1、热释电红外传感器设计毕业设计论文热释电红外传感器【摘 要】 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，尤其是在安全方面，不得不时刻留意那不速之客。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，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而受到广大用户和专业人士的欢迎。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报
2、警器则采用了美国 的传感元件？?热释电红外传感器。这种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，并将其转变电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其 它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置， 也可以用于自动控制、接 近开关、遥测等领域。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。热释红外报警器是对温度敏感，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，就触发报警。【关键词】 热释电红外传感器；红外线；传感器；防盗系统引言热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工 作，它是通过目标与背景
3、的温差来探测目标的。 其响应速度虽不如光子型，但由 于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。 这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用 于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、 双元、四元、180。等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测 器如：硫酸三甘钛（TGS探测器、铌酸锶钡（SBN探测器、钽酸锂（LiTaO3） 探测器、锆钛酸铅（PZT探测器等。热释电红外传感器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。在电子防盗、人体探测器领域中，热 释电红外探测器的应用非常广泛，
4、因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户 和专业人士的欢迎。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，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而受到广大用户和专业人士的欢 迎。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/ 接收以及微波等技术为基础。而这里所设
5、计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件一一热释电红外传感器。这种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，同时，它还能鉴别出运动的生物与 其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、 接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报 警器材相比，具有如下特点： 不需要用红外线或电磁波等发射源。 灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。设计思路这套被动式红外探测无线报警系统，总体设计思路是由探测发射电路和接收报警 电路两部分组成。探测发射电路通过热释电红外探测器探测人体的红外辐射信 号，并经过放大、编码和
6、发射等环节，将人体的移动信号转为电信号应用无线电 技术发射出去；而接收报警电路则是通过对电信号解调、译码和声光报警等环节, 将电信号转为声音、光源信号，从而达到无线报警的目的。由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件和模块的 选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。第一章 热释电红外传感器1.1热释电红外传感器的结构原理热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料， 如锆钛酸铅系陶瓷、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。
7、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， 一般在探热释电红外传感器原理简介测器的前方装设一个菲涅尔透镜， 该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，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1020米范围内人的行动。1.1.2 热释电效应自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（- 273C）,总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温 度和红外辐射的波长有关。假定物体发射红外辐射的峰
8、值波长为 入m它的温度为T,则辐射能量等于红外辐射的峰值波长 入m与物体温度T的乘积。这一乘积 为一常数，即入n?T= 29983000 （卩m?K）。 物体的温度越高，它所发射的红 外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。某些被称为“铁电体”的 电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，受到红外辐射后其温度会升高， 这种现象称为红外辐射的热效应。通常，电介质的内部是没有载流子的，因此它 没有导电能力。但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的， 即自由电子和原子核组成的。在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷 的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。其结果是使电介
