基于热释电传感器的防盗报警器的设计

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

第一章绪论 (2)

1.1 设计背景 (2)

1.2 设计概述 (3)

第二章方案设计与确定 (4)

2.1 方案设计 (4)

2.2 确定方案 (4)

第三章热释电传感器概述 (6)

3.1 热释电红外传感器 (6)

3.2 菲涅尔透镜 (6)

3.3 HN911 (8)

第四章核心元器件简介 (10)

4.1 三端稳压集成电路lm7805 (10)

4.2 CX20106简介 (10)

4.3 555时基电路 (11)

4.4 KD9561四声模拟声电路 (12)

第五章系统硬件电路模块设计 (13)

5.1 系统总电路图 (13)

5.2 电源电路 (13)

5.3 主动式红外监控电路 (13)

5.4 三极管反相电路 (15)

5.5 被动式红外监测模块 (15)

5.6 延时控制电路 (16)

5.7 报警发声电路 (17)

结论 (19)

参考文献 (20)

致谢 (21)

摘要

在本文中，介绍一种利用热释电红外传感器进行监控，并进行报警的系统的设计。该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路，报警电路组成。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，从而实现报警功能。

关键词：热释电红外传感器；报警电路；

Abstract

In this article, this paper introduces a design that using the pyroelectric infrared sensor to monitor and alarm.The alarm system is mainly composed of pyroelectric infrared sensor, detection circuit and alarm circuit.Pyroelectric infrared sensor is the core device in the design of alarm, it can convert the human body infrared signals to electrical signals which used for signal processing part.The detection circuit is mainly for weak electrical signals that the sensor outputs to be compared, and amplification, filtering, delay, so as to realize the alarm function.

Keywords: The Pyroelectric Infrared Sensor;Alarm Circuit.

第一章绪论

1.1 设计背景

随着社会的发展、科技的进步以及大众安全防范意识的不断增强，人们对自身所处的生活环境的安全性提出了更高要求，尤其是在银行、酒店、超市以及居民生活区更易遭到歹徒侵害的地方[1]。例如说现在居民生活区为了防盗采取人工防范的办法明显力不从心，另外防盗网、防盗窗等家居安防产品在实际使用中不仅不美观，而且不符合防火要求，所以作为高科技的电子防盗报警系统日益受到广泛的重视和运用。为了达到防入侵、防被盗、防破坏、防火等目的，我们采用了以传感器为核心的电子技术加计算机等技术辅助的一套现代安防系统。在科技飞速发展的今天，犯罪分子的作案手段不但更加隐蔽了，而且还智能化了，因此加强现代化的安全防范技术，满足人们对安保系统越来越高的要求和期望，就显得尤为重要。[2]

热释电红外探测技术是国家安全依赖的重要技术手段，是近年来局部战争侦查使用的尖端技术之一。[3-4]与其他同类技术相比，具有全天候、被动式、视距远、识别伪装能力强等优点，在军事领域起着重要的作用。应用热释红外技术的红外传感器、非接触式测温、红外热成像仪、摇感控制器和远红外热分析仪等已有一定批量的产品，正处于形成产业化的前期。目前，热释电红外报警器的研究存在许多不足，例如，报警器的误报率较高，其原因主要是由于现有的热释电红外报警器系统不能有效识别入侵对象。[5-7]这些缺陷导致热释电红外报警器的应用领域作为其它高端监控产品的前端感应器件，或是主要局限在对安防性能要求不高的场合。本文针对现有热释电红外报警器的缺陷，对热释电红外报警器进行研究，并以不同红外辐射源的热释电信号为研究对象，以模式识别和信号处理的理论和方法为手段，深入系统地研究PIR信号的特征提取方法、预处理方法与特征融合方法，并在此基础上，提出了一种新的热释电红外报警器。

