壓信號放大并傳輸?shù)娇刂茊卧?，控制單元被觸發(fā)，驅(qū)動發(fā)聲電路以及繼電器，從而達(dá)到報警目的；再在控制單元添加遙控接收電路，以便于用戶在進(jìn)入報警系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)前關(guān)閉報警聲音電路。第2章 光電二極管工作原理及電路設(shè)計原理2.1 熱釋

5、電傳感的主要工作原理紅外線一般都被稱為“熱線”，只要物體本身溫度高于熱力學(xué)溫度OK（約-273），則都會發(fā)射出相當(dāng)于某一個溫度的輻射線。人體都有恒定的體溫，一般為37，所以會從人體表面輻射出波長約為10um的紅外線?？衫枚R或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉(zhuǎn)換為電氣信號。熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成。熱釋電紅外傳感器能將波長為8-12Ltm之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用，因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動

6、時，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度；當(dāng)人體進(jìn)入警戒區(qū)時，通過菲涅耳透鏡，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的足人體溫度與背景溫度的差異信號，因此熱釋電紅外傳感器探測的就足移動物體與背景物體的溫度差異。光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長在l0um左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長）通過，而將燈光、太陽光及其他輻射濾掉，以抑制外界的干擾。紅外感應(yīng)源通常由兩個串聯(lián)或者并聯(lián)的熱釋電元件組成。這兩個熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋兀件兒乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)相互抵消，輸出信號接近為零。一旦有人進(jìn)入探測I父域內(nèi)，人體輻射的紅外線就會通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收。不過由于角度不同，

7、兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電能量也不同，不能抵消，經(jīng)處理電路處理后輸出控制信號。2.2系統(tǒng)總體方案整體框圖及每部分功能2.2.1系統(tǒng)總體方案整體框圖紅外報警系統(tǒng)的信息采集單元必須能夠靈敏的感應(yīng)到其檢測范圍內(nèi)的紅外線強(qiáng)度信息的變化，將紅外線強(qiáng)度信息的變化轉(zhuǎn)換成電壓值的變化，信號處理單元將電壓信號放大并傳輸?shù)娇刂茊卧?，控制單元被觸發(fā)，驅(qū)動發(fā)聲電路以及繼電器，從而達(dá)到報警目的；再在控制單元添加遙控接收電路，以便于用戶在進(jìn)入報警系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)前關(guān)閉報警聲音電路。通過以上分析，可畫出系統(tǒng)總體方案框圖，如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖2.2.2紅外檢測單元由于本系統(tǒng)的設(shè)計目的是以環(huán)境中紅外線強(qiáng)度變

8、化這一信息參數(shù)來實現(xiàn)的，所以紅外線檢測以及其信號處理單元就成為了本系統(tǒng)的核心。整個系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性等參數(shù)都直接受到此單元的影響，所以采用何種紅外檢測裝置是一個關(guān)鍵問題。2.2.3開關(guān)控制單元當(dāng)傳感器信號被處理完畢后需要用檢測單元的輸出信號去觸發(fā)后級的報警裝置，如警示燈、報警聲電路等，需要一些電子電路來將紅外信息處理單元和后級報警裝置有機(jī)的聯(lián)系在一起，才能實現(xiàn)自動報警。使用繼電器作為開關(guān)，利用紅外信息處理單元的輸出信號控制繼電器，利用繼電器內(nèi)的各組開關(guān)的通斷來控制后級報警裝置。2.2.4遙控單元當(dāng)用戶需要進(jìn)入本裝置的監(jiān)控區(qū)域時，為了不觸發(fā)報警裝置報警，可以使用遙控器關(guān)閉報警發(fā)聲電路。使用紅外