9、质的一个表面带正 电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。对于上述现象，某些铁电体 电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时， 这种极化现象仍然保留下来，这种现象被称为自发极化。自发极化的强度与温度 相关，当温度升高时，极化强度降低。自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮 游电荷保持平衡状态。在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的 现象称为热释电效应。将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号， 利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化 时就会失去电荷平衡，向外释
10、放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信 号。如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时 达到平衡。这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，因此，对于这类热释电红外传 感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传 感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为零。因此在应用这类传感器 时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。 为了满足 这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透 镜。菲涅尔透镜下一节作重点介绍1.2热释电红外传感器的安装1.2.1热释电红外传感器的安装热释电红外传感器根
11、据其使用目的的不同，每一型号都有自己的响应波长范围， 使用时应根据使用目的选择合适的传感器。 例如：当用来测量温度时，应选用响应波长为120um的传感器。用于火焰探测时，则应选用响应波长为 4.35 0.15um的传感器。如果用于人体探测，如防盗或保安等，则应选用波长为715um 的传感器。若选择不当，则会使仪器失去控制作用或达不到控制要求1.3如何避免漏报警(1)探测范围内不要有障碍物遮挡，留有探测空隙不足以引起报警。 (2)探测器安装位置不要致使探测范围造成盲区，给盗贼可乘之机。 (3)探测器安装位置要靠近被保护物体，如保险柜等贵重物。 (4)探测范围要有余量，要考虑到夏天， 当环境温度升
12、高与人体表面温度一致时 (3032C),探测距离会缩短1/3 以上，甚至个别探测器会出现不探测。因此，务必引起注意。 第三章 发射电路热释电红外控制集成发射电路的作用不仅仅是将热释电红外传感器输出的探测 信号电压进行放大。该电路通过集成化制作技术，在电路内制作出具有各种功能 的电路，因此使电路具有完全的控制功能。 使用这种控制电路可使热释电红外控 制电路结构简化， 功能齐 全，功耗降低，工 作可靠，性 能优良，组装方便.3.1 BISS0001 芯片BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传 感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类
13、白 炽灯、荧光灯、蜂鸣器、(4)探测范围要有余量，要考虑到夏天， 当环境温度升高与人体表面温度一致时(3032C),探测距离会缩短1/3以上，甚至个别探测器会出现不探测。因此，务必引起注意第二章系统设计2.1热释电红外传感器的优缺点优点：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：（1）、容易受各种热源、光源干扰。（2） 、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。（3） 、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。（4） 、易受射频辐射的干扰。2.2热释电红外传感器的抗干扰性1防小动物干扰：探测器安装在推荐的使用高度， 对探测范
14、围内地面上的 小动物，一般不产生报警。2抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408中 4.6.1要求， 一般手机电磁干扰不会引起误报。3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。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。2.3热释电红外传感器的注意事项检测器应避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着热源 （如暖气片、加热器）或空调，以避免
15、环境温度较大的变化而造成误报；检测器安装必须 牢固，避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面 要定期用湿软布或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度 2m第三章软件设计我们的目标是，当检测到有人闯入时就由 P3.7 口输出高低电平间隔1S的脉 冲信号去驱动声光报警电路，产生声光报警。这可通过使P3.7 口每隔1S取反一 次实现。而1S时间可通过让定时器T0（工作于定时方式1）重复定时100ms十 次实现。用工作寄存器R1作循环计数器，初值为10 (0AH。采用中断方式编程，整个软件由主程序和中断服务程序两部分构成YESNONOYES开始系统初始化 有人闯入？启动定时时间
