热释电红外传感器报警器设计

摘 要

随着当今科技的不断高速发展，电脑、各类智能仪器、机器人得到越来越多的广泛应用。但是，这些智能仪器、电脑、机器人并不能直接感受及识别外界的信息，它们都需要必不可少的感觉器官，而充当它们的感觉器官的就是传感器。红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安全装置中得到了广泛的应用，而热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。本次实训选用的是人体红外感应模块HC-SR501，当有人体经过时，传感器探头将感测到的人体红外信号，然后通过HC-SR501模块将其转换为电压信号放大控制从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。这里所说的热释电红外传感器是指利用热电元件的热释电效应探测人体等辐射的红外光的红外传感器。

关键词：热释电红外传感器；HC-SR501；报警器；

Abstract

Unceasingly 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. But, these smart instrument, the computer, the robot 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,therefore in security, security installments and so on security obtained 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 sensor 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 is refers to use thermo-element's radiation and so on pyroelectric effect survey human body infrared light infrared sensors.

Key words: Pyroelectric Infrared Sensors; HC-SR501; Alarm Apparatus;

引言

随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光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，热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展

热释电红外传感器分主动式和被动式两种。本次实训选用的是人体红外感应模块HC-SR501，它属于被动式红外开关，它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

红外线报警器对温度敏感, 温度越高的物体辐射出的红外线越强, 当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时, 就触发反警。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

1 热释电红外传感器

1.1 热释电红外传感器的基础知识

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在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的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，在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会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。 由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜) ，其检测距离小于2m ，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m 。

1.2 热释电红外线传感器的原理特性

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，其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、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化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，该传感器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，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。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，并不能直接使用 因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达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。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应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。

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 双探测元热释电红外传感器

双探测热释电红外探头的优缺点：

优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。

缺点：

⑴ 容易受各种热源、光源干扰。

⑵ 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

⑶ 易受射频辐射的干扰。

⑷ 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度降低，有时造成短时失灵。

抗干扰性能：

⑴ 防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。

⑵ 抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408要求, 一般手机电磁干扰不会引起误报。

⑶ 抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射, 不产生报警。

热释电红外传传感器的安装要求：

红外线热释电人体传感器只能安装在室内，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：

⑴ 红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

⑵ 红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 ⑶ 红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 ⑷ 红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电

传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (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头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μｍ。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。本次实训选用传感器的是人体红外感应模块HC-SR501。

1.3 HC-SR501的介绍

本次设计所用的是人体红外感应模块HC-SR501，模块里面包含了信号的放大电路和比较电路，其外接管脚如图2所示：

管脚说明：

1：正电源；

2：高低电平输出；

3：电源负极；

H ：可重复触发；

L ：不可重复触发；

CDS ：光敏控制。

图 2 HC-SR501的管脚分布

1.3.1技术指标

⑴ 工作电压：DC5V 至20V ；

⑵ 静态功耗：65微安；

⑶ 电平输出：高3.3V ，低0V ；

⑷ 延时时间：可调(0.3秒~18秒) ；

⑸ 封锁时间：0.2秒；

⑹ 触发方式：L 不可重复，H 可重复，默认值为H ；

⑺ 感应范围：小于120度锥角，7米以内；

⑻ 工作温度：-15~+70度；

⑼ PCB 外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm ，螺丝孔径2mm ，感应透镜尺寸：(直径) ：23mm(默认) 。

1.3.2功能特点

HC-SR501的功能特点有：

⑴ 全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。输出低电平。

⑵ 光敏控制(可选）：模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。光敏控制为可选功能, 出厂时未安装光敏电阻。如果需要，请另行购买光敏电阻自己安装。

⑶ 两种触发方式：L 不可重复，H 可重复。可跳线选择，默认为H 。

A 、不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。

B 、可重复触发方式： 即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点) 。

⑷ 具有感应封锁时间(默认设置：0.2秒) ：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平) ，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间) 两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

