1、蘇州大學本科生畢業設計（論文）目 錄摘要1Abstract1第一章 緒論21.1 設計背景21.2 設計概述3第二章 方案設計與確定42.1 方案設計42.2 確定方案4第三章 熱釋電傳感器概述63.1 熱釋電紅外傳感器63.2 菲涅爾透鏡63.3 HN9118第四章 核心元器件簡介104.1 三端穩壓集成電路lm7805104.2 CX20106簡介104.3 555時基電路114.4 KD9561四聲模擬聲電路12第五章 系統硬件電路模塊設計135.1 系統總電路圖135.2 電源電路135.3 主動式紅外監控電路135.4 三極管反相電路155.5 被動式紅外監測模塊165.6 延時控制

2、電路175.7 報警發聲電路18結論19參考文獻20致謝212摘 要在本文中，介紹一種利用熱釋電紅外傳感器進行監控，并進行報警的系統的設計。該報警器主要由熱釋電紅外傳感器及其檢測電路，報警電路組成。熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可把人體的紅外信號轉換為電信號以供信號處理部分使用。檢測電路主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，從而實現報警功能。關鍵詞：熱釋電紅外傳感器；報警電路；Abstract In this article, this paper introduces a design that using the pyroelectric infrared

3、 sensor to monitor and alarm.The alarm system is mainly composed of pyroelectric infrared sensor, detection circuit and alarm circuit.Pyroelectric infrared sensor is the core device in the design of alarm, it can convert the human body infrared signals to electrical signals which used for signal pro

4、cessing part.The detection circuit is mainly for weak electrical signals that the sensor outputs to be compared, and amplification, filtering, delay, so as to realize the alarm function.Keywords: The Pyroelectric Infrared Sensor;Alarm Circuit.21第1章 緒論1.1 設計背景隨著社會的發展、科技的進步以及大眾安全防范意識的不斷增強，人們對自身所處的生活環境

5、的安全性提出了更高要求，尤其是在銀行、酒店、超市以及居民生活區更易遭到歹徒侵害的地方1。例如說現在居民生活區為了防盜采取人工防范的辦法明顯力不從心，另外防盜網、防盜窗等家居安防產品在實際使用中不僅不美觀，而且不符合防火要求，所以作為高科技的電子防盜報警系統日益受到廣泛的重視和運用。為了達到防入侵、防被盜、防破壞、防火等目的，我們采用了以傳感器為核心的電子技術加計算機等技術輔助的一套現代安防系統。在科技飛速發展的今天，犯罪分子的作案手段不但更加隱蔽了，而且還智能化了，因此加強現代化的安全防范技術，滿足人們對安保系統越來越高的要求和期望，就顯得尤為重要。2熱釋電紅外探測技術是國家安全依賴的重要技術

6、手段，是近年來局部戰爭偵查使用的尖端技術之一。3-4與其他同類技術相比，具有全天候、被動式、視距遠、識別偽裝能力強等優點，在軍事領域起著重要的作用。應用熱釋紅外技術的紅外傳感器、非接觸式測溫、紅外熱成像儀、搖感控制器和遠紅外熱分析儀等已有一定批量的產品，正處于形成產業化的前期。目前，熱釋電紅外報警器的研究存在許多不足，例如，報警器的誤報率較高，其原因主要是由于現有的熱釋電紅外報警器系統不能有效識別入侵對象。5-7這些缺陷導致熱釋電紅外報警器的應用領域作為其它高端監控產品的前端感應器件，或是主要局限在對安防性能要求不高的場合。本文針對現有熱釋電紅外報警器的缺陷，對熱釋電紅外報警器進行研究，并以不

7、同紅外輻射源的熱釋電信號為研究對象，以模式識別和信號處理的理論和方法為手段，深入系統地研究PIR信號的特征提取方法、預處理方法與特征融合方法，并在此基礎上，提出了一種新的熱釋電紅外報警器。自上世紀 80 年代以來，部分單位部門開始安裝智能報警系統，隨著該項技術的不斷完善，有效的保證了居民的人身和財產的安全。本文介紹的熱釋電紅外報警系統中，其核心元部件是熱釋電紅外傳感器，由于它成本低、制作簡單、安裝方便、抗干擾能力強、靈敏度高、具有很好的隱蔽性，安全可靠，它是目前市場上最常用的報警器之一。隨著商業和民用安防監控實際需求的不斷增長、部署監控系統性價比的不斷提升，以及“國家應急體系”、“平安建設”、