16、到吗？ 转报警程序图2主程序流程图等待时间到看是否有人闯入1、主程序。主要功能是对系统进行初始化和对系统进行监视。其程序流程图如图2所示程序清单如下ORG0000HAJMPMAIN;转向主程序ORG000BH;定时器T0中断入口LJMPBJ;转向中断服务程序ORG0030HMAIN : MOV SP, #50H ;设置堆栈栈底MOV R1 , #0AH ;设置循环计数器初值MOV P3，#00H ;设置P3 口为正常状态MOV P1，#00H ； 使 VD1VD发红外光MOV TMOD #01H 设T0为定时方式1MOV TH0，#3CH ;设置定时 100ms初值MOV TL0，#0B0HS
17、ETBEA；CPI开中断SETBET0;定时器0允许中断JS：MOV A，P3;监视是否有人闯入CJNEA，#00H, LPAJMPJSLP:SETB TR0;启动T0定时100msSJMP $ ;等待定时100ms完成1S到吗？P3.7取反中断返回保护现场图3 中断服务程序流程图重设定时初值恢复现场YESNO2、中断服务程序主要功能是判断定时1S是否完成，从而决定是否对 P3.7 口取反。其程序流程图如图3所示图3中断服务程序流程團程序清单如下:ORG0060HBJ: PUSH Acc ;现场保护PUSHPSWMOV TH0, #3CH ;重设定时初值MOVTL0 , #0B0HDJNZR1
18、 , FH ; 1S未到返回MOV R1，#0AH ;重设计数器初值CPLP3.7 ； P3.7 口取反FH POP PSW ;恢复现场POPAccRETI;中断返回END第四章硬件设计电路原理图如图1所示。可将该电路分为以下三个部分1、电源电路220V交流市电经变压器T降压，桥式整流器D1整流，电解电容C7滤波，三端稳压器78L05稳压，最后得到整机要求的+5V稳定直流电源 2、单片机系统 U1为AT89C2051单片机。C1, R0, R1和复位按钮RESETS成手动电平复位和上电自动复位电路；C2, C3以及晶振JT1组成时钟电路；C4, C5为+5V电源滤波电容。U2为CMOS反相器C
19、C4069起驱动作用。VD1VD为红外发射管，其负极端接与P1 口，P1 口设置为输出状态，当P1 口为“0”时，VD1VD6发红外光。VD7VD1为红外接收管，当接收到红外光时导通，+5V电源通过VD7VD1加到反相器CC4069勺输入端，经反相为低电平，这时 P3.0P3.5为低 电平。发射管和接收管分别安装在门和窗口的适当位置， 当有人闯入时遮挡了红外线，接收管截止，反相器输入端为低电平，这时 U1的P3.0P3.5为高电平。当在一定时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，则由 P3.7 口输出报警信号(高低电平间隔1S的脉冲信号)。驱动声光报警电路，进行声光报警，直至 按复位按钮RES
20、ET或电源开关S1。由于红外收发管之间没有遮挡时为正常，有 遮挡时为异常，则当P1 口输出00H时，P3 口的正常状态数据为OOHo3、声光报警电路。555定时器U4,扬声器BY,普通红色发光二极管 VD13等组 成声光报警电路。其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压输入 端5脚与单片机AT89C2051的P3.7脚相连，受P3.7脚输出的高低电平间隔1S 的脉冲信号控制。当P3.7为高电平时控制电压Uco较高，阈值电压UT+ (=Uco) 和UT- (=1/2Uco)也较高；当P3.7为低电平时UT+和 UT-也较低。当UT+较高时，电 容C9充、放电的电压幅度较大，因而振荡频
21、率较低。反之，当 UT+较低时，电容C9充、放电过程中电压变化幅度较小，充、放电过程完成得较快，故振荡频率 较高。即当P3.7=1时，555输出脉冲的振荡频率较低；当 P3.7=0时，555输出 脉冲的振荡频率高。该输出脉冲经过隔直电容 C8加到扬声器上，扬声器将交替发出高、低不同的两种叫声。同时，P3.7脚输出的高低电平间隔1S的脉冲信号 经电阻R8加到红色发光二极管 VD13上，VD13将闪烁发光。达到声光同时报警 的效果。第五章系统调试5.1软件调试。先在Keilc51环境中进行软件调试，再利用编程器将调试好的程序固化到AT89C2051单片机中。5.2 硬件调试（1）检查线路应焊接无误
22、。（2）电源电路调试。断开负载，用万用表测量 78L 05的3脚应有+5V电压。（3）先不装入AT89C205单片机，用短路线把U1插座 的12脚接地，调整VD1和VD7的安装位置和角度，测量U1插座的2脚电压。当 VD1和VD7之间无遮挡时2脚电压为0伏，有遮挡时为+5伏。用相同方法反复调 整其他几对红外收发管的位置和角度。使 U1插座的3、6 7、& 9各脚的电压 符合要求。（4）将固化好程序的AT89C2051插入电路中的U1插座上，接上电源 即可工作。八、参考文献与资料1、 王煜东主编，传感器及应用。2、 陈永甫主编，红外探测与控制电路428432页。3、杨志忠主编，电 子技术模拟与数
23、字高等教育出版社。 4、王庆有主编，光电技术。5、 陶亚雄主编，现代通信原理电子工业出版社。6、 陈永甫主编：红外探测与控制电路，北京：人民邮电出版社，2004年。7、 无线电爱好者丛书，黄继昌等主编7583页：实用报警电路，北京： 人 民邮电出版社，2005年。&应用电路百例丛书，杨帮文主编：新型集成器件实用电路（修订版），2006 年，电子工业出版社。9、王廷才主编Protel DXP2004应用教程第2版，机械工业出版社。致谢在此次毕业设计中，首先要感谢指导老师张艳阳老师，感谢她耐心的给予我 们指导，给我们提供思路，带领我们分析探讨细化问题，让我们比较速度的进入 到毕业设计设计的状态中。
24、毕业设计是培养学生综合运用所学知识、 发现、提出、分析和解决实际问题, 锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际动手能力的具体训练和考察过程。毕业设计如同一次修行的过程，锻炼的仅仅是个人的分析问题和解决问题的 能力，更是对自己耐力和细心程度的考验。 没有足够的毅力是很难完成毕业设计 的真正要求的，能做的只有坚持一下，再坚持一下。在毕业设计的过程中遇到了 许许多多的问题，遇到困难而不茫然无措是很高的境界。碰到问题就要去解决， 不能只是愁眉苦脸的怨天尤人，要想尽一切办法去找到出路，而在找到的时候， 曾经经历过的波折也便云淡风轻了。 没想过要放弃，可脚下的路不因决心的大小 而有丝毫的改变，崎岖不平似乎才是正常的，一旦过于顺利反而意味着陷阱。 做事情要步步为营，不能急功近利。此次毕业设计让我对我的专业甚至人生 都进行了思考，发现自己很多的弱点。这或许就是人们所说的，大学的真正意义 吧，不在乎你真正学到了多少，而是在乎你能不能找到自己，包括适合自己的思 维方式，自己的学习方法和自己的优点劣势等等。 最后再一次感谢学校的领导和 我们的指导老师的悉心关怀和热心的指导！
