馮曉月-熱釋電人體紅外線檢測(cè)電路

PAGE8-內(nèi)容摘要隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高,人們的安全意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，基于此種情況各種不同的報(bào)警器也越來(lái)越多。其中以熱釋電人體紅外線防盜報(bào)警器最為突出，它以其相當(dāng)高的靈敏度和可靠性，深受廣大用戶的喜歡。本文就是以熱釋電人體紅外線檢測(cè)為核心，結(jié)合各種報(bào)警電路裝置及其外圍輔助電路,構(gòu)成了一個(gè)集防盜、防火等多種檢測(cè)功能為一體的多功能防盜報(bào)警系統(tǒng)。索引關(guān)鍵詞：熱釋電紅外線報(bào)警器傳感器目錄ＴO(shè)Ｃ\o”1－3＂＼h\z\ｕHYPERLINK\ｌ"＿Toc28045403８＂第一章緒論 PAGEREＦ_Toc28045４038＼ｈ—１-ＨYPERLINＫ\l＂_Toc２804540３9＂1.1課題背景 PＡGＥREF_Toc2８045４039\h-1-ＨＹPERLINK\l"_Toc２８０45404０"1.２熱釋電人體紅外線的應(yīng)用 ＰAＧERＥＦ_Ｔoc280454040\h－1－ＨYPERLINＫ\l”_Toc280454041”第二章熱釋電紅外傳感器的工作原理 PAＧEREＦ＿Toc2８0４5４0４1\h－1-ＨYPＥRLINＫ\l"_Toc2８04５4042”2.１熱釋電紅外傳感器的工作原理?PAＧＥRＥF＿Tｏc2８0４５４０4２\h-1—HYＰＥRLＩNK\l”_Ｔoc28０4５4043"2。2熱釋電紅外傳感器優(yōu)缺點(diǎn) PAＧEREF＿Toｃ2804５４０43\h-2-HYPERLINK\l＂＿Toc280454044”第三章熱釋電紅外線防盜報(bào)警器的電路設(shè)計(jì) ＰAGＥＲEF＿Toｃ2８0454０44\h－2－HYPERLINK\l”＿Toc２80454045”３．1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PＡGEREF_Tｏc２80４54045\h—2－HYPERLINK\ｌ”_Toｃ28045404６”3.2電路說(shuō)明?PＡGEＲEF_Toｃ2804５４046\ｈ—2-ＨYPEＲLIＮK\l"_Toc280４54047”后記?PAGEREF_Toｃ280454０４7\ｈ—8-HＹPＥRＬＩNK參考文獻(xiàn) PAＧERＥF_Tｏc28０454048＼h—9－熱釋電人體紅外線檢測(cè)電路第一章緒論１。1課題背景紅外線是一種光線，是太陽(yáng)光線中眾多不可見(jiàn)光線中的一種，具有普通光的性質(zhì)，可以以光速直線傳播。紅外線由德國(guó)科學(xué)家霍胥爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射（Inｆraredradiatｉｏn)。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長(zhǎng)為0。75～１。５0μm之間;中紅外線，波長(zhǎng)為1。50～６.0μm之間；遠(yuǎn)紅外線，波長(zhǎng)為6．0~l000μm之間。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,紅外線越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療、考古、天文、探測(cè)等科學(xué)領(lǐng)域,即使在日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用到紅外技術(shù)。如紅外線取暖器、紅外自動(dòng)干手器、紅外線報(bào)警器、遠(yuǎn)紅外糧食烘干等.熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件.它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路.1。2熱釋電人體紅外線的應(yīng)用隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,人們生活水平得到很大的提高，對(duì)私有財(cái)產(chǎn)的保護(hù)手段在不斷的增強(qiáng)，對(duì)防盜設(shè)施的智能化提出了新的要求。本設(shè)計(jì)就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計(jì)的家庭式電子防盜系統(tǒng).它在以前的防盜器基礎(chǔ)上進(jìn)行了很大的改進(jìn)，由于使用了單片機(jī)做信號(hào)處理器，不但可以用于單一的住宅區(qū),也可以用于較大規(guī)模住宅區(qū)的防盜系統(tǒng)。它的工作性能好,不易出現(xiàn)不報(bào)和誤報(bào)現(xiàn)象,安全可靠.在我國(guó)，目前市面上報(bào)警器主要有壓力觸發(fā)式防盜報(bào)警器開關(guān)電子防盜報(bào)警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報(bào)警器等各種報(bào)警器，但這幾種比較常見(jiàn)的報(bào)警器都存在一些缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了人體熱釋電紅外傳感器,在人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器因其價(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)單、成本低，安裝比較方便，防盜性能比較穩(wěn)定，靈敏度高、安全可靠等特點(diǎn)，備受廣大家庭用戶的歡迎。而且防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn).第二章熱釋電紅外傳感器的工作原理2．1熱釋電紅外傳感器的工作原理早在1９3８年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的原理.近年來(lái),伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng).