人体红外线感应报警器

该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。内容广泛，灵活应用。
1.2设计背景
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。这里所设计的被动式红外报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：
2.2方案选定
通过比较由于方案一单片机芯片相对于模拟电子器件而言成本较为昂贵，并且单片机的软件编程对于时间的处理不够准确；方案三的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案二较为复杂。综上所述选择方案二：由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。主要由电路由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。组成框图如下：
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放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。放大电路的基本形式有3种：共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。
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芯片一：LM358
1.芯片概述
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
图3-2LM358引脚图
作为低频、低噪声前置放大，应用于电话机、VCD、DVD、电动玩具等电子产品。
3.3电压比较器
图3-3电压比较电路图
电压比较器如图3-3，IC3A和VD1等作电压比较器，IC3A的第②脚由R10、VD1提供基准电压，U_=R12/R12+R11.当IC2A①脚输出的信号电压到达IC3A的③脚时，两个输入端的电压进行比较， 此时IC3A的①脚由原来的高电平变为低电平。
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。
1.3设计要求
熟悉电路的工作原理。
掌握该电路中元器件的识别方法。
掌握电路的调试方法。
熟悉电路简单的故障分析方法。
论文符合其格式、字数的基本要求，内容要求充实、作图严谨规范等。
详细说明设计方案，并计算元件参数。
1.4设计意义
掌握红外探测防盗器的原理及设计制作与仿真调试，熟悉实用电路设计的一般过程。训练及提高学生综合运用所学知识进行电路设计的原理仿真能力。加强对一些无人场所的防盗报警，以及对一些危险地带生命迹象的探测。
摘
本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。本设计电路主要包括信号放大电路、比较电路、音响报警电路、开机延时电路和12V电源电路组成。分析人体红外线感应报警器的各部分功能电路原理，运用Protel 99se完成了原理图的绘制，并运用Multisim 10仿真调试得出电路报警的相关参数。
3.2信号放大电路
图3-1 信号放大电路图
信号放大电路如图3-1，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组成的共发射极放大电路进行第一级放大，再通过C2耦合到运算放大器IC2A中进行高增益、低噪声的同相比例放大，此时由IC2A①脚输出的信号已足够强，输入电压比较电路。
3.电气特性：
输入偏置电流45 nA
输入失调电流50 nA
输入失调电压2.9mV
输入共模电压最大值VCC~1.5 V
共模抑制比80dB
电源抑制比100dB
8脚:电源VCC
4脚:接地
1、7脚：输出端
3、5脚：同相输入端
2、6脚：反相输入端
芯片二：9014
1.主要参数：
集电极最大耗散功率PCM＝0.4W
反馈指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。本电路采用的是由R2构成了电压并联负反馈电路，此电路还是共发射极放大电路。
方案二：利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。系统主要有红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。
被动红外线感应报警器的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。
1.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
2.缺点：
容易受各种热源、光源干扰
被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收
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
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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。
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电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较器的功பைடு நூலகம்：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：
当”＋”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”＋”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平。
电压比较器的作用：
可用作模拟电路和数字电路的接口；
关键词：红外线电压比较器放大电路报警器
第一章
1.1设计概述
随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，人们自身的安防意识也在逐渐增强。红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。
2.芯片特点：
内部频率补偿
直流电压增益高(约100dB)
单位增益频带宽(约1MHz)
电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5一±15V)
低功耗电流，适合于电池供电
低输入偏流
低输入失调电压和失调电流
共模输入电压范围宽，包括接地
差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V)
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。
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。
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菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
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集成运放采用直接耦合放大器，对直流信号和交流信号都有放大作用；
为克服零飘现象，提高共模抑制比，输入端全部采用差分放大电路，并采用恒流源供电；
采用复合管提高电路的增益；
电路中的无源器件都采用无源器件来代替。
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本电路由R7、R8、C4组成同相比例放大电路。同相比例运算放大器在正常运行的时候，输出电压总是满足使反馈在反向输入端的电压等于同相端的电压(Av= R8/R7+1)。如果在放大器输出端接上负载引起输出电压下降，那么下降的输出电压就会使反馈在反向输入端的电压不等于同相端的电压，于是又会引起输出端的电压回到Av= R8/R7+1的参数。这与反向比例放大器的调整作用原理相同。
第二章 系统方案设计与研究
2.1方案设计
方案一：基于单片机的红外感应报警器。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
基于单片机的红外感应报警器特点是用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
集电极最大允许电流ICM=0.1A
集电极基极击穿电压BVCBO=50V
集电极发射极击穿电压BVCEO=45V
发射极基极击穿电压BVEBO=5V
集电极发射极饱和压降UCE=0.3V (IC=100mA; IB=5mA)
基极发射极饱和压降UBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)
2.主要用途
超电源摆幅：为进一步优化比较器的工作电压范围，Maxim公司利用NPN管与PNP管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出250mV，因而达到超电源摆幅标准。这种比较器的输入端允许有较大的共模电压。
漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态（零电平或电源电压），且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电压，对应于MOSFFET的漏源电压。
方案三：利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。主要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。
共发射极放大电路具有以下特点：
输入信号与输出信号反相；
无电压放大作用；
有电流放大作用；
功率增益最高（与共集电极、共基极比较）；
适用于电压放大与功率放大电路。
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集成运算放大器简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高，输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。运算放大器除具有十、一输人端和输出端外，还有十、一电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。
可以用作波形产生和变换电路等；
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。
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滞回电压：比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变，由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几mV的滞回电压。
偏置电流：理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流定义为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。
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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。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10~20米范围内人的行动。
图2-1 人体红外线感应报警器组成框图
第三章 单元电路设计
3.1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。