热释电红外报警电路设计东油课程设计.doc

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 光电检测技术
题 目 热释电红外报警电路设计
院 系 电子科学学院
专业班级 应物09-1
学生姓名
学生学
指导教师

2013年3月1日

第1章 热释电红外报警器概述
红外线报警器分主动式和被动式两种。主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红线线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。
被动式报警器少了一项功能，就是发射红外线。物理学上告诉我们，当物体的温度高于0K的时候，就会发出红外线，换句话说任何物体都能发出红外线。而其后的原理，被动式报警器和主动式是一样的。
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。
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。由于红外线是不可见光，有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。
红外线防盗报警器作为当前使用得比较普遍的报警器之一，它以其灵敏度高、价格实惠，受到了广大用户的欢迎。但是使用每一种红外线传感器都有其不足之处，如抗干扰能力弱、误报漏报现象严重等，可靠性不够高。为了能够提高红外报警装置的工作可靠性，本设计基于热释电红外检测方式设计一个室内红外防盗报警器，要求实现的功能有：
（1）开机后延时1分钟开启报警系统；
（2）具有足够的响应灵敏度，可以识别外界持续噪声干扰；
（3）当监控过程中有人进入红外探头的扫描范围时，警示灯亮起，发声电路发出报警声；
（4）当人又离开室内，一段时间后自动停止报警；
（5）当主人需要进入房间时可以使用配备的遥控器使防盗器进入开机延时状态，可以在这段时间内进入房间关闭防盗报警器电源。

1.1 热释电红外报警器的使用价值
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：
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。
1.2 热释电红外报警器的发展趋势
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，并辅助提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取的对策的系统。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准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了入侵防范系统。
 防盗报警系统通常由探测器（又称防盗报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。
报警探测器是由传感器和信号处理组成的用来探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的核心，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。
（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外线报警探测器、微波报警探测器、被动式红外线/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。
（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。
（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。
除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。
报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中，需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。
根据实际现场环境和用户的安全防范要求，合理的选择和安装各种报警探测器，才能较好的达到安全防范的目的。当选择和安装报警探测器不合适时，有可能出现安全防范的漏洞，达不到安全防范的严密性，给入侵者造成可乘之机，从而给安全防范工作带来不应有的损失。
报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路，以及非法试图打开其防护罩时，均应能产生报警信号输出；另外报警探测器还应具有一定的抗干扰措施，以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。
报警探测器的灵敏度和可靠性是相互影响的。合理选择报警探测器的探测灵敏度和采用不同的抗外界干扰的措施，可以提高报警探测器性能。采用不同的抗干扰措施，决定了报警探测器在不同环境下的使用性能。了解各种报警探测器的性能和特点，根据不同使用环境，合理配置不同的报警探测器，是防盗报警系统的关键环节。
 数字化、无线化、集成化是防盗报警系统的技术发展趋势 。

第2章 热释电红外报警器工作原理设计
2.1 系统总体体方案设计
红外报警系统的信息采集单元必须能够灵敏的感应到其检测范围内的红外线强度信息的变化，将红外线强度信息的变化转换成电压值的变化，信号处理单元将电压信号放大并传输到控制单元，控制单元被触发，驱动发声电路以及继电器，从而达到报警目的；再在控制单元添加遥控接收电路，以便于用户在进入报警系统的检测范围内前关闭报警声音电路。
通过以上分析，可画出系统总体方案框图，如图2.1所示。