自上世纪 80 年代以来，部分单位部门开始安装智能报警系统，随着该项技术的不断完善，有效的保证了居民的人身和财产的安全。本文介绍的热释电红外报警系统中，其核心元部件是热释电红外传感器，由于它成本低、制作简单、安装方便、抗干扰能力强、灵敏度高、具有很好的隐蔽性，安全可靠，它是目前市场上最常用的报警器之一。随着商业和民用安防监控实际需求的不断增长、部署监控系统性价比的不断提升，以及“国家应急体系”、“平安建设”、“科技强警”等重大工程项目在全热释电红外报警器的设计国不断推进，我国红外监控报警市场将持续升温，并不断创造出更多的市场需求和机会。北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的举办和世界社会安全形势的多变，对各种危险性的预防也提出了越来越高的要求，具有全天时准全天候的红外监视报警系统显得更

加突出。到 2009 年，全国约有 300 万个红外监控摄像头用于城市监控与报警系统。红外安防已经开始成为安防领域的又一热门产业，所以研究实用型红外报警器迫在眉睫！[8]

1.2 设计概述

本文旨在设计一个热释电红外安防自动报警系统。用于人体探测的热释电红外传感器多采用双元的器件，接收红外线波长为 6.5~14μm，所以要求器件的灵敏度高，噪声系数低，使用温度范围广。本文以被动式热释电红外报警系统为主要研究对象，这其中的热释电红外传感器是一种能量转换器件，它将热量变化转换为电量变化。当交互变化的红外线照射到晶体表面时，由于红外线的热效应，晶体温度会迅速变化，这时电荷会发生变化，从而形成一个明显的外电场，热释电红外传感器内部的热释电晶体发生极化，随着温度的变化而变化。如果红外辐射恒定地照射在探测器探头上，热释电晶体的温度就不会改变，晶体对外呈电中性，探测器因此而没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到。本文所设计一种能以非接触方式检测出人体辐射的红外线的热释电红外传感器，将红外线转变为电压信号。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于检测人体信号控制开关和别的电路以及无线门磁等方面，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。

鉴于热释电传感器在高温下易误报等缺点，本文设计一主动式红外传感报警器进行同向比较，尽可能减少误报的可能。

第二章方案设计与确定

2.1 方案设计

方案一：利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。

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。

方案二：利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。

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0.8～0.95μm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。

2.2 确定方案

方案一和方案二结合。利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器为主报警器，同时利用主动红外入侵报警器为参考报警器。

图1 系统结构框图

第三章热释电传感器概述

3.1 热释电红外传感器

热释电传感器是基于热释电效应发展起来的电力电子器件，它凭借着独特优异的性能和广阔的发展前景，在民用，军事等诸多领域得到了广泛应用。近年来，随着激光红外技术的飞速发展，热释电传感器在工业应用的大舞台上已越发重要和耀眼。

1.热释电效应介绍

某些晶体受热时，晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象被称为热释电效应。热释电传感器正是基于此效应，在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联接成差动平衡电路，并且利用不同物体发出的红外线的差异性，将热信号转化为电信号输出。

2.热释电传感器工作原理及其性能结构

与其它所有的热传感器类似，热释电传感器的工作原理大致可以用以下三个部分来阐述：

(1)将外界辐射转化为自身热能的吸收阶段。

(2)将吸收的热能用以提升温度的升温阶段。

(3)将热信号转化为电信号的测温阶段。

并且，对于特定的响应元的热释电电流，若辐射的角频率为定值，那么。热释电电流的大小仅与感受的辐射功率大小成正比，同步变化于辐射功率。从结构上来看，正如前面提到，热释电传感器是利用两个特征一致的热电元反向串联接成差动平衡电路，那么它引入场效应管的目的就是为了完成相应的阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，所以需要引入N沟道结型场效应管接成共漏形式，以完成阻抗变换。

3.材料介绍

热释电材料可分为单晶，压电陶瓷及高分子薄膜等诸多种类，它们均能产生热释电效应固称之为热释电材料。其中，单晶热释电的热释电系数高。介质损耗小，性能最好的热释电传感器至今大多选用单晶制作，如TGS，LATGS，LITA03等。在压电陶瓷热释电晶体中成本较低，响应较慢。如入侵报警用PZT陶瓷传感器工作频率为0.2~5Hz。最后介绍的薄膜热释电材料可以用溅射，液相外延等方法制备。有些薄膜的自发极化取向率已接近单晶水平。[9-11]