8、“科技強警”等重大工程項目在全熱釋電紅外報警器的設計國不斷推進，我國紅外監控報警市場將持續升溫，并不斷創造出更多的市場需求和機會。北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等國內大型活動的舉辦和世界社會安全形勢的多變，對各種危險性的預防也提出了越來越高的要求，具有全天時準全天候的紅外監視報警系統顯得更加突出。到 2009 年，全國約有 300 萬個紅外監控攝像頭用于城市監控與報警系統。紅外安防已經開始成為安防領域的又一熱門產業， 所以研究實用型紅外報警器迫在眉睫！81.2 設計概述本文旨在設計一個熱釋電紅外安防自動報警系統。用于人體探測的熱釋電紅外傳感器多采用雙元的器件，接收紅外線波長為 6.514m

9、，所以要求器件的靈敏度高，噪聲系數低，使用溫度范圍廣。本文以被動式熱釋電紅外報警系統為主要研究對象，這其中的熱釋電紅外傳感器是一種能量轉換器件，它將熱量變化轉換為電量變化。當交互變化的紅外線照射到晶體表面時，由于紅外線的熱效應，晶體溫度會迅速變化，這時電荷會發生變化，從而形成一個明顯的外電場，熱釋電紅外傳感器內部的熱釋電晶體發生極化，隨著溫度的變化而變化。如果紅外輻射恒定地照射在探測器探頭上，熱釋電晶體的溫度就不會改變，晶體對外呈電中性，探測器因此而沒有電信號輸出，所以恒定的紅外輻射不能被檢測到。本文所設計一種能以非接觸方式檢測出人體輻射的紅外線的熱釋電紅外傳感器，將紅外線轉變為電壓信號。熱釋

10、電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于檢測人體信號控制開關和別的電路以及無線門磁等方面，同時，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。鑒于熱釋電傳感器在高溫下易誤報等缺點，本文設計一主動式紅外傳感報警器進行同向比較，盡可能減少誤報的可能。第二章 方案設計與確定2.1 方案設計方案一：利用模擬電子電路構成被動紅外線感應報警器。被動紅外報警器主要是根據外界紅外能量的變化來判斷是否有人在移動。人體的紅外能量與環境有差別，當人通過探測區域時，報警器收集到的這個不同的紅外能量的位置變化，進而通過分析發出報警。人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發出特定波長10m左右的紅外線，被動紅外報警器就是靠探

11、測人體發射的10m左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10m左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應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生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。方案二：利用模擬電子電路構成主動紅外入侵報警器。主動紅外報警器是一種紅外線光束遮擋型報警器，發射機中的紅外發光二極管在電源的激發下，發出一束經過調制的紅外光束(此光束的波長約在0.80.95m之間)，經過光學系統的作用變成平行光發射出去。此光束被接收機接收，由接收機中的紅外光電傳感器把光信號轉換成信號，經過電路處理后傳給報警控制器。由發射機發

12、射出的紅外線經過防范區到達接收機，構成了一條警戒線。正常情況下，接收機收到的是一個穩定的光信號，當有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機收到的紅外信號發生變化，提取這一變化，經放大和適當處理，控制器發出的報警信號。目前此類報警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應用在周界防范居多，最大的優點就是防范距離遠，能達到被動紅外的十倍以上探測距離。2.2 確定方案方案一和方案二結合。利用模擬電子電路構成被動紅外線感應報警器為主報警器，同時利用主動紅外入侵報警器為參考報警器。被動式紅外監控部分阻斷發射主動式紅外監控部分圖1 系統結構框圖第三章 熱釋電傳感器概述3.1 熱釋電紅外傳感器熱釋電