9、線遙控，將集成紅外接收管安裝于本報警裝置中，當(dāng)其接收到發(fā)射管發(fā)送過來的紅外光信號時，改變其輸出電平，利用此特性去控制報警電路。2.2.5電源單元采用變壓器獲取電壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓濾波處理，獲取本裝置的工作電壓。選擇好各個模塊的設(shè)計方案，可畫出具體的系統(tǒng)設(shè)計框圖，如圖2所示。 圖2系統(tǒng)具體框圖 第3章 熱釋電紅外報警器電路設(shè)計3.1熱釋電紅外報警器電路設(shè)計3.1.1紅外檢測單元設(shè)計本系統(tǒng)采用RE200B熱釋電紅外傳感器，用于采集紅外線信號。以集成電路CS9803GP為核心，輔以少量的外圍元件構(gòu)成信息處理單元，當(dāng)探頭檢測到環(huán)境中有紅外信息變化時，芯片的第11腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，輸出保持高電平的時間可

10、通過與第8腳所連的電位器調(diào)節(jié)。第9腳可接光敏電阻，用于在光線強(qiáng)的時候屏蔽芯片第11腳的信號輸出。具體電路如圖3所示。圖3紅外檢測單元電路3.1.2開關(guān)控制單元設(shè)計使用集電極電流較大的三極管8050來放大CS9803GP輸出的電流，用以驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)開關(guān)作用。電路中使用二極管IN4001作為續(xù)流二極管，避免三極管被擊穿。相應(yīng)的電路圖如圖4所示。4 圖4 繼電器開關(guān)電路3.1.3電機(jī)驅(qū)動單元設(shè)計由于本系統(tǒng)在工作時要求電機(jī)帶動紅外探頭在一定的角度范圍內(nèi)做往返運(yùn)動，所以需要一個可以控制直流電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的電路。圖5所示的是一個H橋電路，電路中Q1、Q4的基極的分別是兩個控制信號輸入端，當(dāng)兩個輸入端的

11、輸入信號都為低電平時，所有三極管都截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1基極為高電平，Q4輸入端為低電平時，Q1、Q3、Q6導(dǎo)通，Q2、Q4、Q5截止，電流從電機(jī)的A端流向B端，此時電機(jī)向某一個方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1基極為低電平，Q4為高電平時，Q1、Q3、Q6截止、Q2、Q4、Q5導(dǎo)通，電流從電機(jī)的B端流向A端，電機(jī)向另一個方向轉(zhuǎn)動。由H橋的特點(diǎn)可知，為了能夠使電機(jī)自動地周期性轉(zhuǎn)換方向，需要有一個裝置能夠向H橋的兩個輸入端提供驅(qū)動信號。5因此本設(shè)計中運(yùn)用NE556構(gòu)成控制信號發(fā)生電路，如圖6所示。NE556中集成了2個555時基電路，改變C4可以調(diào)節(jié)其振蕩頻率，改變R10、R12可調(diào)節(jié)波形信號占空比，頻率和占

12、空比的計算公式：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腳輸出，用于控制電機(jī)在順時針和逆時針方向轉(zhuǎn)動的時間長短。另一個時基電路用于構(gòu)成一個頻率為0.01Hz的無穩(wěn)態(tài)振蕩器，改變C1可以調(diào)節(jié)振蕩頻率，改變R7、R8可調(diào)節(jié)波形信號占空比，由第5腳輸出，用于控制0.5Hz方波的輸出時間長短和間隔時間長短，使驅(qū)動信號發(fā)生電路間歇性地向H橋提供一段時間的驅(qū)動信號，輸出波形信號的時序圖如圖7所示。圖H橋電路圖圖6NE556電路圖圖7輸出波形信號的時序圖3.1.4遙控單元設(shè)計遙控單元分為發(fā)射電路與接收

13、電路兩部分，發(fā)射電路采用NE555時基電路為核心構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，產(chǎn)生脈沖信號，驅(qū)動紅外發(fā)射二極管，具體電路如圖8所示。紅外接收器采用集成紅外接收頭SFH506-38，因該接收頭能響應(yīng)較寬頻率范圍的紅外光，所以為了提高報警裝置的安全級別，本設(shè)計在紅外接收電路中采用鎖相環(huán)音頻譯碼電路LM567構(gòu)成選頻電路，即接收電路只響應(yīng)某一頻率帶寬內(nèi)的紅外光。在使用中可以設(shè)置發(fā)射電路輸出的脈沖頻率等于接收端的內(nèi)部振蕩頻率，這樣只有使用此遙控器才可控制本報警系統(tǒng)。在本電路中當(dāng)只有當(dāng)接收端接收到的脈沖信號的頻率和電路自身的振蕩頻率相一致時，芯片的第8腳才輸出高電平，否則輸出低電平。具體電路如圖9所示。圖8紅外發(fā)