在自然界,任何高于絕對(duì)溫度（—27３K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜,不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的,而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會(huì)發(fā)出10μm左右特定波長(zhǎng)的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷,后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外探頭,其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件,而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反,環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用,使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出.2.2熱釋電紅外傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射,器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：一、容易受各種熱源、光源干擾。容易受射頻輻射的干擾。二、被動(dòng)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。三、環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈.第三章熱釋電紅外線防盜報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)３.１.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器電路，觸摸式傳感器電路，邏輯控制電路及報(bào)警電路四部分組成。熱釋電人體紅外傳感器電路采用熱釋電人體紅外傳感器檢測(cè)人體紅外信號(hào)再由專用模塊放大，鑒頻，延遲等產(chǎn)生報(bào)警信號(hào).觸摸式傳感器電路常用導(dǎo)電布、導(dǎo)電膜或金屬線將保險(xiǎn)柜、文物柜或其他貴重物品、展品保護(hù)起來(lái)。該報(bào)警裝置一經(jīng)觸發(fā)便能自動(dòng)報(bào)警。在家庭中我們可以在陽(yáng)臺(tái)邊、防護(hù)欄、空調(diào)室外機(jī)等處布防，一旦有人企圖攀爬即可發(fā)出警報(bào)。３。2電路說(shuō)明一、熱釋電人體紅外線傳感電路熱釋電紅外傳感器是一種非接觸方式檢測(cè)人或物體等被測(cè)對(duì)象的熱釋紅外線。在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中,熱釋電紅外探測(cè)器由于檢測(cè)溫度范圍大(—80～150０℃）,在整個(gè)光波范圍內(nèi)頻率響應(yīng)均勻，靈敏度高,技術(shù)性能穩(wěn)定安全可靠而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。采用熱釋電人體紅外傳感器制造的被動(dòng)紅外探測(cè)器，用于控制自動(dòng)門,自動(dòng)臺(tái)燈及高級(jí)光電玩具等。人體都有恒定的體溫，一般在37度,所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)1０UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的１0ＵM左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào).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。熱釋電傳感器是對(duì)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(gè)表面做成電極,在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV.由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)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(shí),ΔT=0，則傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT,則有ΔT輸出;若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化,傳感器也沒(méi)有輸出了。二、熱釋電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由敏感元件、場(chǎng)效應(yīng)管，高阻值電阻，濾光窗,菲涅爾透鏡等構(gòu)成。熱釋電體是一種具有強(qiáng)烈自發(fā)極化效應(yīng)的電介質(zhì)材料如鋯鈦酸鉛（PＺT)陶瓷、鉭酸鋰（LｉTａO3)單晶體等，這類介質(zhì)的表面平時(shí)靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡,當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部極化狀態(tài)隨之發(fā)生變化，由于內(nèi)外層電荷變化速度發(fā)生“失步”現(xiàn)象，使得介質(zhì)表面出現(xiàn)熱釋電效應(yīng).熱釋電元件的等效電阻高達(dá)１0１0Ω，為了獲得最佳噪聲系數(shù)，必須進(jìn)行阻抗匹配，前置極一般采用高輸入阻抗，低噪聲ＪＦET與其匹配。制作時(shí)，熱釋電體、輸入電阻器、第一級(jí)JFＥT通常封裝于一個(gè)管殼內(nèi),成為一個(gè)不可分割的整體。等效電路如圖3—1所示.圖３-1第一級(jí)ＪＦＥT輸出信號(hào)的信噪比由熱釋電紅外傳感器決定.同時(shí),為了使熱釋電紅外傳感器只對(duì)紅外光譜中某一段紅外輻射敏感，必須在熱釋電體前設(shè)置濾光片。當(dāng)熱釋電紅外傳感器作為入侵防盜報(bào)警使用時(shí)，主要是使熱釋電紅外傳感器波長(zhǎng)在0。2~20μm范圍內(nèi)幾乎是穩(wěn)定不變的，在傳感器的設(shè)計(jì)中,熱釋電體表貼上波長(zhǎng)為７~10μm的濾光片，這樣可以避免太陽(yáng)光的輻射和其他的紅外輻射的干擾，從而減少虛報(bào)。由于熱釋電紅外傳感器主要對(duì)人體目標(biāo)移動(dòng)做出響應(yīng)，根據(jù)人行走的頻率計(jì)算結(jié)果，電流的頻率響應(yīng)最好在0.1～10Hz之間。這樣既可以截止過(guò)低頻率的信號(hào)，也可以截止較高頻率的信號(hào)。因?yàn)樾∮?。１Hz信號(hào)易受外界環(huán)境溫度變化和元件參數(shù)改變的影響，大于10Hz的信號(hào)從圖3-２可以看出，噪聲電壓隨著頻率的增大而迅速增大，加之當(dāng)信號(hào)頻率接近50Hz電源頻率時(shí)，易受50Hz電磁干擾,因此在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)輸出噪聲電壓變化及信號(hào)頻帶要求.