13、傳感器是基于熱釋電效應發展起來的電力電子器件，它憑借著獨特優異的性能和廣闊的發展前景，在民用，軍事等諸多領域得到了廣泛應用。近年來，隨著激光紅外技術的飛速發展，熱釋電傳感器在工業應用的大舞臺上已越發重要和耀眼。1.熱釋電效應介紹某些晶體受熱時，晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化而產生的電極化現象被稱為熱釋電效應。熱釋電傳感器正是基于此效應，在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯接成差動平衡電路，并且利用不同物體發出的紅外線的差異性，將熱信號轉化為電信號輸出。2.熱釋電傳感器工作原理及其性能結構與其它所有的熱傳感器類似，熱釋電傳感器的工作原理大致可以用以下三個部分來闡述：(

14、1)將外界輻射轉化為自身熱能的吸收階段。(2)將吸收的熱能用以提升溫度的升溫階段。(3)將熱信號轉化為電信號的測溫階段。并且，對于特定的響應元的熱釋電電流，若輻射的角頻率為定值，那么。熱釋電電流的大小僅與感受的輻射功率大小成正比，同步變化于輻射功率。從結構上來看，正如前面提到，熱釋電傳感器是利用兩個特征一致的熱電元反向串聯接成差動平衡電路，那么它引入場效應管的目的就是為了完成相應的阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，所以需要引入N溝道結型場效應管接成共漏形式，以完成阻抗變換。3.材料介紹熱釋電材料可分為單晶，壓電陶瓷及高分子薄膜等諸多種類，它們均能產生熱釋電效應固稱之為熱釋電材料。其中，單晶

15、熱釋電的熱釋電系數高。介質損耗小，性能最好的熱釋電傳感器至今大多選用單晶制作，如TGS，LATGS，LITA03等。在壓電陶瓷熱釋電晶體中成本較低，響應較慢。如入侵報警用PZT陶瓷傳感器工作頻率為0.25Hz。最后介紹的薄膜熱釋電材料可以用濺射，液相外延等方法制備。有些薄膜的自發極化取向率已接近單晶水平。9-113.2 菲涅爾透鏡1.紅外作用距離與光學聚焦系統由于人體輻射出的紅外線能量相當弱，因而，只采用熱釋電紅外傳感器組裝的探測器，其探測距離一般為12m。為提高其探測靈敏度，最好在熱釋電傳感器的前面加裝一套特殊的光學系統，這就是菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)。目前，與紅外傳感器配套的

16、光學系統有三種，即反射式、透射式和折射式，其中反射式光學系統的靈敏度最高,其探測距離可達2560m；透射式的靈敏度最低，探測距離為210m；折射式居中，兼有反射式和透射式的優缺點。反射式系統的紅外傳感器要置于鏡前，體積大，不好密封，在防塵、防水、抗擊、隱蔽性等方面較差，尤其在防盜報警方面不宜采用。而透射式系統的體積小，密封容易，穩定性好，其價格相對較低，因此目前國外多采用透射式系統。2.紅外能量的變化值和菲涅爾鏡熱釋電紅外傳感器對紅外輻射能量的絕對值并不感興趣，感興趣的應是紅外輻射能量變化值的大小。例如,若站在紅外傳感器近前的是一個紋絲不動的人，傳感器就沒有反應；而較遠地方的人稍一移動，紅外傳

17、感器便迅即有脈沖信號輸出。基于上述的檢測原理，在進行光學系統設計時，不僅應把監測空間輻射來的紅外線聚焦至傳感器，還應能敏銳地覺察出這些紅外能量的變化。因此，在設計聚光透鏡時，往往要對光滑的光學透鏡面進行棱狀或柱狀處理。兩種設計的用意都是在于使被監測的空間產生一系列交替的狹小的紅外“高靈敏感應區”和“盲區”。當有人從鏡前走動時，人體發出的紅外線就不斷地從“高靈敏感應區”進入“盲區”，傳至紅外傳感器的紅外線就會時有時無，即大量的光脈沖進入紅外探測元，經轉換后便輸出相應變化的電脈沖，因而提高了其接收靈敏度，大大提高其探測距離。圖2 菲涅爾透鏡的展開圖和安裝位置圖圖3 菲涅爾透鏡檢測示意圖 3.菲涅爾

