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1、1 / 31 学科分类号：理工类湖南人文科技学院本科生毕业论文题目中文）：红外线防盗报警系统研究英文）：Infrared anti-theft alarm systemresearch 学生姓名：吴路文学号 08417348 系部：电子信息科学与技术专业年级：电子信息科学与技术指导教师：李双桂职称：副教授湖南人文科技学院教务处制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 31 页2 / 31 目录摘要 3引言 4第一章国内外研究动态动5 第二章红外线 6 2.1 红外线简介 6 2.1.1 红外线 6 2.1.2 红外辐射 6 2.
2、1.3 红外辐射原理 7 2.2 红外技术 7 2.2.1 红外技术的基本应用7 2.2.2 红外技术的发展史以及发展趋势7 2.3 红外技术的研究现状10 第三章红外探测器10 3.1 红外探测器 10 3.2 红外探测器的分类11 3.3 被动红外探测器12 3.4 主动红外探测器13 3.4 热释电红外传感器的原理特性13 第四章电路组成及框图15 4.1 电路的组成 15 4.2 电源电路 16 4.3 整流滤波电路 16 4.4 稳压电路 19 4.5 放大电路的设计20 4.5.1 反相交流放大器 20 4.5.2 同相交流放大器20 4.5.3 比较器电路设计21 第五章整机工作
3、电路及工作原理23第六章电路的仿真及元器件介绍246.1电路仿真246.1.1 电源电路仿真图246.1.2红外线热释电传感器报警指示仿真图热释电传感器用开关代替）25 6.2 元件的介绍 25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 31 页3 / 31 6.2.1 KP506B 红外传感器 25 6.2.2 LM324 集成运放 26 参考文献： 28 致谢 29 附录 1 电路原理图 30摘要精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 31 页4 / 31 通过
4、介绍热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和报警指示电路等组成。当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警信号，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。本文研究热释电红外传感器设计的一种被动式红外报警电路 , 分析了该电路的功能和工作原理。热释电红外传感器具有很多的优点, 在防盗、警戒等装置中应用较广。关键词
5、： 热释电红外 。 sensor 。 pyroelectric effect 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 31 页5 / 31 引言科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。现在人们更是感觉到了科技给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会的发展中起了很大的推动作用，安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续性。随着国民经济的发展, 社会安全保障的需要
6、, 电子报警这门综合技术也在不断地发展。有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是人们的基本要求，在无人看守的家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。如有门磁式、触摸式、红外线监测等自动报警系统 , 报警器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
7、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。红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用。由于它是不可见光，因此用它作防盗监控报警器，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强防盗报警系统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。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。精选学习资料
8、- - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 31 页6 / 31 第一章国内外研究动态动防盗报警系统通常由: 探测器 。1666年，英国物理学家 I. 牛顿发现，太阳光经过三棱镜后分裂成彩色光带红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。 1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之外。因此，他认为在红光之外存在一种不可见光。后来的实验证明，这种不可见光与可见光具有相同的物理性质, 遵守相同的规律 , 所不同的只是一个物理参数波长。这种不可见光称为红外辐射，又称红外光、红外线。 17
9、 18 世纪，许多物理学家认为，光就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线，物体的红外辐射能量的大小与其波长的分布以及其表面温度有着十分密切的关系。在某些应用现场，检测器要接触被测物是不实际或者是不可能的。而红外检测器可以在短时间内远距离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。2.2 红外技术2.2.1 红外技术的基本应用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- 反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。2. 红外元件、
10、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2.2.2 红外技术的发展史以及发展趋势1自从 1800 年英国天文学家 FW 赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。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
11、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。其中有些达到实验室实验阶段，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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 31 页9 / 31 红外技术发展的先导是红外探测器的
12、发展。1800年，FW 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、发射和反射光谱，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
13、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这类探测器，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 13、35 和 813 微 M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，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
14、可比单元探测器高n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，大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 640480 元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达 256256 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
15、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，但它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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 31 页10 / 31 4. 红外探测系统从单波段向多波段发展。正如前面
16、所述：在大气环境中，目标的红外辐射只能在13、35 和 813 微 M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，
17、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。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，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106108 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
