电子技术课程设计 综述 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。 前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用的传感元件——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。 1 红外线探测报警电路 1.红外探测、控制原理、发射与接收电路 1.1红外探测/控制基本原理 1.1.1红外线辐射及近红外光谱 红外辐射又称为红外线或红外光。红外光是人眼看不见的光，是一种电磁波。 红外光是波长比红色光的波长还长的光波。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外、中红外、中远红外和远红外区。 1.1.2红外线发射与接收系统 使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。 图 1.1 红外光发射电路（仿真前） 2 电子技术课程设计 图 1.2 红外线发射电路（仿真后） 用multisim 7仿真后可以明显看到发光二极管变成红色。 图 1.3 红外接收放大电路电路 正常人的体温在370C附近，人体辐射的远红外线能量在9~10m范围内。因此，在制作探测元的硅片上贴上一个截止波长为7~10m的滤光片，使小于7m的非人体辐射红外线被吸收掉，仅使波长为7~10m的红外线通过，即只对人体发出的红外线进行检测。 3 红外线探测报警电路 2.被动式热释电红外传感器原理及应用电路 2.1人体热释电红外传感器 人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。 2.1.1被动式热释电红外传感器的工作原理及特性 人体热释电红外线传感器的工作原理及特性普通人体会发射10um左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，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乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。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，于是输出检测信号。为了增强敏感性并降低白光干扰，通常在探头的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光透镜，菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 2.1.2人体热释电红外线传感器的特点 人体红外线传感器的功耗很小，能长期可靠工作。同时由于其不发射任何类型的辐射信号，不易被常规手段侦测到，所以在安全监控领域得到大量使用。人体红外线传感器容易受各种热源、光源、射频辐射的干扰，其穿透力也较差，人体的红外辐射容易被各种物体遮挡，并且当环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度会明显下降，严重时还会造成探测失效，因此在设计及安装使用时应注意上述问题。 2.1.3被动式热释电红外传感器的抗干扰性能 [1] 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。 [2] 抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 [3] 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， 4 电子技术课程设计 不产生报警。 2.1.4被动式热释电红外传感器的特点 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。 缺点： [1] 容易受各种热源、光源干扰。 [2] 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。 [3] 易受射频辐射的干扰。 [4] 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。 2.1.5被动式热释电红外传感器安装要求 红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。 正确的安装应满足下列条件： [1] 红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。 [2] 红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 [3] 红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 [4] 红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 图 2.1 传感器示意图 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 5 红外线探测报警电路 2.2红外热释电处理芯片BISS0001 BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。广泛用于安防、自控等领域能。 2.2.1 BISS0001的特点 CMOS工艺 数模混合 具有的高输入阻抗运算放大器 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器 采用16脚DIP封装 2.2.2 BISS0001的管脚图 图2.2 BISS0001的管脚图 2.2.3 BISS0001的管脚功能 管脚说明 功能说明 可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发 控制信号输出端。由VS的上跳前沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。 输出延迟时间Tx的调节端 输出延迟时间Tx的调节端 触发封锁时间Ti的调节端 触发封锁时间Ti的调节端 引脚 名称 I/O 1 2 3 4 5 6 A VO RR1 RC1 RC2 RR2 I O -- -- -- -- 6 电子技术课程设计 7 8 9 10 11 VSS VRF VC IB VDD -- I I -- -- O I I I O 工作电源负端 参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位 触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR≈0.2VDD) 运算放大器偏置电流设置端 工作电源正端 第二级运算放大器的输出端 第二级运算放大器的反相输入端 第一级运算放大器的同相输入端 第一级运算放大器的反相输入端 第一级运算放大器的输出端 表 2.1 BISS0001管功能表 12 2OUT 13 2IN- 14 1IN+ 15 1IN- 16 1OUT 7 红外线探测报警电路 3.被动式红外防盗报警器与电路 3.1被动式红外探测防盗报警器的组成和工作原理 被动式红外探测防盗报警器是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够感应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，人体辐射的红外线经光学系统（菲涅尔透镜）的过滤，经热释红外传感器将其转换成相应的电信号，然后对电信号进行放大处理，并能使监控报警电路工作，产生报警信号，从而完成报警功能。 