18、鏡的設計和技術指標菲涅爾透鏡是一種塑料注成的薄鏡片，片上有精細的鏡面和排列有序的紋理，它是根據對靈敏度和接收角度的要求來設計和制作的，技術精度要求非常高。一片好的透鏡必須表面光潔，紋理清晰，厚度在0.65mm左右，對紅外光的透過率要高于65%。下面以Q6型菲涅爾鏡為例，說明其主要技術指標。(1)外形尺寸：68rnm×38mm；(2)水平角度：120°；(3)傳感器與鏡面間的距離：置于聚焦中心處，標準距離為29mm，以便使紅外線能量聚焦在探測元上，得到最大的靈敏度。實際上，菲涅爾透鏡有各種不同的規格，具有不同的幾何尺寸和特點，要求聚乙烯薄片和安裝外殼應相配，透鏡面與傳感器之間

19、應保持規定的距離，不同的透鏡其距離是不同的。除上面的Q6型外，常見的還有QIA型和Q8半圓型，一般的菲涅爾透鏡的探測距離在10m左右，采用雙重反射形式的透鏡可達20m以上。123.3 HN9111.結構：HN911主要由光學系統、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理等幾部分組成。其結構框圖如圖4所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區，以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放

20、大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現打下基礎。后續圖4 HN911結構框圖圖5 HN911內部結構2.工作過程:平時（HN911未檢測到紅外信號時），HN911的2腳輸出高電平。當有人在有效探測區域內活動時，HN911接收到人體發出的紅外線并將其變換為0.110Hz的超低頻脈沖（頻率與人體的移動速度有關），該超低頻脈沖信號經HN911內電路處理后，從HN911的2腳輸出觸發負脈沖信號。3. 工作參數：工作電壓典型值5V，高電平輸出5V，低電平輸出電壓00.2mV。第四章 核心元器件簡介4.1 三端穩壓集成電路lm7805電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的Im78 ×&

21、#215; 系列和負電壓輸出的Im79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 圖6 lm78057805引腳正確的順序：1腳接輸入，2腳接地，3腳接輸出。 用lm78/lm79系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓IC型號中的lm78或lm79后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓為正6V，lm7909表示輸出電壓為負9V。 4.2 CX20106簡介圖7 CX20106內部結構

22、 CX20106是廣泛用于彩色電視機紅外線遙控接收的前置放大器。由于功能強，性能優越，成本低，故已在各種紅外線遙控系統中得到廣泛的應用。CX20106由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。其中的電平自動控制電路ABLC可以保證在輸入弱信號時前置放大器有較高增益，在輸入強信號時前置放大器不會過載，可以保證在一定遙控距離（約10m）內工作可靠。其內部設置的濾波器中心頻率f0由其腳外接電阻調節，范圍可從30KHz60KHz。CX20106的工作過程大致如下：其中的前置放大器將外接紅外光敏二極管或三極管產生的脈沖電壓進行放大，電壓增益約7779dB。然后將信號送限幅放大器

23、，使其變為矩形脈沖，再由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，由檢波器濾掉載頻檢出指令信號，再經整形后，由腳輸出指令信號。實際上，CX20106的功能用一句話概括，就是當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的紅外光信號時，其輸出端腳就輸出低電平。 CX20106的主要參數如下：電源電壓典型值為5V，最大17V。電源電流1.12.5mA(典型值為1.8mA)。輸出低電平0.2。電壓增益7779dB。輸入阻抗27K。濾波器中心頻率30KHz60KHz。允許功耗0.8w.4.3 555時基電路555電路的內部電路方框圖如圖8所示。圖8 555內部方框圖它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放

24、電開關管T，比較器的參考電壓由三只5K電阻器構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入和低電平比較器A2的反相器、輸入端的參考電平為2/3VCC和1/3VCC。A1與A2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號自6腳，即高電平觸發輸入并超過參考電平2/3VCC時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3VCC進，觸發器復位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。RD是復位端（4腳），當RD=0，555輸出低電平。平時RD端開路或接VCC。Vc是控制電壓端（5腳），平時輸出2/3VCC作為比較器A1的參考電平，

25、當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一0.01uF的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便地構成從微秒到數十分鐘的延時電路，可方便地構成單穩態觸發器，多諧振蕩器，施密特觸發器等脈沖產生或波形變換電路。4.4 KD9561四聲模擬聲電路KD9561是一片CMOS四音音樂IC，用示波器觀察其輸出端波形為變頻方波信號，