3.2 菲涅尔透镜

1.红外作用距离与光学聚焦系统

由于人体辐射出的红外线能量相当弱，因而，只采用热释电红外传感器组装的探测器，其探测距离一般为1~2m。为提高其探测灵敏度，最好在热释电传感器的前面加装一套特殊的光学系统，这就是菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。

目前，与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式，其中反射式光学系统的灵敏度最高,其探测距离可达25~60m；透射式的灵敏度最低，探测距离为2~10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的优缺点。反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统的体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。

2.红外能量的变化值和菲涅尔镜

热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值并不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射能量变化值的大小。例如,若站在红外传感器近前的是一个纹丝不动的人，传感器就没有反应；而较远地方的人稍一移动，红外传感器便迅即有脉冲信号输出。

基于上述的检测原理，在进行光学系统设计时，不仅应把监测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐地觉察出这些红外能量的变化。因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学透镜面进行棱状或柱状处理。两种设计的用意都是在于使被监测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”。当有人从镜前走动时，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进入“盲区”，传至红外传感器的红外线就会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，经转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接收灵敏度，大大提高其探测距离。

图2 菲涅尔透镜的展开图和安装位置图

图3 菲涅尔透镜检测示意图

3.菲涅尔镜的设计和技术指标

菲涅尔透镜是一种塑料注成的薄镜片，片上有精细的镜面和排列有序的纹理，它是根据对灵敏度和接收角度的要求来设计和制作的，技术精度要求非常高。一片好的透镜必须表面光洁，纹理清晰，厚度在0.65mm左右，对红外光的透过率要高于65%。

下面以Q—6型菲涅尔镜为例，说明其主要技术指标。

(1)外形尺寸：68rnm×38mm；

(2)水平角度：120°；

(3)传感器与镜面间的距离：置于聚焦中心处，标准距离为29mm，以便使红外线能量聚焦在探测元上，得到最大的灵敏度。

实际上，菲涅尔透镜有各种不同的规格，具有不同的几何尺寸和特点，要求聚乙烯薄片和安装外壳应相配，透镜面与传感器之间应保持规定的距离，不同的透镜其距离是不同的。除上面的Q—6型外，常见的还有QIA型和Q—8半圆型，一般的菲涅尔透镜的探测距离在10m左右，采用双重反射形式的透镜可达20m以上。[12]

3.3 HN911

1.结构：

HN911主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理等几部分组成。其结构框图如图4所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。

图4 HN911结构框图

图5 HN911内部结构

2.工作过程:

平时（HN911未检测到红外信号时），HN911的2脚输出高电平。当有人在有效探测区域内活动时，HN911接收到人体发出的红外线并将其变换为0.1~10Hz的超低频脉冲（频率与人体的移动速度有关），该超低频脉冲信号经HN911内电路处理后，从HN911的2脚输出触发负脉冲信号。

3.工作参数：

工作电压典型值5V，高电平输出5V，低电平输出电压0~0.2mV。

第四章核心元器件简介

4.1 三端稳压集成电路lm7805

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的Im78 ××系列和负电压输出的Im79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

图6 lm7805

7805引脚正确的顺序：1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。

用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

4.2 CX20106简介

图7 CX20106内部结构

CX20106是广泛用于彩色电视机红外线遥控接收的前置放大器。由于功能强，性能

优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的应用。CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。其中的电平自动控制电路ABLC可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离（约10m）内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率f0由其５脚外接电阻调节，范围可从30KHz－60KHz。CX20106的工作过程大致如下：其中的前置放大器将外接红外光敏二极管或三极管产生的脉冲电压进行放大，电压增益约77－79dB。然后将信号送限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由７脚输出指令信号。实际上，CX20106的功能用一句话概括，就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时，其输出端７脚就输出低电平。

CX20106的主要参数如下：①电源电压典型值为5V，最大17V。②电源电流1.1－2.5mA(典型值为1.8mA)。③输出低电平0.2Ｖ。④电压增益77－79dB。⑤输入阻抗27K Ω。⑥滤波器中心频率30KHz—60KHz。⑦允许功耗0.8w.