图2.1系统总体框图
2.2 各单元模块的方案设计
2.2.1　红外检测单元方案及选择
由于本系统的设计目的是以环境中红外线强度变化这一信息参数来实现的，所以红外线检测以及其信号处理单元就成为了本系统的核心。整个系统的灵敏度、稳定性等参数都直接受到此单元的影响，所以采用何种红外检测装置是一个关键问题。
方案一：采用主动式红外检测探头。该探头本身包含有一个红外线发射装置和一个接收装置，在探头正常工作时，其中的发射装置向外发射出红外光线，当其监测范围内没有障碍物的时候，探头接收端接收不到发送端发射出的红外光线，红外接收管截止；当有障碍物进入探头的监测范围时，探头中发射装置发射出来的红外光被障碍物反射回去，使接收管能够接收到反射回来的红外光线，接收管导通。
方案二：采用热释电红外探头来检测。因为正常情况时人体会发出波长在10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射出来的红外线而进行工作的。当人体进入热释电红外探头的监测区域时，因人体温度与环境温度有明显差别，当传感器检测到环境有温度变化时就会输出一定电压值；若无人或动物进入检测区，或者在探头监测区域内保持静止，则环境温度没有变化，传感器就不会有输出，所以这种传感器适合用于检测运动的人或者动物。
红外检测单元是整个设计系统的核心，它的性能决定了整个系统的灵敏度和稳定度。“方案一”所提到的使用主动式红外探头，自身发出红外光线，靠检测是否有障碍物反射回红外光线来判断是否该输出触发信号。虽然这种传感器探测可靠性比较高，但是其发出的光束较窄，因此一般的主动式探测器的探测方式是点到点，而不是一个空间范围。如果要对一个空间进行布防，就需要有多个主动式探测器，造价较高。而“方案二”中提到的热释电红外传感器则可以在比较宽的范围内进行监控，当使用涅菲尔光学透镜辅助聚焦时，热释电红外传感器的感应距离可达8m，检测角度可达89º，灵敏度较高，受外界干扰较小。所以本单元选用“方案二”。
2.2.2　开关控制单元方案及选择
当传感器信号被处理完毕后需要用检测单元的输出信号去触发后级的报警装置，如警示灯、报警声电路等，需要一些电子电路来将红外信息处理单元和后级报警装置有机的联系在一起，才能实现自动报警。
方案一：使用可控硅作为开关，当红外信息处理单元输出高电平时，可控硅被触发导通从而使后级报警电路导通报警。
方案二：使用继电器作为开关，利用红外信息处理单元的输出信号控制继电器，利用继电器内的各组开关的通断来控制后级报警装置。
使用可控硅虽然可以控制大电流，但根据可控硅的性能，其导通与关断不易控制，而且本系统中并没使用大电流器件，所以不采用可控硅作为触发开关器件。而继电器类型多样，可集成多组开关，可以用红外检测电路输出的高电平经三极管放大后驱动。所以本单元选择“方案二”。
2.2.3　电机驱动单元选择
因检测单元电路选用了热释电红外传感器来检测，虽然热释电红外传感器能灵敏地检测到环境中的温度变化，即人或动物身体的运动，但如果人或动物身体在传感器的监控范围中缓慢运动或者静止不动时，环境中没产生相对温度变化，此时传感器就无法检测到。也就是说只在有热释电红外传感器与人或动物体间有相对运动的时候热释电红外传感器才能检测到。为了使本系统能够检测到静止于传感器监控范围内的动物体，本设计增加了一个电机驱动单元，用于带动热释电红外传感器进行周期性动态扫描。本单元采用555时基电路构成低频无稳态振荡器，用于产生占空比可调的低频方波，经过反相处理，用原信号与反相后的信号控制电桥，周期性改变通过直流电机的电流，驱动电机来回转动。
2.2.4　遥控单元方案及选择
当用户需要进入本装置的监控区域时，为了不触发报警装置报警，可以使用遥控器关闭报警发声电路。
方案一：使用无线电遥控，设计一对发射频率和接收频率相同的无线电发射电路和接收电路，发射电路可以随身携带。当接收电路接收到发射端发送过来的的无线电信号时，输出控制信号，用于屏蔽报警电路。
方案二：使用红外线遥控，将集成红外接收管安装于本报警装置中，当其接收到发射管发送过来的红外光信号时，改变其输出电平，利用此特性去控制报警电路。
采用无线电遥控可以实现远距离控制，信号覆盖面广，但要设计频率匹配的发射端与接收端才可起作用，设计和调试难度大、体积较大、成本较高。而“方案二”所提到的红外遥控方式是大多数家用电器采用的遥控方式，红外遥控系统简单实用，造价较低，遥控有效距离可达10m，基本满足本系统的功能要求。所以选择“方案二”。
2.2.5　电源单元方案及选择
方案一：采用阻容降压，再经过整流、稳压、滤波电路处理，由此从市电中获取本报警系统的工作电压，这样可以省略相对大体积的变压器。
方案二：采用变压器获取电压，再经过稳压滤波处理，获取本装置的工作电压。
采用阻容降压可以通过一个电阻、一个电容从市电上获取我们用电器所需要的电压，虽然是经济实惠，但是不能输出较大的电流，而且降压电路没有和市电隔离,使用也不安全。本系统中包含有电机等需要相对大电流的元件，所以“方案一”不适用于本系统。所以本单元选用变压器降压，经整流稳压、滤波电路处理后向系统供电。
选择好各个模块的设计方案，可画出具体的系统设计框图，如图2.2所示。

