熱釋電紅外傳感器報警器設(shè)計

1、摘 要隨著當(dāng)今科技的不斷高速發(fā)展，電腦、各類智能儀器、機(jī)器人得到越來越多的廣泛應(yīng)用。但是，這些智能儀器、電腦、機(jī)器人并不能直接感受及識別外界的信息，它們都需要必不可少的感覺器官，而充當(dāng)它們的感覺器官的就是傳感器。紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安全裝置中得到了廣泛的應(yīng)用，而熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴１敬螌嵱?xùn)選用的是人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，當(dāng)有人體經(jīng)過時，傳感器探頭將感測到的人體紅外信號，然后通過HC-SR501模塊將其轉(zhuǎn)換為電壓信號放大控制從而實現(xiàn)了防盜報警功能，達(dá)到了安全防護(hù)之目的。這里所說的熱釋電紅外傳

2、感器是指利用熱電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體等輻射的紅外光的紅外傳感器。關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；HC-SR501；報警器；AbstractUnceasingly high speed develops now along with the science and technology, the computer, each kind of smart instrument, the robot obtain more and more widespread applications. 窗體頂端But, these smart instrument, the computer, the robot

3、 cannot feel and the recognition outside information directly, they need the essential sense organ, but acts as their sense organ is the sensor. Infrared ray is not visible, have very strong concealment and confidentiality,窗體頂端therefore in security, security installments and so on security obtained

4、the widespread application, But the pyroelectric infrared sensor can examine the human body radiation by the non-contact form infrared, and transforms it into the voltage signal. The training what selects is human body infrared induction module HC-SR501,when has the human body passes through, the se

5、nsor probe head the human body infrared signal which arrives at sensing,then transforms through the HC-SR501 module it into the voltage signal enlargement control, thus has realized the security warning function, has served purpose of the safety protection.Here said the pyroelectric infrared sensor

6、is refers to use thermo-elements radiation and so on pyroelectric effect survey human body infrared light infrared sensors.窗體底端窗體底端Key words: Pyroelectric Infrared Sensors; HC-SR501; Alarm Apparatus;引言 隨著時代的不斷進(jìn)步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在現(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民

7、的人身財產(chǎn)安全。由于紅外線是不見光很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在電子防盜、人體探測等領(lǐng)域中，熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm的粒子世界，縱向上要觀察長達(dá)數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認(rèn)識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直

8、接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。 可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展熱釋電紅外傳感器分主動式和被動式兩

9、種。本次實訓(xùn)選用的是人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501，它屬于被動式紅外開關(guān)，它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗衣機(jī)等裝置，是一種高技術(shù)產(chǎn)品。特別適用于企業(yè)，賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 紅外線報警器對溫度敏感,溫度越高的物體輻射出的紅外線越強(qiáng),當(dāng)感應(yīng)到環(huán)境中存在高出背景強(qiáng)度的輻射時,就觸發(fā)反警。 相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。1 熱釋電紅外傳感器1.1 熱釋電紅外傳感器的基礎(chǔ)知識熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋

10、電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有T的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓V。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Q會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，T=0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生T，則有T輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。 由實驗證明，傳感器不加光學(xué)透鏡(也稱菲涅爾透鏡，其檢測距離小于2m，而加

11、上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可大于7m。1.2 熱釋電紅外線傳感器的原理特性熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用 因而需要用電阻將其

12、轉(zhuǎn)換為電壓形式，該電阻阻抗高達(dá)104M，故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式 即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。圖是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互

13、抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。圖 1 雙探測元熱釋電紅外傳感器雙探測熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點：優(yōu)點：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。缺點： 容易受各種熱源、光源干擾。 被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。 易受射頻輻射的干擾。 環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度降低，有時造成短時失靈?？垢蓴_性能： 防小動物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報警。 抗電磁干擾：探測器的抗電磁波干擾性

14、能符合GB10408要求,一般手機(jī)電磁干擾不會引起誤報。 抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射,不產(chǎn)生報警。熱釋電紅外傳傳感器的安裝要求：紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系，正確的安裝應(yīng)滿足下列條件： 紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。 紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào), 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動

15、的地方。紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感, 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向移動則最為敏感，在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0.220。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。本次實訓(xùn)選用傳感器的是人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501。1.3 HC-SR501的介紹本次設(shè)計所用的是人體紅

16、外感應(yīng)模塊HC-SR501，模塊里面包含了信號的放大電路和比較電路，其外接管腳如圖2所示：管腳說明：1：正電源；2：高低電平輸出；3：電源負(fù)極；H：可重復(fù)觸發(fā)；L：不可重復(fù)觸發(fā)；CDS：光敏控制。圖 2 HC-SR501的管腳分布1.3.1技術(shù)指標(biāo) 工作電壓：DC5V至20V； 靜態(tài)功耗：65微安； 電平輸出：高3.3V，低0V； 延時時間：可調(diào)(0.3秒18秒； 封鎖時間：0.2秒； 觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H； 感應(yīng)范圍：小于120度錐角，7米以內(nèi)； 工作溫度：-15+70度； PCB外形尺寸：32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：(直徑：23mm

