红外线探测报警器设计

毕 业 设 计

题目 红外线探测报警器设计

系 ***************姓 ***************学 号：***************

2012年01月16日

毕业设计（论文）任务书

******* 系 ******* 专业

学生姓名*******班级*******号*******

课题名称 红外线探测报警器

Ⅰ、题目的目的和要求：

现在社会迅速发展，人们生活质量逐步提高。各种高档家电产品和贵重

物品为许多家庭所拥有，民购买及入住小区除对社区的生活设施、房屋质量关心外，对小区的安全环境也及为关注。 传统的住宅围墙和防盗栅栏等简单防护设施既破坏社区的整体形象，也不能完全有效的阻止犯罪分子的破门而入，同时紧锁的铁门和护栏在发生火灾、地震等紧急情况时，使人难以逃生。因此社区防范的现代化、智能化，居民财产的防盗防劫已成为每个家庭必需解决的问题，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。安防产业也随之渐渐发展，人们对于安防的灵敏性、便捷性及有效性的要求越来越高。而智能安防产品恰恰解决了这个问题。

目的：

现如今，盗窃分子日益猖獗，单单的锁具已无法阻挡这些“动手能力”

强的人；锁具的不断更新，愈加复杂化，但是他们的技术也不断跟进，所以，我们必须采取一些必要的辅助条件来保护我们家庭以及财务的安全。

防盗报警器带领着人们一步一步向这样的生活迈进，但是由于产品及多

方面原因，使得安防产品的有效性及灵敏度降低，使得安防质量下降，常常出现报警器迟缓、不能随时随地报警等现象，所以解决好防盗报警器的问题能够使人们更加安全、放心的使用或携带各式的物品，跟上时代的发展享受高品质的生活。

要求：

一、灵敏、可靠，一经触发，可以立即报警；

二、对产品的材料精益求精，延长防盗报警器的使用寿命；

三、改善报警器的环境，减少不必要的影响

Ⅱ、设计技术要求与数据（或论文主要内容）：

设计内容：

红外探测器是防盗报警系统中最关键的组成部分，直接决定系统的灵敏

性与稳定性，是整个系统品质的保障。被动红外探测器是一种在安防工程中使用极为普遍的一类探测器。但要其正常使用，既要防止漏报，又要减少误报，主要是将误报现象降到最低的限度。要做到这一点，必须首先要了解被动红外探测器的一些基本概念及其技术特点，这样才能根据这些基本的技术特点，从安装、调试、使用等各个环节，按照探测器的基本技术特点，这样才能最大限度的发挥探测器的最大功效。

【摘 要】

目前报警系统出现误报主要有以下几个方面原因：无线探测器抗干扰能力差表现为同频干扰容易造成误报；红外探测器对入侵行为判断力不够准确造成误报；红外探测器易受温度、光线等环境因素影响而产生误报；由于主机和探测器都是采用无线编码方式设置编码有重复造成主机和探测器重码导致误报；也有些报警器的质量太差，如元器件的损坏和生产工艺不良造成误报；还有跟选择的设备、安装的方式、角度、位置、也有关；还有在受环境的影响下如空气流动、宠物行动等，还有人为的因素主要有用户操作不当、不小心触发报警器、误闯、误入已经设防的访区等都会产生误报。