26、可以認為是邏輯電路中的數字信號。可用于警車、救護車、救火車等警報發生器。與其它線性音頻功放相比較，具有結構簡單、效率高、性價比優異這幾項突出的優點，雖音質不盡完善，但用于警報發生器卻無高保真之需，此放大器輸出之功率用于一般警音已可滿足要求。圖9 KD9561接腳 圖10 KD9561發聲選擇第五章 系統硬件電路模塊設計5.1 系統總電路圖圖11.1 系統總電路圖（1）圖11.2 系統總電路圖（2）5.2 電源電路圖12 電源電路整流橋對1,2端輸入的12V交流電進行整流，從而有利于后面的穩壓管穩壓。直接采用芯片穩壓，LM7805將電壓穩定在5V直流電壓上，由1端輸入，3端輸出。5.3 主動式紅

27、外監控電路圖 13 主動式紅外監控電路圖555多諧振蕩器起頻率調制作用以發射和CX20106中心頻率一致的紅外線：電容C 充電時間； 放電時間；振蕩頻率為：芯片CX20106的功能簡述：當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的紅外光信號時，其輸出端腳就輸出低電平。否則輸出高電平。 芯片CX20106的管腳注釋： l腳：紅外信號輸入端，接紅外接收管VDL。 2腳：該腳與GND之間連接RC串聯網絡，它們是負反饋串聯網絡的一個組成部分，改變它們的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用

28、中不必改動，選用參數為R4=4.7，C5=1F。 3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，參數為3.3F。 4腳：接地端。 5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。現取R5=220k,中心頻率為38kHz. 6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電

29、極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳： 電源正極，4.5V5V。5.4 三極管反相電路圖14 三極管反相電路圖用三極管9013將基極和集電極的電位反相，即在截止狀態和飽和導通狀態下的兩種情況。且三極管也起增益放大的作用。R6,R7，R8均為偏置電阻，分別取值為10k,5.1k,10k。5.5 被動式紅外監測模塊圖15 被動式紅外監測模塊電路圖平時（HN911未檢測到紅外信號時），HN911的2腳輸出高電平。當有接收到人體發出的紅外線時，將其變換為0.110Hz的超低頻脈沖（頻率與人體的移動速度有關），該超低頻脈沖信號經

30、HN911內電路處理后，從HN911的2腳輸出觸發負脈沖信號。或門為參考選擇過程。當1,2腳有高電平輸入，3腳輸出高電平。當1,2腳輸入均為低電平時，3腳輸出觸發低電平。5.6 延時控制電路圖16 延時控制電路圖R9,C8分別為延時電阻和延時電容，延時長度T=R9*C8*1.1，R9=1M，C8=100UF，T=110s即延時大約兩分鐘。為防止該NE555被反相電動勢擊穿，則并聯保護二極管D7。當2腳接收到觸發低電平信號時，3腳輸出高電平。繼電器工作，吸合開關。延時結束，3腳回復低電平，繼電器不工作，開關斷開。5.7 報警發聲電路圖17 報警發聲電路圖KD9561四聲模擬聲集成電路，SEL1,

31、SEL1不接，則發出報警聲，R10=240k以符合芯片要求。LS1選用YD100 -1型8,0.5W電動揚聲器，由該KD9761和三極管8050驅動。繼電器吸合，電路接通，則發出報警聲報警。結論本文設計的防盜報警器通過主動式紅外監控和被動式紅外監測雙向比較，既能很好地起到防盜報警的作用，同時增強了熱釋電紅外傳感器的抗干擾能力，減少了誤報的可能。因此能很好地滿足現代人們對家居安全的要求。參考文獻1A.L.Cour-Harbo, Geometric modeling of a two-dimensional sensor array for determining spatial position

32、 of a passive objectJ. IEEE Sensor J,2004,4 (5):627-642.2N. Kakuta, S. Yookoyama, M.Nakamura. Estimation of radiative heat transfer using a geometric human modelJ.IEEE Trans. Biomed. Eng.2001.48:324-331.3S. T. Liu, Donald Long. Pyroelectric detector and materialsC. Proceedings of the IEEE,1978,66(1):14-26.4Akram Hossain, Muhanmmad H.Rashid. Pyroe