17、(默認(rèn)。1.3.2功能特點HC-SR501的功能特點有： 全自動感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平。輸出低電平。 光敏控制(可選）：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時不感應(yīng)。光敏控制為可選功能,出廠時未安裝光敏電阻。如果需要，請另行購買光敏電阻自己安裝。 兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)?？商€選擇，默認(rèn)為H。A、不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖?。B、可重復(fù)觸發(fā)方式： 即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗?/p>

18、平(感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點。 具有感應(yīng)封鎖時間(默認(rèn)設(shè)置：0.2秒：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號。此功能可以實現(xiàn)(感應(yīng)輸出時間和封鎖時間兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓DC5V至20V 微功耗：靜態(tài)電流65微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。 輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。1.3.3應(yīng)用范圍熱釋電紅外開關(guān)是BISS0001配以熱釋電紅外傳感

19、器和少量外接元器件構(gòu)成的被動式紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗衣機(jī)等裝置，是一種高技術(shù)產(chǎn)品。特別適用于企業(yè)，賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 安防產(chǎn)品 人體感應(yīng)玩具人體感應(yīng)燈具 工業(yè)自動化控制等2 硬件電路設(shè)計2.1 元件選擇元件清單見附錄1。2.2 報警電路原理圖圖 3 報警電路原理圖2.3 報警電路的工作原理在該探測技術(shù)中，所謂“被動”是指探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外報警器的特點是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外

20、輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。如上圖3所示是該報警器的電路工作原理圖。給電路板接上+5V的穩(wěn)壓直流電后，首先黃燈LED1和黃燈LED2閃爍3次，然后按下S1鍵，當(dāng)有人體經(jīng)過感應(yīng)模塊時，人體發(fā)出的紅外信號被熱釋電紅外傳感器接收，并將其轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用，信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，紅燈LED3就會發(fā)亮，并延時一段時間后滅掉，同時黃燈LED2也會一直亮，當(dāng)再次有人經(jīng)過時，紅燈LED3重復(fù)著同樣的動作，這樣表示利用熱釋電紅外傳感器可以進(jìn)行計數(shù)。按下S2鍵，當(dāng)有人體經(jīng)過感應(yīng)模塊時，人體發(fā)出的紅外信號被熱釋電紅外傳感器接收，

21、并將其轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用，信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，這些都是在模塊HC-SR501里面就可以完成的，經(jīng)過處理后的信號再經(jīng)過三極管的放大輸出到喇叭上，同時黃燈LED1還會進(jìn)行閃爍10次，和現(xiàn)實中的報警器雷同。但當(dāng)人體靜止不動時，傳感器就無法感應(yīng)得出來，也就無法進(jìn)行報警。2.4 報警電路 PCB圖見圖4所示：圖 4 PCB電路圖2.5 硬件調(diào)試及調(diào)試中遇到的問題第一步為目測，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大部分電路安裝在印制電路板上因此，對每一塊加工好的印制電路板要進(jìn)行仔細(xì)的檢查。檢查它的印制線是否有斷線、是否有毛剌、是否與其它線或焊盤有否脫落、過孔是否有未

22、金屬化現(xiàn)象等。第二步為萬用表測試，先用萬用表復(fù)核目測中認(rèn)為可疑的連線或接點，查看它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計規(guī)定相符，再檢查各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。第三步為加電檢查。當(dāng)給印制板加電時，首先檢查所有插座或器件引腳的電源端是否有符合要求的電壓值（注意CPU插座上不應(yīng)該有大于5V的電壓，否則聯(lián)機(jī)時將損壞仿真器），接地端電壓值是否接近零，接固定電平的引腳端是否電平正確。第四步是聯(lián)機(jī)檢查。在對硬件印制電路板調(diào)試過程中，還遇到了不少問題，第一次印制的板并把所有的元件都焊上去后，都準(zhǔn)備調(diào)試了，才發(fā)現(xiàn)正負(fù)電源的插針離得太近了，不容易接電源，而且和另一插針（接HC-SR501）也挨太近了，布置PCB板時

23、，也沒太注意HC-SR501的占地面積，調(diào)試中才發(fā)現(xiàn)這樣子根本就無法進(jìn)行下去，由于自己布板時的疏忽，所以第一塊板作廢了，有了第一次的經(jīng)驗，再次布PCB板時，特意把這兩個離遠(yuǎn)點。本不該犯的錯誤，這些都是由于自己的粗心大意造成的，所以說，做任何事情都必需經(jīng)過“三思而后行”，來不得半點的馬虎，否則浪費了時間和精力。3 軟件設(shè)計3.1 程序設(shè)計3.2 軟件調(diào)試及調(diào)試中遇到的問題將寫好的程序燒錄到單片機(jī)AT89S52芯片中，下載時，才發(fā)現(xiàn)自己當(dāng)時設(shè)計原理圖時，沒有設(shè)計串口下載，所以只能借同學(xué)的開發(fā)板進(jìn)行下載程序，相當(dāng)麻煩，因為不是第一次下載就能成功的，經(jīng)過無數(shù)次的程序修改下載調(diào)試，可以實現(xiàn)功能的時候，才發(fā)現(xiàn)單片機(jī)芯片的管腳差不多都被我弄斷了，本來是打算在芯片底下加一個插槽的，在后面的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)加了保護(hù)層的芯片的管腳和電路板