【目 录】

一、绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

（一）什么是报警器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

（二）报警器分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

（三）报警器基本结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

（四）报警器适用范围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

二、设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

（一）目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

（二）意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

三、设计思路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

（一） 系统设计思路和原则„„„„„„„„„„„„v „„„„„4

（二） 主要结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

（三） 热释电应„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

四、红外技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

（一）什么是红外技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

（二）红外技术的发展„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

（三）红外技术的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

（四）红外技术的发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

五、红外探器 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

（一）什么是红外探测器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

（二）红外探测器的原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12

（三）红外探测器的分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

（四）什么是被动红外探测器„„„„„„„„„„„„„„„„„15

（五）什么是主动式红外传感器„„„„„„„„„„„„„„„„16

六、主要器绍 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

（一）热释电红外传感器介绍„„„„„……………„„„„„„„17

（二） BISS0001模块介绍„„„„„„………„„„„„„„„„24

七、红外线探测报警器的工作原理 „„„„„„„„„„„„„„„„„26

（一）、红外传感器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26

（二）、信号放大电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26

（三）、电压比较器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27

（四）、报警延时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27

（五）、开机延时电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28

（六）、12V 电源电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

八、红外线探测报警器的总体设计 „„„„„„„„„„„„„„„„29

（一）红外线探测报警器系统的结构„„„„„„„„„„„„„„29

（二）红外线探测报警器系统的优缺点„„„„„„„„„„„„„30

九、红外线探测报警器的正确安装方法 „„„„„„„„„„„„„„30

十、心得体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32 十一、参考文献

一、绪论

近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。目前，许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。为此，提出“红外线探测报警器”的设计任务。

（一）防盗报警器是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。

（二）防盗报警器种类：有电话拨号防盗报警器、GSM 防盗报警器、本地防盗报警器、彩信防盗报警器、联网报警器等。 按照探测器与报警主机之间的通信方式来分

1、总线制报警主机

2、分线制报警主机

3、无线防盗报警器

4、汽车防盗报警器

（三）防盗报警器基本结构：

防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于

迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。 防盗报警系统通常由:探测器（又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。

报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，由电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。

（四）报警器适用范围：

紧急救助、烟火报警、防剪线报警、煤气泄漏报警、保险柜防盗报警、货物仓库防盗报警、工厂重地、禁区防盗报警、金融部门防抢防盗报警、机关单位、机密档案防盗、商店商场物品仓库防盗报警、住宅小区商业楼联网防盗报警、家庭住宅、汽车停车库防盗报警......

二、设计要求

（一）目的：

当今社会步入了经济发展迅速的时代，人们生活质量逐步提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此，财产安全的问题也备受居民瞩目。安防产业也随之渐渐发展，人们对于安防的灵敏性、便捷性及有效性的要求越来越高。能够随时随地、安全又方便的使用贵重奢华的物品是人们一直向往安心、舒适的

生活方式。防盗报警器带领着人们一步一步向这样的生活迈进，但是由于产品及多方面原因，使得安防产品的有效性及灵敏度降低，使得安防质量下降，常常出现报警器迟缓、不能随时随地报警等现象，所以解决好防盗报警器的问题能够使人们更加安全、放心的使用或携带各式的物品，跟上时代的发展享受高品质的生活。

（二）意义：

为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，由于使用了单片机做信号处理器，不但可以用于单一的住宅区，也可以用于较大规模住宅区的防盗系统。它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。我国目前市面上报警器主要有压力触发式防盗报警器开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。本系统采用了人体热释电红外传感器，在人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器因其价格低廉、制作简单、成本低，安装比较方便，防盗性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠等特点，备受广大家庭用户的欢迎。而且防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。

。

三．设计思路

（一） 系统设计思路和原则

防盗报警系统通常由:探测器（又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。

器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，是由电子和机械部件组成的装置 。

1. 报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。

2.报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。

3.报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。

除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。本设计的名称为“红外防盗报警器”。这是一种新型多功能防盗报警器，该设计的实物将有功能扩展性好，硬件配置先进等优点。此套报警系统对防范盗窃和追捕盗窃犯，有着重要的实用意义。该设计的完成主要由两个因素驱动，其一，满足消费需求的程度和领先性；其二，科学技术的发展。该设计主要有以下几个特点：

1. 由于防盗报警系统用途的特殊性，这就需要防盗报警系统不断改进其

功能以应对盗贼层出不穷的盗窃手段。在设计时，充分考虑这一问题，使得系统的功能有着很好的扩展性，可以针对不同的场合，进行系统的改进。

2. 在设计时，考虑到实际现场环境和用户的安全防范要求。

3. 具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线

短路或断路时，均能产生报警信号输出。

4. 具有一定的抗干扰能力，可以防止各种误报现象的发生，例如：防宠

物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。

5. 系统的灵敏度和可靠性很高。[2]