3.1.1热释电红外探测报警电路的原理框图 图 3.1 报警电路框图 热释电红外探测报警器的核心部件是热释电红外传感器。通过光学透镜系统的配合和红外光能的集聚，它可以探测到一个立体防范空间内的热辐射的变化。 3.1.2热释电红外传感原理 此原理基于：任何高于绝对温度零点的物体都会辐射红外线，辐射能量的大小与该物体的表面温度有关。不同的温度的物体辐射的能量随波长的分布。在静态状态，既无物体入侵的情况下，热释电探测器周边的物体，如树木建筑物等不动的物体，虽然也会发出热红外辐射，但这些辐射是稳定不变的，并被称为背景辐射。当入侵的活动进入被监控的防范区域后，稳定不变的热辐射被破坏，产生了一个变化的热红外辐射。热释电红外传感器能接收到这变化的辐射能，并将其转换成相应的电信号，经放大、处理后去控制报警器发出声光报警信号。 正常人的体温约为36.8。C，人体辐射的红外线的波长为9~10m。为滤除掉周边的不动物体发出的热辐射，即滤除其背景辐射，在制作热释电红外传感器的探测元件时，在其硅片上贴上7~10m的滤光片，使小于7μm的非人体辐射红外线被吸收掉，只让波长为7~10m的红外线通过，因此热释电红外传感器能较好的对人体发出的红外线进行检测。 3.2被动式红外线报警电路 8 电子技术课程设计 3.2.1电路图与原理 图3.2 红外探测报警电路 该报警器由热释电红外探测头、放大器、比较器、延时电路、音响报警电路和稳定电源等组成。它的监视范围为7M，视角为86度，很适合家庭防盗报警，也可用于库房、厂房、通道等场所。 红外传感器采用Q74型热释电器件，在壳体顶部有滤光镜片窗口，只使波长为7~10m的红外线射进至热释电陶瓷体上。当视场内移动人体辐射出的红外线的能量发生变化时，探测元表面的接收温度即发生变化，并产生热电效应，输出与人体移动速度成比例变化的低交变信号。 红外传感起器输出前面装设了菲涅尔透镜，它是一种多面反射镜，用于产生一个“高灵敏感应区”和“盲区”交替出现的红外场，使进入红外探测元的红外线呈脉冲状态，提高它的接收灵敏度，扩大探测距离。 红外线探测传感器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，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2①脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2①脚输出的信号电压到达IC3的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的⑦脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC3的⑦脚变为低电平时，C6 9 红外线探测报警电路 通过VD2放电，此时IC4的②脚变为低电平，它与IC4的③脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的①脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的⑦脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的①脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。 为了防止主人开机后发生误报，在电路设计中设计了开机延时电路。由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟。刚开机时，由于C8有个充电过程，VT3饱和导通，使音响电路不工作，不发生。约过75s以后，VT3因C8充电后而截止，这时主人或调试者已离开监视现场。 安装或使用时，红外探测器应置于1.5~2m高处，以便形成一个较开阔的监视场。为保证报警器始终处于警戒状态，备有交、直流两用电源。 安装无误，接上电源进行调试，让一个人在探测器前方7－10m处走动，调整电路中的R12，使讯响器报警即可。其它部分只要元器件质量良好且焊接无误，几乎不用调试即可正常工作。 10 电子技术课程设计 4.555定时器简介 4.1 555定时器 555定时器一种数字-模拟混合式集成定时器，用它可以很方便的组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲电路，在工业控制等诸多方面有很广泛的应用。 4.1.1 555定时器的电路结构与功能 图 4.1 555 定时器 (a) 电路结构 (b) 引脚图 555 定时器的组成，如图2.1(a)所示，(b) 为引脚图。起工作原理如下：比较器C1的反向输入端U1（接引脚6）称为阀值输入端，用TH表示；比较器C2的输入端U2（接引脚2）称为触发输入端，用TR标注。C1和C2的参考电压UR1和UR2由电源UCC经3个5kΩ 的电阻分压给出。在控制电压输入端UCO悬空时， 若UCO外接固定电压，则 RD为异步置 0 端（对应管脚4），只要在RD端加入低电平，无论U6、U2的输入电平如何，基本RS触发器就置 0，电路输出UO为零。 11 红外线探测报警电路 RD 0 1 U1（TH） X U2 (TR) X U0 0 0 V1 导通 导通 截止 截止 不变 1 1 1 1 1 不变 表 4.1 555的功能表 12 电子技术课程设计 课程设计体会 本设计是在我的指导教师李博老师的悉心指导下完成的。感谢他在繁忙的教学工作之余审阅了本设计，详细的指出了其中的错误和不当之处，并提出了很多整理和修改这篇设计的宝贵的意见和建议。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课程设计题目的选择到项目的最终完成，老师都始终给予我细心的指导和支持。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启示。 在大二即将结束之际，我做了这次课程设计，通过本次课程设计，我学到了很多在课堂上学不到的知识，并对课堂上所学的知识又有了更深的认识，这次设计不仅锻炼了自己动手查阅资料理解知识的能力，还提高了自己的归纳能力。 这个课程设计是我们大二学生的第二个规范的、严格要求的课程设计。这个设计使我对学过的一些知识有了总结性的学习，是在重新学习基础知识的同时，进行的一次创造性的设计。在此设计中，我感受到了同学们认真做课程设计的态度和热情。设计过程中，我们互相交流，找出设计的不足之处，提高自己设计的质量，在此过程中，体现了同学们之间的团队协作精神。此设计也使我们了解了课程设计的基本格式、内容和其他相关条件，它将为我们以后做设计奠定坚实的基础。 这篇课程设计频繁的用到了电脑，使我对一些以前学习知识又有了深刻的认识，同时，我也体会到自己的电脑使用的知识还是很匮乏，尚需要进一步的提高，为以后学习与工作打下基础，提高做事效率。 总之，这次课程设计既丰富了我们的学习生活，也提高了我们的学习兴趣。还增强了自己的动手的能力，对我们今后的学习生活有着很重要的意义。 学 生：田希俊 学 号：0505030122 日 期：2007.7.13 13 红外线探测报警电路 参考文献 [1]陈永甫.红外推测与控制电路.北京：人民邮电出版社.2004.6：1～18、290～312. [2]陈尔绍等.电子控制电路实例.北京：电子工业出版社.2004.11：109～111. [3]吴宗凡.柳美琳，张绍举，赵浴泽，李汉宾等.红外与微光技术.北京：国防工业出版社，1998.6 [4]赵负图.光电检测控制电路手册．北京：化学工业出版社，2001.1：246～276. [5]华成英、童诗白.模拟电子技术基础.第四版．北京：高等教育出版社．2006． [6]阎石.数字电子技术基础.第五版.北京.高等教育出版社.2006 [7]程玉兰.红外诊断现场实用技术.北京：机械工业出版社.2002.1：1～17、102～104. 14