18、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。2.3 红外技术的研究现状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(0K或-273的物体都在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，
19、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，红外技术是从空精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 31 页11 / 31 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、预警与跟踪的重要手段。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
20、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。第三章红外探测器3.1 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，只要效果可以测量而且足够灵敏
21、，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。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. 热探测器的工作机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 , 热气动效应和热
22、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 , 光电磁效应和光发射效应 . 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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 31 页12 / 31 一个红外探
23、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。从目前应用的情况来看，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
24、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。3.2 红外探测器的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
25、池 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，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
26、产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 31 页13 / 31 光子探测器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
27、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M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
28、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。3.3 被动红外探测器被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。人体都有恒定的体温，一般在 37 度左右，会发出特定波长10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集
29、到红外感应源上。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，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10m 左右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 31 页14 / 31 有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几
30、乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而报警。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：1. 不需要用红外线或电磁波等发射源。2. 灵敏度高、控制范围大。3. 隐蔽性好，可流动安装。3.4 主动红外探测器主动红外探测器是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光
31、二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束此光束的波长约在0.8 0.95 微 M 之间），经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。3
32、.4 热释电红外传感器的原理特性2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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 31 页15 / 31 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
33、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 ，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。双探测元热释电红外传感器的结构。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
34、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。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0220m 。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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 31
35、页16 / 31 第四章电路组成及框图4.1 电路的组成随着电子技术的飞速发展和日益普及，电子报警器已经在各企业事业单位和人们的日常生活中得到广泛的应用，红外线报警器可监视几M到几十 M范围内移动的人体，当有人在该范围内走动时，发出报警。其电路的组成框图如图4-1 所示。图 4-1 报警器电路的组成图1电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、稳压器的稳压得到5V的直流电压。比较器传感器电源基准电压指示电路放大滤波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 31 页17 / 31 2传感器：传感器主要是用来采集
36、人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件。3放大滤波：是由集成运算放大器LM324和电容构成对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。4比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1 和 U2作为参考电压 U2 ）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人进入的情况。4.2 电源电路3直流电源 DC power）有正、负两个电极，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流来为电路工作提供能量。在设计采用的是5V 的芯片，所以电路设计为5V 的电源。4.3 整流滤波电路4.3.1 整流电路4 5晶体二极管是由两种具有
37、不同导电性能的n 型半导体和 p 型半导体结合形成的 pn 结构成的，如图4-1a）所示， pn 结具有单向导电的特性，常用符号表示如图 4-1b）。图 4-1 二极管的 pn 结构及符号精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 31 页18 / 31 图 4-2 二极管的特性曲线当 pn 结加上正向电压 p 区接正、 n 区接负）时，外电场使pn 结的阻挡层变薄，形成比较大的电流，二极管的正向电阻很小；当pn 结加上反向电压时，外电场使 pn 结的阻挡层变厚，形成极小的反向电流，表现为反向电阻非常大。晶体二极管的正反向特性曲线