（二） 主要结构

该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路、LED 显示组成、如图1

（三） 热释电效应

热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化

而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。

当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的

变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。[4]

四 红外技术

（一）什么是红外线技术

红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科

学。

红外技术的主要内容包含四个主要部分：

1. 红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向

的分布；辐射在媒质中的传播特性--折射、反射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。

2. 红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和

滤光电等。

3. 把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。

4. 红外技术在军事上和国民经济中的应用。

由此可见，红外技术的研究所涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐

射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。与红外线相关的技术还有：探测技术; 精确制导技术; 光电子技术; 先进材料技术。

（二） 红外技术的发展史

自从1800年英国天文学家F ·W ·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的

发展经历了大约两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些已经达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，F ·W ·赫歇尔发现

红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、反射和发射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质

分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的该类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米这三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1. 红外探测器最早是用单元探测器，但是为了提高灵敏度和分辨率，后

来发展为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过(串扫) 同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n （开平方）倍，n 为元数。如果多元线列探测器平行扫过(平扫) 目标时，则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外探测系统，一般都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。目前，长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达640×480元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达256×256元，预计到2000年可达到百万元。

2. 红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。早期的红外探测器通

常工作在近红外。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外。

3. 轻小型化。非致冷、集成式、大面阵是红外探测器方向的发展。采用

低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使

其具有良好的性能，但这样也使红外探测器体积大、成本高。为了实现小型化，必须减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，也可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使

其向轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能。

4. 红外探测系统从单波段向多波段发展。如前所述：在大气环境中，目

标的红外辐射只能在1～3、3～5和8～13微米三个大气窗口内才能有效地传输。如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统自然就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种的需要。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现，这极大

地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

（三）红外技术的影响

物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度(0°K 或

-273℃) 的物体都会向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红

外线的强度也越大。我们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。

红外技术已成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的最重要的手段之

一。一切军事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外技术装备，就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导弹的发射和方向，据说将来美国的天基红外系统可在20秒内，提供有关导弹发射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。

（四） 红外技术的发展趋势

红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，因此可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。

(1)红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106—108元以上的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。

(2)双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。

(3)探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。

(4)提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。

(5)提高成品率，降低价格。

（五）红外探测器

（一）什么是红外探测器

红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要产生的效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。

从当前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不容易被干扰；由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位将更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。

（二） 红外探测器原理

红外探测器是一种辐射能转换器, 主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能, 热能等其他形式的能量. 根据能量转换方式, 红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。 热探测器的工作原理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化, 而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应, 具体表现为探测器响应元自由载流子(即电子和/或空穴) 数目的变化. 由于这种变化是由入射光子数的变化引起的, 光子探测器的响应正比于吸收的光子数. 而热探测器的响应正比与所吸收的能量. 热探测器的换能过程包括:热阻效应, 热伏效应, 热气动效应与热释电效应. 光子探测器的换能过程包括:光生伏特效应, 光电导效应, 光电磁效应与光发射效应. 探测器已经有了20多年的发展历史，但是基于探测器本身的

原理，目前还是存在很多不尽人意的地方。例如，被动红外探测器受外界环境的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象；而当温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况；另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物的活动，容易发生误报现象。

（三） 红外探测器分类

红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：

(1) 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。

(2) 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

(3) 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

(4)测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，这将是

21世纪最引人注目的一类探测器；

(5) 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

(1)光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

(2)光伏探测器：主要利用p-n 结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p 区，电子进入n 区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

(3)光发射-Schottky 势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky 势垒，红外光子透过Si 层被PtSi 吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si 衬底，PtSi 层的电子被收集，完成红外探测。

(4)量子阱探测器（QWIP ）：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探

测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。

（四）被动红外报警探测器

在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。

人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，是因为探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是红外探测器件，通过光学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是8～14μm ，人体辐射的红外峰值波长约为10μm ，正好在范围以内