图2.2　系统具体框图

第3章 热释电红外报警器电路设计
3.1 热释电红外报警器各单元模块设计
3.1.1 红外检测单元设计
本系统采用RE200B热释电红外传感器，用于采集红外线信号。以集成电路CS9803GP为核心，辅以少量的外围元件构成信息处理单元，当探头检测到环境中有红外信息变化时，芯片的第11脚由低电平变为高电平，输出保持高电平的时间可通过与第8脚所连的电位器调节。第9脚可接光敏电阻，用于在光线强的时候屏蔽芯片第11脚的信号输出。具体电路如图3.1所示。

图3.1　红外检测单元电路

3.1.2 开关控制单元设计
使用集电极电流较大的三极管8050来放大CS9803GP输出的电流，用以驱动继电器，实现开关作用。电路中使用二极管IN4001作为续流二极管，避免三极管被击穿。相应的电路图如图3.2所示。

图3.2　继电器开关电路

3.1.3 电机驱动单元设计
由于本系统在工作时要求电机带动红外探头在一定的角度范围内做往返运动，所以需要一个可以控制直流电机进行正反转的电路。图3.3所示的是一个H桥电路，电路中Q1、Q4的基极的分别是两个控制信号输入端，当两个输入端的输入信号都为低电平时，所有三极管都截止，电机停止转动；当Q1基极为高电平，Q4输入端为低电平时，Q1、Q3、Q6导通，Q2、Q4、Q5截止，电流从电机的A端流向B端，此时电机向某一个方向转动；当Q1基极为低电平，Q4为高电平时，Q1、Q3、Q6截止、Q2、Q4、Q5导通，电流从电机的B端流向A端，电机向另一个方向转动。由H桥的特点可知，为了能够使电机自动地周期性转换方向，需要有一个装置能够向H桥的两个输入端提供驱动信号。[5]因此本设计中运用NE556构成控制信号发生电路，如图3.4所示。NE556中集成了2个555时基电路，本电路中其中一个时基电路用于构成频率为0.5Hz的方波振荡器，改变C4可以调节其振荡频率，改变R10、R12可调节波形信号占空比，频率和占空比的计算公式：T=0.693（R9+R10+R11+R12）C4；t1=0.693(R9+R10)C4;t2=0.693(R11+R12)C4。[6]波形由芯片第9脚输出，用于控制电机在顺时针和逆时针方向转动的时间长短。另一个时基电路用于构成一个频率为0.01Hz的无稳态振荡器，改变C1可以调节振荡频率，改变R7、R8可调节波形信号占空比，由第5脚输出，用于控制0.5Hz方波的输出时间长短和间隔时间长短，使驱动信号发生电路间歇性地向H桥提供一段时间的驱动信号，输出波形信号的时序图如图3.5所示。

图3.3　H桥电路

图3.4　NE556电路

图3.5输出波形信号的时序图

3.1.4 遥控单元电路设计
遥控单元分为发射电路与接收电路两部分，发射电路采用NE555时基电路为核心构成无稳态振荡电路，产生脉冲信号，驱动红外发射二极管，具体电路如图3.6所示。红外接收器采用集成红外接收头SFH506-38，因该接收头能响应较宽频率范围的红外光，所以为了提高报警装置的安全级别，本设计在红外接收电路中采用锁相环音频译码电路LM567构成选频电路，即接收电路只响应某一频率带宽内的红外光。在使用中可以设置发射电路输出的脉冲频率等于接收端的内部振荡频率，这样只有使用此遥控器才可控制本报警系统。在本电路中当只有当接收端接收到的脉冲信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，芯片的第8脚才输出高电平，否则输出低电平。具体电路如图3.7所示。