⑸ 工作电压范围宽：默认工作电压DC5V 至20V

⑹ 微功耗：静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。

⑺ 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。

1.3.3应用范围

热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

■ 安防产品 ■ 人体感应玩具

■人体感应灯具 ■ 工业自动化控制等

2 硬件电路设计

2.1 元件选择

元件清单见附录1。

2.2 报警电路原理图

图 3 报警电路原理图

2.3 报警电路的工作原理

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。如上图3所示是该报警器的电路工作原理图。给电路板接上+5V的稳压直流电后，首先黄灯LED1和黄灯LED2闪烁3次，然后按下S1键，当有人体经过感应模块时，人体发出的红外信号被热释电红外传感器接收，并将其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，红灯LED3就会发亮，并延时一段时间后灭掉，同时黄灯LED2也会一直亮，当再次有人经过时，红灯LED3重复着同样的动作，这样表示利用热释电红外传感器可以进行计数。按下S2键，当有人体经过感应模块时，人体发出的红外信号被热释电红外传感器接收，并将其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，这些都是在模块HC-SR501里面就可以完成的，经过处理后的信号再经过三极管的放大输出到喇叭上，同时黄灯LED1还会进行闪烁10次，和现实中的报警器雷同。但当人体静止不动时，传感器就无法感应得出来，

也就无法进行报警。

2.4 报警电路 PCB图

见图4所示：

图 4 PCB电路图

2.5 硬件调试及调试中遇到的问题

第一步为目测，单片机应用系统中大部分电路安装在印制电路板上因此，对每一块加工好的印制电路板要进行仔细的检查。检查它的印制线是否有断线、是否有毛剌、是否与其它线或焊盘有否脱落、过孔是否有未金属化现象等。

第二步为万用表测试，先用万用表复核目测中认为可疑的连线或接点，查看它们的通断状态是否与设计规定相符，再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象。

第三步为加电检查。当给印制板加电时，首先检查所有插座或器件引脚的电源端是否有符合要求的电压值（注意CPU 插座上不应该有大于5V 的电压，否则联机时将损坏仿真器），接地端电压值是否接近零，接固定电平的引脚端是否电平正确。

第四步是联机检查。

在对硬件印制电路板调试过程中，还遇到了不少问题，第一次印制的板并把所有的元件都焊上去后，都准备调试了，才发现正负电源的插针离得太近了，不容易接电源，而且和另一插针（接HC-SR501）也挨太近了，布置PCB 板时，也没太注意HC-SR501的占地面积，调试中才发现这样子根本就无法进行下去，由于自己布板时的疏忽，所以第一块板作废了，有了第一次的经验，再次布PCB 板时，特意把这两个离远点。本不该犯

的错误，这些都是由于自己的粗心大意造成的，所以说，做任何事情都必需经过“三思而后行”，来不得半点的马虎，否则浪费了时间和精力。

3 软件设计

3.1 程序设计

3.2 软件调试及调试中遇到的问题

将写好的程序烧录到单片机AT89S52芯片中，下载时，才发现自己当时设计原理图时，没有设计串口下载，所以只能借同学的开发板进行下载程序，相当麻烦，因为不是第一次下载就能成功的，经过无数次的程序修改下载调试，可以实现功能的时候，才发现单片机芯片的管脚差不多都被我弄断了，本来是打算在芯片底下加一个插槽的，在后面的调试过程中，发现加了保护层的芯片的管脚和电路板上的插槽接触不是很好，明明是一样的程序，加插槽和不加插槽调试出来的效果很不相同，所以就把它给去掉了。在调试中还应注意以下几点问题：

⑴ 直流工作电压必须符合我们要求的数值（+5VDC），过高和过低都会影响模块性能，而且要求电源必须经过良好的稳压滤波。

⑵ 调试时人体尽量远离感应区域，有时虽然人体不在模块的正前方，但是人体离模块太近时模块也能感应到造成一直有输出，还有调试时人体不要触摸电路部分也会影响模块工作，比较科学的办法是将输出端接万用表，把模块用报纸盖住，人离开这个房间，等2分钟后看看模块是否还是一直有输出。

⑶ 人体感应模块只能工作在室内并且工作环境应该避免阳光、强烈灯光直接照射，如果工作环境有强大的射频干扰，可以采用屏蔽措施。若遇有强烈气流干扰，关闭门窗或阻止对流。感应区尽量避免正对着发热电器和物体以及容易被风吹动的杂物和衣物。

⑷ 人体感应模块采用双元探头，人体的手脚和头部运动方向与感应灵敏度有着密切的联系，而且红外模块的特性决定了无法精确控制感应距离。

⑸ 模块中的探头（PIR ）可以装焊在电路板的另一面。也可将探头用双芯屏蔽线延长，长度应在20厘米以内为好。

参考文献

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