红外线防盗报警器课程设计

北华航天工业学院

课程设计报告（论文）

设计课题：红外线防盗报警器设计

专业班级：B10231

学生姓名：

指导教师：

设计时间：2012年6月25日

北华航天工业学院电子工程系

红外线防盗报警器课程设计任务书

姓名：专业：通信工程班级：B10231

指导教师：职称：

课程设计题目：红外线防盗报警器

已知技术参数和设计要求：

●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。

●要求：

●1、灵敏、可靠、一经触发，即刻报警

●2、对产品材料精益求精，延长使用寿命

●3、根据实际应用环境，自己选择传感器，确定红外检测范围。

所需仪器设备：

直流供电电源，信号发生器，双踪示波器，数字电压表，计算机等

成果验收形式：

面包板插接+实物演示+答辩

参考文献：

《电子技术基础模拟部分》（高教康华光）

《电子工艺与课程设计》（电子工业出版社毕亚军、崔瑞雪）

时间安排

第17周：

周1---周2 ：立题、论证方案设计，选择元器件安装调试

周4---周5 ：插面包板调试电路

第18周：

周1---周3 ：焊接制成电路，完成设计

周4---周5 ：验收答辩

指导教师：张洁教研室主任：崔瑞雪

2012年6 月14 日

内容摘要

红外线防盗报警器目前市场上已有成型产品，且市场较为成熟。由于红外线是不可见光，因此用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且其抗干扰能力强。红外线传感器分主动式与被动式两种，主动式设计方案简单，但成本较高，从成本考虑，本课题通过介绍热释红外传感器RE200BP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。这种电路把红外线传感器应用于报警系统中，从而能够实现防盗报警能。

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、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。利用热释电红外传感器设计了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。

关键词被动式红外报警器；热释电传感器；菲涅尔透镜；防盗报警器

目录

一概述 (1)

二方案设计与论证 (2)

2.1论证方案1、2、3 (2)

2.2采用方案4 (4)

三单元电路设计与参数计算 (5)

四总原理图及元器件清单 (7)

4.1总原理图 (7)

4.2元件清单 (7)

4.3重点元件介绍 (8)

五安装与调试 (10)

5.1电路仿真软件介绍 (10)

5.2电路功能仿真验证 (11)

5.3布局与布线 (12)

5.4调试效果 (14)

六性能测试与分析 (16)

七结论 (16)

八心得体会 (16)

九参考文献 (17)

一、概述

1知识背景

近年来，电子电器的飞速发展,各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。然而大部分人防盗意识还不够强，造成偷盗现象屡见不鲜。此时报警器就派上了用场。很多报警器价格高昂，一般人们难以接受。本课题选择设计的被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能相对稳定等特点而占有了一定的市场。

资料显示红外报警器大多数采用国外的先进技术，其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红外报警器，还有红外监控无线报警器，超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器, 触摸式防盗报警器，红外报警器，红外线声光报警器等等。

2红外报警器分类及原理

红外报警器分为主动红外报警和被动红外报警。

主动红外入侵报警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微米之间），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。

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10μm左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。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10μm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。

二、方案设计与论证

首先红外传感器在有人经过时给出微弱变化的小信号，通过对小信号的放大并与比较器基准电压比较输出高低电平，驱动后续报警电路。

以下对本组课程设计过程中涉及到的典型设计方案做分析并说明采用及不采用每个方案的原因。以下设计方案均经过仿真，从仿真角度筛选最合适方案。

1、方案1：

方案来自网络，优点是设计已成型，不用动脑子；缺点是非原创，后来发现该方案也不能完善地实现防盗报警功能，仿真效果不好，且缺乏蜂鸣器虽然使电路输出在很宽的范围内都能驱动二极管发光，只有发光二极管的报警器不太符合要求。不能采用。

2、方案2：

该方案基于基于简单的放大比较原理，去除了上述方案1的复杂电容设置，仿真显示上电瞬间电压尖峰脉冲过大，可能损坏元件，故不采用。

3、方案3：

该方案将方案1的双门限电压比较器改为单门限电压比较器，使原理更容易理解，电阻电容设置上遵循尽可能对电路有用的电容留下，无用的删除的原则，使电路得到简化。通过一级二级放大，中间通过电压跟随器稳定二级输入。最后由比较器输出。缺点是响应时间长，有延迟，虽然在比较电压设置上灵活可调，但不易控制，有时没有电路输入仍然会产生误报警。可改进后采用。

4、方案4：

该方案对前述方案做了大幅度修改，原因是插接面包板时发现传感器参数并未像网上某些方案甚至资料给出的单纯1mv左右的输出，而是在一个2v左右的相对稳定电压基础上有一个约0.1v到0.3v的变化。这就导致了前述方案彻底

失效。 原来设计的数百倍的方案作废，因为不可能对2v 电压放大100倍。 但是不是说2v 的输出直接可以驱动后续报警电路了呢？当然不是，2v 是上电后传感器的稳定输出，当有人经过传感器时，传感器的变化电压是比较小的，需要把小的变化电压放大实现报警。 此时，并不能通过电容隔直作用去掉直流，取出0.1v 交流，因为这个交流的频率是6hz 左右，滤波电容会使输出波形严重失真。 故设计本方案对2v 电压进行适当放大（2-3倍），放大的直流稳定电压的同时，也放大了变化的交流成分，使比较器比较电压的选择范围变大，等于提高了传感器的灵敏度。

报警电路主要是由热释电红外传感器RE200BP 、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:

在电路中采用RE200BP 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，传感器就会产生一个交流电压（幅度约为0.1V ），该电压的频率与人体的移动速度有关。 在正常行走速度下，其频率约为6Hz 。 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R3和R1，其大小为: Auf1 =23