采用有源帶通濾波器消除干擾,提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。熱釋電人體紅外傳感器的應(yīng)用中，目前采用帶通放大器,放大器的中心頻率一般在1Ｈz左右。放大器帶寬對(duì)靈敏度和可靠性的影響大.帶寬窄，噪聲小,誤測(cè)率低；帶寬寬，噪聲大,誤測(cè)率高，但對(duì)快,慢速移動(dòng)的影響好.放大器信號(hào)的輸出可以是電平輸出,繼電器輸出或可控硅輸出等多種方式.圖3—2三、BISS０001(人體熱釋電紅外感應(yīng)集成電路)ＢIＳＳ０001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān).它能自動(dòng)快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)，如圖３—３。圖３-3圖3－４圖３—4為BISＳ00０1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,運(yùn)算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由Ｃ3耦合給運(yùn)算放大器OP２進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電比較器CＯP1和CＯP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)Vo經(jīng)晶體管T１放大驅(qū)動(dòng)繼電器接通負(fù)載。四、熱釋電人體紅外報(bào)警器總體電路圖圖３-5它是采用熱釋電紅外傳感器及BIＳＳ0０01組成的報(bào)警系統(tǒng)。在圖3-5中，采用熱釋電人體紅外器進(jìn)行接收人體紅外信號(hào),接收到的信號(hào)在經(jīng)過(guò)R1，Ｃ1進(jìn)行隔交(去除交流干擾),限幅,整流輸入到BＩSS0001的１4管腳,經(jīng)14,15管腳一級(jí)放大后由16口輸出.輸出信號(hào)由電阻R6和電容C3進(jìn)行耦合,其后由13管腳輸入,二級(jí)放大，由12管腳輸出。再經(jīng)雙向鑒幅,狀態(tài)控制器，從2端口輸出。經(jīng)過(guò)處理后有2管腳輸出再由ＶT8０50進(jìn)行電流控制接通負(fù)載(報(bào)警器）。８，1１管腳接電源,7管腳接地.１０管腳為運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端,外接較大的電阻。3,4管腳為延遲端口，由R1０,C6來(lái)完成延時(shí)。輸出延遲時(shí)間Ｔx由外部的R9和Ｃ7的大小調(diào)整，值為Tx≈2457６xR9C7；5,6管腳為封鎖端口，由R9，C7組成，觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R１0和Ｃ6的大小調(diào)整，值為Ti≈24xＲ1０Ｃ6。９端口為觸發(fā)禁止端。當(dāng)Vｃ＜ＶR時(shí)禁止觸發(fā);當(dāng)Ｖｃ〉VＲ時(shí)允許觸發(fā)，R3為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R３的電阻值會(huì)降低,使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Ｖs。1管腳為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)SＷ1與１端連通時(shí),芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)ＳＷ１與2端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式.以下是熱釋電人體紅外防盜報(bào)警器的兩種工作方式：不可重復(fù)觸發(fā)方式：圖3-6所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形,來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。首先，根據(jù)實(shí)際需要,利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后利用Ｃ3，Ｒ6進(jìn)行耦合信號(hào)輸送給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大,同時(shí)將直流電位抬高為VM（≈0.5VDD）? 圖3-6后，將輸出信號(hào)V2送到由比較器COP1和ＣOP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0。7ＶDＤ、VL≈0．3ＶDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP３是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓Ｖｃ＜ＶR（≈0。2VDD)時(shí),ＣOP3輸出為低電平封住了與門Ｕ２,禁止觸發(fā)信號(hào)Ｖs向下級(jí)傳遞;而當(dāng)Vc〉VＲ時(shí),COＰ3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束,即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Tｉ。在Tｉ時(shí)間內(nèi)，任何V２的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)(高電平)，可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾.（2)可重復(fù)觸發(fā)工作方式圖3-7圖3－７所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程?？芍貜?fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“０"、A=“0”期間,信號(hào)Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Ｖc=“1”、A=“1”時(shí)，Vｓ可重復(fù)觸發(fā)Ｖｏ為有效狀態(tài),并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài).在Tx時(shí)間內(nèi),只要Vs發(fā)生上跳變，則Ｖo將從Vｓ上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Ｔx周期;若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0"狀態(tài)，則在Tｘ周期結(jié)束后Ｖo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài),并且，同樣在封鎖時(shí)間T