被动式红外探测器（Passive Infared Detector ，PIR ）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大体上可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR 采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5°以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式

光学系统，目前大都采用红外塑料透镜——多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感应区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型PIR 的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于90°，垂直视场角最大也可以达到90°，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会报警。

由于红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人

走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。否则不断变化的热气流将引起误报警。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外入侵探测器。

（五） 主动式红外探测器

主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置

于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端的安装

要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机

设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式安装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。当使用较多的探测器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。

六 主要器件介绍

（一） 热释电红外传感器

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些

动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理

技术。

热释电效应

在自然界，任何高于绝对温度（-273K ）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。

可见光的波长通常在1μm 以下，而1μm 以上的光人眼是看不到的，但是

可以通过适当的仪器对辐射的能量进行检测。

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，

这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电组件，其常用的材料

有单晶(LiTaO3 等) 、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）[2]

当以LiTaO3为代表的热释电材料处于自极化状态时，吸收红外线入射波

后，结晶的表面温度改变，自极化也发生改变，结晶表面的电荷变得不平衡，把这种不平衡电荷的电压变化取出来，便可测出红外线。热释电材料只有在温度变化时才产生电压，如果红外线一直照射，则没有不平衡电压，一旦无红外线照射时，结晶表面电荷就处于不平衡状态，从而输出电压。

热释电红外线传感器因红外光线的照射与遮挡得到或失去热量，从而产

生电压输出。从原理上讲应与波长无关，但由热释电材料做成的传感器有一个透光窗，而透光窗的选材与波长有关系。如以SiO2为窗材的传感器，它可以透过几乎全部的可见光，而有的窗材只能通过4μm 附近波长的光，有的能

透过6.1μm 波长的光，有的能透过8μm~14μm 波长的光，所以使用不同的窗材就可确认是哪个波长的光产生的热。

量子型的红外光探测器

量子型的红外光探测器与红外光的波长有关，它的特点是灵敏度高，响

应速度快，响应的灵敏度与红外线波长有关。每个入射光子产生的能量

E=hc/λ=1124λ

式中，h ——普朗克常数，h=4.14×10-15(evs)=6.625×10-34(JS)

c ——光速，c=3×1010cm/s

1μm 红外光的能量为1.24eV ，10μm 红外光的能量为0.12eV ，与可见光相比，红外线光的能量较小。量子型的红外传感器又分为光导电型和光电动势型两种。光导电型的组件材料有PbS 、PbSe 、Hg 、Cd 、Te 等，它是利用红外线照射时阻抗减少的特点来获取检测信号的；而光电动势型是在Ge 、IrSb 等半导体基片上形成PN 结，当红外线照射时产生光电动势，Ge 的禁带宽度为0.6ev ，Ge 二极管对0.6μm 和1.9μm 的红外光较敏感，当入射红外光的波长在

0.6μm~1.9μm 时，在PN 结上形成的电动势随入射光量的增大而增大，从而经放大可输出探测电信号。

热释电传感器

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶

瓷氧化物或压电晶体组件组成，组件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ ，即在两

电极之间产生一微弱电压ΔV 。

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器

｡不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶。

结构图

热释电红外传感器的结构及内部电路见图2所示。

传感器主要有外壳、干涉滤光片、热释电组件PZT 、场效应管FET 等组成。 滤光片

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测组件的波长灵敏度在

0.2~20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

热电组件

将高热电材料制成一定厚度的薄片, 并在它的两面镀上金属电极, 然后加

电对其进行极化, 这样便制成了热释电探测元｡由于加电极化的电压是有极性的, 因此极化后的探测元也是有正､负极性的｡

内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂､硫酸三甘铁

等, 其极化强度随温度的变化而变化｡为了抑制因自身温度变化而产生的干扰可以在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式, 以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出｡

阻抗变换场效应管

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换｡由

于热电元输出的是电荷信号，阻抗高达104M Ω, 故引入的N 沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器 来完成阻抗变换｡