图3.6　红外发射电路

图3.6中555电路的振荡频率: f0=1.443/（R4+2R3）C2。

图3.7　红外接收电路
图3.7所示电路中芯片第5、6脚外接的电阻R16、电容C17决定了锁相环内部压控振荡器的中心频率：f0=1/1.1R16*C17。

3.1.5 延时电路设计
采用555时基电路构成开机延时电路，在接通电源瞬间，由于C1上的电压不能突变，可视为短路，此时555复位，芯片的第三脚输出低电平，此时Q3截止，Q5导通，发光二极管发光。同时C1开始充电，当充到三分之一电源电压的时候，555被置位，第3脚输出高电平，Q3导通，Q5截止，LED熄灭。报警发声电路处于待机状态，开机延迟时间 T=1.1R3C1。[9]遥控电路通过Q1控制延时电路电源的通断，如图3.1.5所示。

图3.1.5　555延时开关电路

3.1.6 电源单元设计
为了使电机的运行不影响其它单元的正常工作，本设计给电机驱动单元单独供电，为了适应不同功率的电机，电机电源采用可调稳压芯片LM317，以便调节输出电压值。如图3.1.6所示。

图3.1.6电源电路

3.1.7 报警发声电路设计
选用性价相对较高的报警音乐集成芯片，当给芯片的电压输入端通电时其输出端就会输出报警声音信号，驱动扬声器发出报警声。

第4章 安装与调试
4.1 应用ISIS软件仿真
在ISIS软件中画出各单元原理图，设置好元件参数，便可以进行调试。图4.1是由NE555构成的低频振荡电路仿真电路。图4.2是遥控发射电路仿真电路，这个遥控发射电路的仿真结果图如图4.3所示。

图4.1　低频无稳态振荡器仿真电路

图4.2　遥控振荡仿真电路

图4.3　遥控振荡电路仿真结果

4.2 硬件调试
首先，对硬件电路进行电气检查，看连线是否与电路原理图一致，有无短路、虚焊等现象，电子元件的型号、极性是否有误。检查完毕，用万用电表测量两个稳压芯片输出端的电阻，排除电源短路的可能性。
然后将热释电红外探头的接收窗口指向无人或动物的方向，接通电源，先用电压表测量各个芯片的电压输入引脚的电压值，都应在芯片要求达到的电压范围之内。然后观察电机的运动情况，调节振荡电路的振荡频率和占空比，使电机的顺时针和逆时针方向的转动角度与转动间隔时间符合用户的要求。
观察延时电路指示灯，应在开启电源瞬间亮起，一段时间后自动熄灭，待延时指示灯熄灭以后，用手放到探头检测窗口的前方时，芯片CS9803GP的第11脚应由低电平变为高电平，继电器吸合，报警电路发出报警声；调节红外检测单元的R9可得到用户所需要的报警声保持时间。在CS9803GP的第9脚连接有一个开关，当开关闭合时可在白天屏蔽该芯片输出，晚上正常工作。硬件实物图如图4.4所示。

图4.4　硬件实物图
4.3 调试系统实现的功能
设计实现的功能是当打开系统电源，电源工作指示灯亮起，延时指示灯亮起，系统处于开机延时状态，此时报警发声电路被屏蔽。电机每隔一个时间段就会带动红外探头来回扫描一段时间，既起到对静止人体的扫描作用、增大了探头的扫描区域，也减少了电能消耗。开机1分钟后延时指示灯熄灭，当有人进入监控范围时，继电器吸合、报警声响起。当在按下遥控器时，系统的遥控接收端接收到控制信号，开始进入开机延时状态，延时指示灯亮起，报警发声电路被屏蔽。延时的目的是方便用户走出房间或者进入房间关闭报警系统的电源。传动装置使用齿轮减速，使最终转速在60转/Min以下，用装于其传动轴上的软轮摩擦带动安装有红外探头的轮子转动，在轮子的两旁安装两块挡板，以限制检测探头的转动范围。为保证报警的准确度，本报警装置限在室内使用，并且在其监控范围内尽量不要放置热源，如电炉、取暖机等。在安装时应将本装置安装于适当的高度，避免因有小动物经过而产生误报现象。

第5章 结论
自动化、智能化和绿色节能是当前科技发展的一个趋势，本设计在将普通热释电红外设备加以改进的同时，也考虑到了系统的节能方面，认真的进行了文献查阅、方案选择、软件仿真、硬件调试、论文撰写等环节，在硬件上获得了比较好的效果，使热释电红外报警器的性能得到较大的优化。但是由于设计时间有限，在电路中一些元件的选择方面没有做到最优化。笔者将会继续研究，不断将设计中的元件进行合理更换，使本防盗报警器能够以造价低廉、功能完善的特点为人民大众所接受。

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