14、射電路圖8中555電路的振蕩頻率: f0=1.443/（R4+2R3）C2。圖9紅外接收電路圖9所示電路中芯片第5、6腳外接的電阻R16、電容C17決定了鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率：f0=1/1.1R16*C17。3.1.5延時電路設(shè)計采用555時基電路構(gòu)成開機(jī)延時電路，在接通電源瞬間，由于C1上的電壓不能突變，可視為短路，此時555復(fù)位，芯片的第三腳輸出低電平，此時Q3截止，Q5導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光。同時C1開始充電，當(dāng)充到三分之一電源電壓的時候，555被置位，第3腳輸出高電平，Q3導(dǎo)通，Q5截止，LED熄滅。報警發(fā)聲電路處于待機(jī)狀態(tài)，開機(jī)延遲時間 T=1.1R3C1。9遙控電路通過Q1

15、控制延時電路電源的通斷，如圖10所示。圖10555延時開關(guān)電路3.1.6電源單元設(shè)計為了使電機(jī)的運(yùn)行不影響其它單元的正常工作，本設(shè)計給電機(jī)驅(qū)動單元單獨(dú)供電，為了適應(yīng)不同功率的電機(jī)，電機(jī)電源采用可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317，以便調(diào)節(jié)輸出電壓值。如圖11所示。圖11電源電路3.1.7報警發(fā)聲電路設(shè)計選用性價相對較高的報警音樂集成芯片，當(dāng)給芯片的電壓輸入端通電時其輸出端就會輸出報警。 3.2 整體電路圖3.2.1設(shè)計給出總體電路圖可畫出具體的總體電路圖，如圖12所示。 圖12總體電路圖3.2.2 整體電路的工作原理設(shè)計實現(xiàn)的功能是當(dāng)打開系統(tǒng)電源，電源工作指示燈亮起，延時指示燈亮起，系統(tǒng)處于開機(jī)延時狀態(tài)，此

16、時報警發(fā)聲電路被屏蔽。電機(jī)每隔一個時間段就會帶動紅外探頭來回掃描一段時間，既起到對靜止人體的掃描作用、增大了探頭的掃描區(qū)域，也減少了電能消耗。開機(jī)1分鐘后延時指示燈熄滅，當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)控范圍時，繼電器吸合、報警聲響起。當(dāng)在按下遙控器時，系統(tǒng)的遙控接收端接收到控制信號，開始進(jìn)入開機(jī)延時狀態(tài)，延時指示燈亮起，報警發(fā)聲電路被屏蔽。延時的目的是方便用戶走出房間或者進(jìn)入房間關(guān)閉報警系統(tǒng)的電源。傳動裝置使用齒輪減速，使最終轉(zhuǎn)速在60轉(zhuǎn)/Min以下，用裝于其傳動軸上的軟輪摩擦帶動安裝有紅外探頭的輪子轉(zhuǎn)動，在輪子的兩旁安裝兩塊擋板，以限制檢測探頭的轉(zhuǎn)動范圍。為保證報警的準(zhǔn)確度，本報警裝置限在室內(nèi)使用，并且在其監(jiān)

17、控范圍內(nèi)盡量不要放置熱源，如電爐、取暖機(jī)等。在安裝時應(yīng)將本裝置安裝于適當(dāng)?shù)母叨?，避免因有小動物?jīng)過而產(chǎn)生誤報現(xiàn)象。 第4章 安裝與調(diào)試4.1 器件準(zhǔn)備本次電路設(shè)計需要用到的實驗器件如下：（1）CS9803GP專用集成電路：CS9803GP是為熱釋電紅外傳感器配套設(shè)計的專用集成電路，采用CMOS工藝制造。其外圍器件大大減少，節(jié)約了空間和成本及調(diào)試時間，提高整機(jī)可靠性，可廣泛應(yīng)用于照明控制、馬達(dá)和電磁閥控制，防盜報警等領(lǐng)域。（2）熱釋電傳感器：熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器， 被廣泛應(yīng)用于防盜報警、 來客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。4.2 搭接電路焊接元器件的時候必須注意不要出現(xiàn)虛焊、漏焊之類的問