由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT ，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度

没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

主要是由一种高热电系数的材料，汝锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三

甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装

在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅耳透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分个分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。[6]

菲涅耳透镜利用透

镜的特殊光学原理，在

探测器前方产生一个交

替变化的“盲区”和“高

敏区”，以提高它的探

测接收灵敏度。当有人

从透镜前走过时，人体

发出的红外线就不断地

交替从“盲区”进入“高

敏区”，这样就使接收

到的红外信号以忽强忽

弱的的脉冲形式输入，

从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在

0.2~20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，

而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用于探测

人体辐射的红外传感器。

使用热释电红外传感器制成的报警器与当前市场上销售的许多防盗报警器相比，具有不需要用红外线或电池波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装等优点。

热释电红外传感器的结构如图2所示（其中D 接正电源，S 为输入，G 接地）。其内部由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内冲入氮气封装起来。图3为引脚功能。

（二） BISS0001

BISS0001是CMOS 数据混合结构的专用集成电路，是目前应用最广泛的热释电红外传感器信号处理集成电路之一，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可以与多种传感器匹配，进行红外信号预处理。芯片内含有电压比较器、状态控制器、延迟电路定时器、封锁时间定时器遗迹参考电压源等单元电路，与热释电红外传感器及少量外围元件配合就可以构成多种控制电路，常用于防盗报警器、自动门等各种自动开关。

BISS0001集成电路目前有DIP.16和SOIC.16两种封装形式。图4图5分别为BISS0001的引脚图和原理框图。各管引

脚说明如下：引脚A 为可重复触发和不可重

复触发选择端，当A 为“1”时，允许重复触

发，反之，不可重复触发。引脚VO 为控制信

号输入端，由VS 的上调变沿触发，使VO 输

出从低电平跳变到高电平时视为有效触发，在输出延迟时间TX 之外和无VS

的上跳变时，VO 保持低电平状态，引脚RR1、RC1为输出延迟时间TX 的调节端。引脚RC2、RR2为触发封锁时间T1的调节端，VSS 为电源负端，一般接0V ，VREF 为参考电压及复位输入端，一般接VDD ，接“0”时可使定时器 复位。VC 为触发禁止端，当VC

七、 红外线探测报警器的工作原理 （一）、红外线传感器

红外线传感器IC1采用进口器件Q74，波长为9－10um 。一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM 左右的红外线。IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的②脚输出微弱的电信号进入放大电路，经过放大比较之后可以蜂鸣器发出响声。

（二）、信号放大电路

图1

信号放大电路如图1，VT1和运算放大器LM358等组成放大电路，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器ICA 中进行高增益、低噪声放大，此时由 IC2A①脚输出的信号已足够强，输入电压比较电路。

（三）. 电压比较器

图2

电压比较器如图2，IC2B 和VD2等作电压比较器，IC2B 的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2A ①脚输出的信号电压到达IC2B 的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较， 此时IC2B 的⑦脚由原来的高电平变为低电平。

（四）、报警延时电路

图3

如图3，IC4A LM393为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC2B 的⑦脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的②脚变为低电平它与IC4

的③脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的①脚变为高电平，VT2

导通，讯响器BL 通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC2B 的⑦脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变， 故通过R14向 C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的①脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。

（五）、开机延时电路

VT3

8050

图4

如图4，由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。该装置采用9－12V 直流电源供电，由T 降压，全桥U 整流，C10滤波，检测电路采用IC3--78L06供电。本装置交直流两用，自动无间断转换。

（六）、12V 电源电路

由功率为12V 5W 的变压器，电桥等组成，为报警电路提供12V 的电压源。

图5

八、红外线探测报警器的总体设计 （一）红外线探测报警器系统的结构 红外探测报警电路

图6

（二）红外线探测报警器系统的优缺点

优点：本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，隐蔽性较好，价格低廉 缺点：容易受各种热源、阳光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收；易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