4.3 555时基电路

555电路的内部电路方框图如图8所示。

图8 555内部方框图

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入和低电平比较器A2的反相器、、输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC进，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD是复位端（4脚），当RD=0，555输出低电平。平时RD端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。

555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

4.4 KD9561四声模拟声电路

KD9561是一片CMOS四音音乐IC，用示波器观察其输出端波形为变频方波信号，可以认为是逻辑电路中的数字信号。可用于警车、救护车、救火车等警报发生器。与其它线性音频功放相比较，具有结构简单、效率高、性价比优异这几项突出的优点，虽音质不尽完善，但用于警报发生器却无高保真之需，此放大器输出之功率用于一般警音已可满足要求。

图9 KD9561接脚图10 KD9561发声选择

第五章系统硬件电路模块设计

5.1 系统总电路图

5.2 电源电路

整流桥对1,2端输入的12V交流电进行整流，从而有利于后面的稳压管稳压。直接采用芯片稳压，LM7805将电压稳定在5V直流电压上，由1端输入，3端输出。

5.3 主动式红外监控电路

图 13 主动式红外监控电路图

555多谐振荡器起频率调制作用以发射和CX20106中心频率一致的红外线：

电容C 充电时间317.0t C R pH ≈；

放电时间327.0C R t pL ≈；

振荡频率为：

芯片CX20106的功能简述：当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时，其输出端７脚就输出低电平。否则输出高电平。

芯片CX20106的管脚注释：

l 脚：红外信号输入端，接红外接收管VDL 。

2脚：该脚与GND 之间连接RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R 或减小C ，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为R 4=4.7Ω，C5=1μF 。

3脚：该脚与GND 之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，参数为3.3μF 。

4脚：接地端。

5脚：该脚与电源端VCC 接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f 0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R =200kΩ时，f n ≈42kHz ，若取R =220kΩ，则中心频率f 0≈38kHz 。现取R5=220kΩ,中心频率为38kHz .

kHz C R R t t f pL pH 38)(43.113

21≈+≈+=

6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。

8脚：电源正极，4.5V～5V。

5.4 三极管反相电路

用三极管9013将基极和集电极的电位反相，即在截止状态和饱和导通状态下的两种情况。且三极管也起增益放大的作用。R6,R7，R8均为偏置电阻，分别取值为10k,5.1k,10k。

5.5 被动式红外监测模块

图15 被动式红外监测模块电路图

平时（HN911未检测到红外信号时），HN911的2脚输出高电平。当有接收到人体发出的红外线时，将其变换为0.1~10Hz的超低频脉冲（频率与人体的移动速度有关），该超低频脉冲信号经HN911内电路处理后，从HN911的2脚输出触发负脉冲信号。

或门为参考选择过程。当1,2脚有高电平输入，3脚输出高电平。当1,2脚输入均为低电平时，3脚输出触发低电平。

5.6 延时控制电路

R9,C8分别为延时电阻和延时电容，延时长度T=R9*C8*1.1，R9=1M，C8=100UF，T=110s即延时大约两分钟。为防止该NE555被反相电动势击穿，则并联保护二极管D7。当2脚接收到触发低电平信号时，3脚输出高电平。继电器工作，吸合开关。延时结束，3脚回复低电平，继电器不工作，开关断开。

5.7 报警发声电路

图17 报警发声电路图

KD9561四声模拟声集成电路，SEL1,SEL1不接，则发出报警声，R10=240k以符合芯片要求。LS1选用YD100 -1型8Ω,0.5W电动扬声器，由该KD9761和三极管8050驱动。继电器吸合，电路接通，则发出报警声报警。