18、題。電路的搭建是在面板上完成的，必須弄清楚面板的內(nèi)部鏈接關(guān)系，以免造成電路的短路或者斷路。在連接電路時，常出現(xiàn)導(dǎo)線雖已插入插孔，但未能與面板內(nèi)部鐵片緊密接觸，是電路無法形成通路，從而導(dǎo)致實驗現(xiàn)象無法出現(xiàn)。由于電路較為復(fù)雜，連線較多，在實際連接時要十分注意導(dǎo)線兩側(cè)管腳是否接通。4.3 調(diào)試電路首先，對硬件電路進(jìn)行電氣檢查，看連線是否與電路原理圖一致，有無短路、虛焊等現(xiàn)象，電子元件的型號、極性是否有誤。檢查完畢，用萬用電表測量兩個穩(wěn)壓芯片輸出端的電阻，排除電源短路的可能性。然后將熱釋電紅外探頭的接收窗口指向無人或動物的方向，接通電源，先用電壓表測量各個芯片的電壓輸入引腳的電壓值，都應(yīng)在芯片要求達(dá)到

19、的電壓范圍之內(nèi)。然后觀察電機(jī)的運(yùn)動情況，調(diào)節(jié)振蕩電路的振蕩頻率和占空比，使電機(jī)的順時針和逆時針方向的轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)動間隔時間符合用戶的要求。觀察延時電路指示燈，應(yīng)在開啟電源瞬間亮起，一段時間后自動熄滅，待延時指示燈熄滅以后，用手放到探頭檢測窗口的前方時，芯片CS9803GP的第11腳應(yīng)由低電平變?yōu)楦唠娖?，繼電器吸合，報警電路發(fā)出報警聲；調(diào)節(jié)紅外檢測單元的R9可得到用戶所需要的報警聲保持時間。在CS9803GP的第9腳連接有一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時可在白天屏蔽該芯片輸出，晚上正常工作。硬件實物圖如圖13所示。圖13硬件實物圖第5章 結(jié)論自動化、智能化和綠色節(jié)能是當(dāng)前科技發(fā)展的一個趨勢，本設(shè)計在將普通

20、熱釋電紅外設(shè)備加以改進(jìn)的同時，也考慮到了系統(tǒng)的節(jié)能方面，認(rèn)真的進(jìn)行了文獻(xiàn)查閱、方案選擇、軟件仿真、硬件調(diào)試、論文撰寫等環(huán)節(jié)，在硬件上獲得了比較好的效果，使熱釋電紅外報警器的性能得到較大的優(yōu)化。報警、豐富的外設(shè)資源、智能的系統(tǒng)診斷、靈活的擴(kuò)展改裝是本系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性、實時性、并發(fā)處理性、節(jié)能性等指標(biāo)測試中均達(dá)到了滿意的效果，具備了運(yùn)用于實際防盜報警場合的價值和最終面向產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)勢。但是由于設(shè)計時間有限，在電路中一些元件的選擇方面沒有做到最優(yōu)化。筆者將會繼續(xù)研究，不斷將設(shè)計中的元件進(jìn)行合理更換，使本防盜報警器能夠以造價低廉、功能完善的特點(diǎn)為人民大眾所接受。參考文獻(xiàn)1陳有卿編著. 新穎集成電路制作精選M.人民郵電出版社, 2005.2陳振官，陳宏威等編著.光電子電路制作實例M. 2006.3劉鐵根 .光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社.2006.4黃繼昌等編著.檢測專用集成電路及應(yīng)用M. 2006.5呂海寶，激光光電檢測.國防科技大學(xué)出版社.1995.6王清正，胡渝.光電檢測技術(shù).電子工業(yè)出版社.1994.7陳有卿,張曉東.報警集成電路和報警器制作實例M.人民郵電出版社.，1996.8許興在.傳感器近代應(yīng)用技術(shù)M.同濟(jì)大學(xué)出版社.1994.9洪峰.電子小制作第