基于热释电红外传感器的报警系统设计

测控电路设计

专 业：班 级：080

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基于热释电红外传感器的报警系统设计

1． 方案设计

1.1信号采集模块

采集人体信号用热释电红外传感器。热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器，它能将波长为8-12um 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，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR 上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR 上产生变化热释红外信号，这样PIR 就能产生变化的电信号，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

1.2信号处理模块

由于热释电红外传感器采集的信号成分复杂所以首先使该信号通过一个滤波器，滤掉无用的信号成分；另外热释电红外传感器输出的探测信号电压非常微弱，而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1～10Hz 左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大；最后经由电压比较器构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs 去启动延迟时间定时器，输出信号Vo 经晶体管Q1和Q2放大去接通负载。

1.3稳定信号输出和报警模块

这个模块主要由单稳态多频振荡器HEF4538和报警电路KD9651组成。单稳态电路HEF4538的功能是输出一个脉宽大约10S 的高电平信号。再利用这一脉宽信号作为报警电路KD9651的输入控制信号，来使电路产生10S 的报警信号，最后用三极管Q1和Q2再一 次对电信号进行放大，以便获得足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10S 的报警声

1.4电源设计模块

低压直流电源一般都采用变压器降压再经过整流而得到。变压器是由矽钢片, 铜导线为主体构成, 成本高, 体积大, 份量也重。质量欠佳的变压器耗能也会比较大。我们的方案是把变压器改成阻容式分压和桥式整流电路串联再加电容滤波, 为各个环节提供了所需要的工作电压。并且其制作成本比传统的变压器降低许多, 通过大量的实验, 也证明该电源工作稳定可靠。

1.5系统框图

被动式红外警报器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等鸡部分组成。结构图如下图所示，图中，菲涅尔透镜可以将辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区合盲区，以适应热释电探测元要求信号不变的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。图所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释2

电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

基于热释电红外传感器的控制电路系统框图

2． 单元电路设计

2.1 图1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

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。

图1

2.2菲涅尔透镜工作原理示意图

如图2中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；图所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

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图2

2.3信号采集和信号处理模块的具体电路如图3所示

采集人体信号用热释电红外传感器。热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器，它能将波长为8-12um 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，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR 上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR 上产生变化热释红外信号，这样PIR 就能产生变化的电信号，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

图3

2.4报警发声电路

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图4

2.5电源电路：

如图5整流桥对12端输入的12V 交流电进行整流，从而有利于后面的稳压管稳压。直接采用芯片稳压，LM7806将电压稳定在6V 直流电压上，由1端输入，3端输出。

图5

2.6工作原理和总电路图：

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

图4所示是该报警器的工作电路原理图。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透

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镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1 、C2、R1 、R2 组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16HZ ，下限截止频率为0.16HZ 。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有 1mV 左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1-10HZ 左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器ML324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。

当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，R9 、R10 、R11 用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压 即参考电压 分别为3.8V 和1.2V 。将这个高低电平变化的信号（上升沿信号）作为单稳电路的触发信号HEF4538B ，并让其输出一个脉宽大约为10S 的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号，来使电路产生10S 的报警信号，最后用三极管 VT1和VT2再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10S 的报警声。

3． 小结

采用基于热释电红外传感器设计的监控报警系统结构简单、成本低、容易实现、可靠、组网灵活、家庭无需为传感器布线。电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现防盗报警功能，达到安全防护之目的

热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：

（1）报警器应离地面2.2 米。

（2）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。

（3）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

（4）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方。

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