九、红外线探测报警器的正确安装方法

对正确使用被动红外探测器将有很大的帮助作用。 1. 根据说明书确定安装高度

探测器的安装高度不是随意的，会直接影响到探测器的灵敏度和防小动物的效果，一般壁挂型红外探测器安装高度为2.0-2.2米处。

2. 不宜面对玻璃门窗

正对玻璃门窗会有两个问题:一是白光干扰，虽然被动式红外探测器（PIR ）对白光具有很强的抑制功能，但毕竟不是100%的抑制，不要正对玻璃门窗，可以避免强光的干扰；二是避免门窗外复杂的环境干扰，比如太阳直射、人群、流动车辆等。

3. 不宜正对冷热通风口或冷热源

被动红外探测器感应作用是与温度的变化具有密切的关系，冷热通风口和冷热源均有可能引起探测器的误报，对有些低性能的探测器，有时通过门窗的空气对流也会造成误报。

4. 不宜正对易摆动的大型物体

大型物体大幅度摆动可瞬间引起探测区域的突然的气流变化，同样可能引起误报；如室外探测器要避开大树和较高的灌木。

5. 合理的位置

应尽量探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物；在同一个空间最好不要安装两个无线红外探测器，以避免发生因同时触发而干扰的现象；红外探测器应与室内的行走线呈一定的角度，探测器对于径向移动反应最不敏感，而对于切向(即与半径垂直的方向) 移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探测器误报、求得最佳检测灵敏度的极为重要的一环。

6. 合理的选型

被动红外探测器具有多种型号，从室内到室外，从有线到无线，从单红

外到三红外，从壁挂式到吸顶式的都有，那么所要安装的探测器必须要考虑防范空间的大小，周边的环境，出入口的特性等实际状况。

将探测器安装完中后，调试探测器是最后所要做的工作。被动红外探测器的调试一般是步测，就是调试人员在警戒区内走S 型的线路来感知警戒范围的长度宽度等来测试整个报警系统是否达到要求。可查阅说明书来适当调节探测器的灵敏度，过高过低的灵敏度都将影响防范效果。

十、心得体会

这次的课题设计让我体会很深

近年来，随着改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展. 人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。然而一些不法分子也是越来越多。这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强. 造成偷盗现象屡见不鲜。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。 报警器这时正为人们解决了不少问题. 但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。价格高昂, 一般人们难以接受。如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点，从而保护了我们家庭以及财务的安全。

十一、参考文献

1胡海编. 《单片机原理与应用》. 机械工业出版社，2005

2 姜志海. 《单片微型计算机原理及应用》. 机械工业出版社，2003 3 何立民. 《单片机应用技术选编》. 8北京航空航天大学出版社，2000 4 潘永雄. 《单片机实验与实践》. 电子工业出版社，2005 5 李光飞. 《传感器技术与应用》. 北京航空航天大学出版社，2006 6 朱清慧. 《 Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真》. 清华大学出版社，2008.

7 邹应全. 《51系列单片机原理与实验教程》. 西安电科大， 2007 8 黄继昌. 《传感器工作原理及应用实例》. 人民邮电出版社， 1998 9 楼然苗. 《51系列单片机设计实例》（第二版）北京航空航天大学出版社，2006.2

10 孙惠芹. 《传感器入门》. 科学出版社，2006.

11张庆双, 《报警器、警示器应用电路集粹》. 机械工业出版社， 2005 12李军, 贺庆之. 《检测技术及仪表》, 中国工业出版社,1996 13罗自维. 《传感器应用》, 电子

[2] 吕璠 《热释电红外报警器的设计》[J] 廊坊师范学院学报 2009. 62-64 [7]魏群等编著《怎样选用无线电电子元器件》，人民邮电出版社，2002年 [8] 艾礼貌 《浅谈热释电红外传感器报警系统》[J] 中国科技财2009. 10-12

[9] 李雪梅 《热释红外无线报警器》[J] 山东织纺经济 2006. 77-79