11=+R R 传感器会产生一个幅度为0.1V 交流信号时，这个交流信号是在2v 左右的直流电压输出的基础上叠加的。 具体直流信号电压是多大，取决于环境条件，如温度，热源，光源等，环境条件的微弱变化会影响到传感器的输出信号。

该方案测试可行，插接面包板仿真效果良好。

三、单元电路设计与参数计算

（1）单元电路组成：

1．电源：9V 的直流电压。

2．传感器：传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件，本课题采用RE200BP 传感器

3．放大：是由集成运算放大器LM324N 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：这里采用的是单门限电压比较器，把电路中精密电位器的分压作为基准电压与比较器输入的电压作比较,控制指示电路指示是否有人进入，使用芯片仍然为LM324N 。

（2）同相交流放大器

同相交流放大器的特点是输入阻抗高。 其中的R1、R2组成2

1U+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:4

1R Rf Av +=,电路输入电阻为R3、R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆，如下图所示，该图说明同向交流放大器的基本原理，本课题采用同向交流放大器，放大倍数为2倍，使得传感器输出的敏感变化电压范围扩大，以利于比较。

图 同相交流放大器

(3)比较器电路设计

采用单门限电压比较器，目的是使得无人进入时或者有非有效干扰时电压不触发比较器 传感器 电源9v 精确比较电压

报警电路

（二极管与

信号放大

电压比较器，依然输出低电平，不驱动后续报警电路；若有人进入，输出电压较大，大于门限电压，此时输出高电平9v驱动后续报警电路。实际仿真达不到9v，因此后续电路如蜂鸣器等输入电压应为5v到8v之间合适。

(4)电压跟随器

用来稳定同向交流放大器和电压比较器之间的电压。

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

仿真效果显示，若模拟传感器工作的开关J1闭合，相当于传感器感应到人体移动发出报警信号，此时经过电路处理后的信号出发蜂鸣器鸣响和发光二极管闪烁；若J1断开，相当于传感器没有感应到人体移动，电路无输入，实际比较电压不够，输出低电平，无报警。

整体方案调节时特别注意测量各个单元点的输入输出，用探针来测量输入输出，设置蜂鸣器时蜂鸣器要采用2000hz，LED发光二极管要串联限流电阻，以保证输出电压不会超出LED的最大承载电流，防止烧毁。电路中极性电容完全可以用普通电容代替，但由于普通瓷片电容没有10uF大小的，故需要使用极性电容在不影响电路功能的情况下代替。电路中所有电容的作用均为滤波，若无电容，上电瞬间容易产生尖峰脉冲，可能会损伤元器件。

2．元件清单

元件序号型号主要参数数量备注

R0 金属膜色环电阻200欧 1

R1 金属膜色环电阻22k欧 3

R2 金属膜色环电阻10k欧 2

C1 电解电容10uf 1

C2 瓷片电容1nf 1

C3 瓷片电容10nf 1

LED 彩灯发光二极管2-15v 1

BUZZER 有源蜂鸣器5v，2000hz 1

LM324N 集成运放四运放集成 1 DIP14 3．重点元件介绍

（1）5v有源蜂鸣器

蜂鸣器有有源和无源两种。根据蜂鸣器内部有无震荡源可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。其中有源蜂鸣器可以在工作电压下发出频率固定的鸣叫声，无源蜂鸣器的鸣叫声则受到输入电压频率的影响。此外5v蜂鸣器的实际工作电压范围较宽，但过高或过低的电压都会导致发声异常。为了保证较理想的输出声音，本课题采用5v有源蜂鸣器。

（2）LED彩灯发光二极管

本课题采用的发光二极管为高亮彩色发光二极管，起到很好的显示效果。（3）集成运放LM324N

本课题采用的LM324N为DIP14封装，四运放集成。

图5-2 集成运算放大器图5-1 LM324封装引脚图

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。LM324的引脚封装见图5-1，图5-2为内部运放结构。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此应用广泛。

（4）传感器RE200BP

RE200BP红外传感器实物如图5-3所示。红外线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，如图5-4。

如果只看实物可能分不出红外传感器的引脚，常用的红外传感器金属装封的，有个窗口，接地的引脚是和外壳相通的，这较好分别，另外两个引脚与地引脚电阻都很大，很难分别。如果是自己安装这个元件安装时引脚要尽量短，远离其它发热元件，除了窗口，其它的元件最好用厚纸隔开，否则你装好后误差也大，就是受干忧大，常误触发。常见的引脚位置如图5-5。 RE200BP内部功能图如图5-6所示。

图5-3 红外传感器感应方向图5-4 RE200BP红外传感器实物

图5-5 RE200BP 引脚说明图5-6 RE200BP内部功能图

RE200BP的基片材料是硅材料，采用的是T0-5封装，尺寸参数为：

1. 灵敏元面积为：

2.0mm 1.1mm Gap 0.9mm Dual，双元

2. 基片厚度为：0.5mm

3. 窗口尺寸为：5.2 3.8mm

4. 工作波长为：5～14um

5. 平均过透率为：>75％

6. 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：<200mV (25℃)

10. 平度度为：<20％

11. 工作电压为：2.2～15V

12. 工作电流为：8.5～24uA(25℃)

13. 原极电压为：0.4～1.1V(25℃)

14. 工作温度为：-20℃～ +70℃

15. 保存温度为：-30℃～ +80℃

16. 视场为：边缘角55° 51°

注：实际测量发现，RE200BP传感器的信号输出不停变化，只有当人走过其测量范围时，才会有0.1v左右的微弱变化，这是整个设计的关键。

五、安装与调试

5.1 电路仿真软件介绍

1、Multisim仿真原理图

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。启动界面如图

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以