热释电红外报警器.doc

热释电红外报警器
南 昌 工 程 学 院
课 程 设 计 (论 文)

系（院） 专业

学生姓名

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学 号

指导教师

完成日期 2011 年 12 月 27 日

目录
目录 2
一、课题的任务要求 3
二、总体方案设计 4
三、硬件电路设计 5
四、制作与调试 10
五、总结 11
六、心得体会 12
七、附录 13
附录7.1 原理图 13
附录7.2 元器件清单 14
附录7.3 实物图 16

一、课题的任务要求

热释电红外报警器是一种通过热释电红外传感器探测人体发射的10微米左右特定波长的红外线而释放报警信号的报警装置。利用红外热式传感器探测人体目标，在检测到可疑目标时，控制音乐片发出向响亮的报警声。
设计技术要求为：
1. 报警器可探测的距离大于3米；
2. 静态功耗小于10mA;
3. 供电电压为DC6V，可以通过电池串联作为供电源。
4. 制作产品并调试。
5. 其他创新或特色；
二、总体方案设计

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。我们本次设计是在各类红外报警器的原理基础上来做的，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。
我们选择的这种方案是，传感器在检测到人体的移动信号以后，产生相应的电压脉冲信号，通过后便对电压信号的两次放大，窗口比较以后，同过继电器常闭常开，发光二级管发光报警。
总体设计思路：本设计主要是硬件设计。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、及相关的控制管理软件组成。我们没有选用单片机，选用SD02传感器，LM358，LM324芯片，9014三极管等。

图表 1
待测目标主要是人体

图表 2
三、硬件电路设计
3.1传感器模块
热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电警惕的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

3.1.2热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

3.1.3 SD02原理结构功能
我们选用SD02作为传感器，热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。下面图3是SD02的内部结构

图表 3
从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5~15um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。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。

图表 4

图4是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。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。

按图5连接SD02

图表 5

3.2放大电路的设计
3.2.1 LM358
信号稳压放大电路使用LM358来实现的，放大的本质是实现能量的控制，既能量的转换：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。本设计中使用2M电阻和0.01F电容作为放大电路的反馈系统。
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6为LM358的引脚结构

图表 6

3.2.2 LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列图8。

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图表 7

图表 8

3.3电压比较器
本设计中的LM324作为电压比较器。电压比较器的功能是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“+”输入端低于“-”输入端时，电压比较器输出为低电平。

3.4整流滤波
电路中IN4148二极管是单向导电元件，RC可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

3.5三端稳压源
78L05是集成三端稳压源，串联调整式稳压器，内部设有过热、过流和过压保护电路。他只有三个外引出端（输入端、输出端和公共地端），将整流滤波后的不稳定直流电压接到集成三端稳压器输入端，经78L05可以把12V的电压稳定到5V，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

3.6电磁继电器
我们在电路中加入了电磁继电器，它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁芯被磁化产生磁力，从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧推开，使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触电则又闭合。所以在电路中电磁继电器是利用电磁控制工作电路通断的开关。加入继电器的好处是，用低电压控制高电压；远距离控制；自动控制。

3.7 LED发光报警
电流经放大后驱动蜂鸣器发声，我们采用发光二极管发光来报警。

3.8 三极管反相电路
用三极管9014起到电位反相的作用，也有增益放大的作用，20K的电阻为偏置电阻。
四、制作与调试

分析好电路原理图，按照原理图安装元件，我们组所做的报警器电路不是很复杂，元器件不多，我们要使元器件分布稀疏，元器件摆放时要与板子的边缘垂直，方向尽量一致；元器件的引线弯曲时不要离根部太近，以免引线折断；要尽量将有字符的元件面置于易观察的位置，以便调试；安装时不要用手触碰元件引脚和电路板，防止弄脏。安装好元件，就可以准备焊接了。清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或镊子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉。若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头"蘸"些焊锡对焊点进行补焊。看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。
完成焊接后，细心检查万用板背面的焊点有无虚焊、漏焊或缺接，发现无问题，然后对照原理图检查成品的电子元件参数有没出错，排除以上问题后接通电源。电路板焊接完成后不一定可以实现想要的功能，这时候就需要我们进行调试，找出问题，解决问题，直至可以实现功能。
多次检查，通电后可实现功能。

五、总结

我们的设计尽管元件简单，但原理是和市场上的热释电红外报警器相同的，我们了解到这种报警器的优缺点是：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，流动安装。但它存在容易受各种热源，光源干扰的不足，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，又是造成短时失灵。
经过一星期对热释电红外报警器从原理、焊接到调试工作，大大提升了自己的能力，各方面每一个电阻，芯片，继电器都做了详尽的了解。尽管在调试中电路板存在一些问题，但是我觉得实践要建立在充分掌握在理解电路原理的基础上，才能操作准确。

六、心得体会

通过整个课程设计的过程，我觉得我又学到了不少新的东西，我们一个组开始着手做的时候，我不怎么明白原理，整个组会讨论把各个器件的原理结构搞明白，焊接的时候不知道怎么接引脚就请教知识掌握更好的同学或上网查资料。我们发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节就是考验我们耐心细心的环节。我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了焊接的方法和技术，通过查询资料，也了解了收音机的构造及原理。这次课程设计终于完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在各个同学讨论老师的指导下，解决了。在今后社会的发展和学习实践过程中，我们需要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，应该要不厌其烦的发现问题所在，然后一一解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功。
课程设计是一门专业课，老师按毕业设计的格式要求我们，我们一开始的确有点无从下手，但是我觉得这是一次锻炼的机会，为我们能更好的写好毕业论文。这一个周给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。在以后的日子里，我需要不断充实自己，争取在所学领域有所作为。
七、附录
附录7.1 原理图

附录7.2 元器件清单

元件名称 型号 数量（个）
瓷片电容       0.1F      3
瓷片电容       0.01F     2
瓷片电容       0.022F    1
电解电容       100uF    2
电解电容       22uF    1
电解电容       47uF     2
电解电容       0.047F   1
电解电容       33uF     1
电解电容       10uF     1
电解电容       2.2uF     1
热释电红      SD02      1  
外传感器
放大器        LM358     2
放大器        LM324     1
稳压器        78L05     1
二极管        IN4148    3
LED           7段      1
三极管         9014      2
继电器                   1
电阻           33K       1
电阻          22 K      1
电阻           10 K      1
电阻           12 K      1
电阻           7.5 K     1
电阻           360 K     1
电阻          30 K      1
电阻           91 K      1
电阻           47 K      1
电阻           160 K     1
电阻           82 K     1
电阻           2M       1
电阻           100 K     3
电阻           1M        1
电阻           390       1

附录7.3 实物图

实物正面

实物反面