38、如图 4-2 所示，即二极管具有单向导电性。利用二极管的单向导电性，可将交流电变成脉冲直流电，其过程称为整流。如图 4-3 是桥式整流滤波电路，其整流过程如下：当交流电为正半周时，M点电压高于 N点电压， D2、D4截止，而 D2、D5导通，电流将从交流电源依次通过 D2 、RL、D5 回到电源；当交流电为负半周时，N 点电压高于M 点电压，D2、D5截止，而 D3、D4导通，电流将从交流电源依次通过D3 、RL、D4回到电源。这样通过 RL的电流方向是固定的， UA始终大于 UB，且 UAB随交流电的起伏而波动。如果将 RL两端接入示波器会观察到如图4-4 的整流波形。整流电路是把交流电变成
39、直流电的电路，电路是二极管的单向导电性由四个二极管构成桥式整流电路，如图4-3 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 31 页19 / 31 图 4-3 桥式整流图 4-4 交流、整流及滤波波形4.3.2 滤波电路4电容或电容量 , Capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记为 C，国际单位是法拉 在输出引脚 , 另一个接可调电阻 ( 几 K接于地。输入和输出引脚对地要接滤波电容。图 4-5 稳压电路图典型线性调整率 0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比，输出短路保护，过流、过热保
40、护，调整管安全工作区保护，标准三端晶体管封装。稳压电路的原理图如图4-5 所示。当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317的引脚如图 4-6所示。图 4-6 LM317 引脚精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 31 页21 / 31 如图 4-6 所示 1 脚为调节脚、 2 脚为输出脚、 3 脚为输入脚，其中2 脚与散热片的表面是连接的。电源指示电路是由一个发光二极管构成，利用发光二极管的发光作用，指示电路的工作情况，当发光时说明电路正常工作，不发光时说明电路不工作
41、，如果电路电流过大会把发光二极管烧毁这是就可以检查电源电路是否用开路或者短路的情况。电源指示电路如图4-5 所示。4.5 放大电路的设计4.5.1 反相交流放大器4此放大器可代替晶体管进行交流放大, 可用于扩音机前置放大等, 电路无需调试。图 4-7 反相交流放大器放大器采用单电源供电 , 由 R1、R2组成U+ 偏置,C1 是消振电容。如图4-7所示：放大器电压放大倍数Av 仅由外接电阻Ri、Rf 决定:。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值,Av=-10 。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri 与信号源内阻相等, 然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和 Ci 为耦合电容
42、。4.5.2 同相交流放大器5同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1 、R2 组成U+分压电路 ,通 过 R3 对 运放 进行偏 置 。 电路 的电 压 放大 倍 数 Av 也 仅 由外接 电 阻决定:, 电路输入电阻为R3、R4 的阻值范围为几千欧姆到几十千欧精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 31 页22 / 31 姆，如图 4-8 示。图 4-8 同相交流放大器4.5.3 比较器电路设计单限比较器只能检测一个电平，若要检测Ui 是否处于 U1和 U2两个电平之间，则需采用双限电压比较器又称窗口比较器）。双限电压
43、比较器常用于工业系统控制中，当被监测的对象, 理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大( 实际上是很大 , 如 LM324运放开环放大倍数为100dB，既 10 万倍。此时运放便形成一个电压比较器，其输出不是高电平 V+），就是低电平U2U1 时 ， A2 输 出 +Uo(sat,A1输 出 为 - Uo(sat ，故二极管VD2 导通， VD1 截止， uo 则近似等于+ Uo(sat ；当uiU1 ，A1 输出为+ Uo(sat ，二极管 VD2截止，VD1导通， uo 也近似等于 + Uo(sat ；只有当 U1ui ，二极管VD1,VD2都截止， uo 为 0。其电压传输特性如图4-10
44、示。如图 4-9 使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1 、R1 组成分压电路，为运放A1 设定比较电平 U1 ；电阻 R2 、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2 。输入电压U1 同时加到A1 的正输入端和A2 的负输入端之精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 31 页23 / 31 间，当 Ui U1 时，运放 A1输出高电平；当Ui U2 ，则当输入电压Ui 越出U2，U1区间范围时， LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 U1，则当输入电压在 U2，U1区间范围时， LED点亮，这是一个“
45、窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。通过以上对电路的分析与设计，最终完成了5V 电源的设计，也了解了LM317芯片的功能与作用和桥式整流二极管的工作原理与整流过程。通过对LM324集成运算放大器性能和特点的分析，从各个方面了解了LM324集成运算放精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 31 页24 / 31 大器以及LM324构成的同相放器、反相放大器和电压双限比较器的原理并且以此运用在整机电路的设计中以发挥出良好的效果。第五章整 机工作电路及工作原理通过对
46、电路的分析设计完成了整机电路的总体设计原理图如附录1 所示其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要是通过对交流电的变压、整流、滤波、稳压输出一个+5V 的直流电压为后面的报警电路的正常工作提供电压；报警电路主要是由热释电红外传感器、LM324 集成运算放大器、发光二极管、电阻电容构成。传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压信号，由于此时的电压比较微弱所以要经过LM324的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。下面是报警电路的工作流程与及电路的参数计算过程: 11在电路中采用 KP506B型热释电人体红外线传感器，当人体进入该传感器的监视范围时，传
47、感器就会产生一个交流电压幅度约为1mV ），该电压的频率与人体的移动速度有关2。在正常行走速度下，其频率约为6Hz。电路中， R3、C4、C5 构成退耦电路， R1 为传感器的负债， C2 为滤波电容，以滤掉高频干扰信号。传感器的输出信号加到运算放大器A1 的同相端， A1 构成同相输入式放大电路，其放大倍数取决于R4和 R2 ，其大小为 : Auf1 =A1放大后的信号经电容C6耦合至放大器 A2反相输入端， A2构成反相输入式放大电路。电阻R6、R7 将 A2 同相端偏置于电源电压的一半,A2 的增益取决于 R8 、R5 ，其大小为Auf2 =因此，传感器信号经两级运放总共放大了Auf1A
48、uf2 =112 -42）=-4704 倍，当传感器产生一个幅度为1mV交流信号时， A2 的理论输出值为-4.704V。A3和 A4构成双限电压比较器， A3的参考电位为 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 31 页25 / 31 U3= 5 =3VA4的参考电位为 : U4 =5 =2V 在传感器无信号输出时， A1静态输出电压为0.4 1V之间；A2在静态时，由于同相端电位为2.5V，其直流输出电平为2.5V。由于 UB2.5V3V,因此 A3 输出高电平， LED1亮；当人体退出时， U32V ，因此 A4 输
49、出高电平， LED2亮。当人体在监视范围内走动时，LED1和 LED2交替闪烁。8电路中的C7 、C9 为退耦电容。 C1、C3、C8 用于保证电路对高频干扰信号有较强的衰减作用，对于低频信号有较强的放大作用，当按图中取值时，在0.1Hz8Hz 的频段内具有较好的频率响应曲线，以满足对热释电传感器输出的放大要求。11另外，若利用Uo 信号去控制报警器，还可以实现音响报警；若利用Uo 信号去控制继电器或电磁阀，还可以实现自动门、制动水龙头的自动控制。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 31 页26 / 31 第六章 电路的仿
50、真及元器件介绍6.1 电路仿真6.1.1 电源电路仿真图6.1.2 红外线热释电传感器报警指示仿真图756. 输出信号为： 2.2V 7. 灵敏度为： 3300V/W 8. 探测率为： 1.5 108cmHz1/2/W 9. 噪声Vp-p）为： 10. 平度度为： 13. 原极电压为： 0.4 1.1V(25 14. 工作温度为： -20 +7015. 保存温度为： -30 +8016. 视场为：边缘角 55 51 6.2.2LM324 集成运放10 11LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。精选学习资料 - -