热释电红外线传感器

目录

摘要..................................................... Ι

1 红外热释电 (2)

1.1什么是红外热释电 (2)

1.2工作原理及其特性 (2)

1.3 被动式热释电红外探头的优缺点 (3)

1.4 红外线热释电传感器的安装要求 (4)

2 总体设计 (4)

3 硬件设计 (4)

3.1 总电路的设计 (4)

3.2 BH9402热释电红外传感模块 (6)

3.3 NE555简介 (7)

3.4 光敏电阻 (9)

4 总结 (12)

参考文献 (14)

1 红外热释电

1.1什么是红外热释电

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

1.2工作原理及其特性

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥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。

（1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM 左右的红外辐射必须非常敏感。

（2)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泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

（3)被动红外探头，其传感器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。

（4)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。

（5)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。

1.3被动式热释电红外探头的优缺点

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

（1）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。

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GB10408中4.6.1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，不产生报警。

1.4 红外线热释电传感器的安装要求

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。

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。

2 总体设计

本设计采用BH9402热释电红外传感模块控制的热释电红外控制照明灯，该模块内集成了PIR传感头、红外线处理集成电路及菲涅耳透镜，所以电路结构简洁，制作与使用都比较方便。

工作原理：

采用BH9402的热释电红外控制照明灯电路原理图如图所示，它由一体化热释电红外传感模、光控制电路、时基集成电路及电源等部分电路组成。

3 硬件设计

3.1 总电路的设计

图 3.1

如图3.1所示光敏电阻器RG组成光控电路，在白天因受自然光照射，RG 呈低电阻，它与模块内部电路R7分压，使得SN9210的9脚电平低于0.2Vdd 时，电路被封锁，输出端CP不会有输出。当夜幕来临时，RG阻值逐渐增大，故使SN9210的9脚电平不断抬高，当高于0.2Vdd时，电路就处于工作状态。一旦有人进入模块的监视范围，信号输出端CP就输出一个高电平脉冲，VT瞬间导通，NE555时基电路的触发端即2脚获得低电平触发，与组成的单稳态触发器翻转进入暂稳态，时基电路3脚输出高电平，导致晶闸管VT2开通，电灯HL便点亮。

人体离开现场后，模块端无输出，VT1保持截至态。但NE555时基电路的3脚仍能保持高电平，电灯HL依然点亮。直至电容C1经R2充电，电位不断升高，当升至2/3Vdd时，时基电路复位，3脚恢复低电平，VT2失去触发电流，当交流电过零时即关断，灯HL熄灭。电路延迟熄灭时间由R2与C1数值决定，可由T=1.1R2*C1公式估算。如果人体持续在模块监视区域活动，电灯将保持长亮不熄。本机电源采用电容C5降压、全桥U整流、VS稳压和C4滤波获得稳定的5V直流电压供BH9402模块与NE555时基电路用电。

3.2 BH9402热释电红外传感模块

（1）概述

BH9420是北京华旭电子技术公司生产的热释电红外传感模块，该模块内部包含有一台完整的热释电红外传感探测器所需的所有电路及菲涅尔透镜，以方便用户使用。

（2）内部电路

图3.2 BH9402模块内部电路原理

（3）功能与参数

BH9420模块安装在一个灰色塑料盒里，盒内有一块印制电路板，板上装有P2288热释电红外传感器（PIR）与专用红外信号处理传感电路SN9210，在PIR正面安装有一只半球形乳白色菲涅尔透镜。模块对外仅4根引线：橙色线为电源正极线（V+）;蓝色线为使能端（SL），用来扩展功能，此端平时通过内部电阻R7接电源正极，通电后该端既有高电平输出，维持2-5s是后恢复低电平，此时整个电路处于守候状态，如果在该使能端与电源负端之间接一只光敏电阻器，模块便具有光控功能，即白天模块不会有输出，如果用于报警系统，可以对该端进行集中控制，即用开关通过1K电阻对该端强行接地，模块不会有输出，待工作人员撤离现场后，再打开开关使模块进入监控状态；绿色线为信号输出端（CP）,模块一旦被触发，便输出高电平，脉冲宽度由内部电路R9、

表一 BH9402模块的主要电参数

3.3 NE555简介

（1）概述

图3.3

NE555 (Timer IC)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30年來非常普遍被使用，

且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。

（2）功能及特点

a. NE555的特点有：

只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS 等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

b. NE555引脚位配置说明下：

图3.4

图 3.4

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。

Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC。

Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA。

Pin 4(重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5(控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6(重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

Pin 7(放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

参数功能特性：

?供应电压4.5-18V

?供应电流3-6 mA

?输出电流225mA (max)

?上升/下降时间100 ns

（3）NE555的相关应用:

NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。

3.4 光敏电阻

（1）简介

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

（2）结构

图 3.5

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如图3.5所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示（3）主要参数与特性

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。光敏电阻的主要参数是：

图3.6

a光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

b暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

c灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

d光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

e光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻

的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。

f伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

g温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

h额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。

(4)工作原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

4 总结

通过此次毕业设计（论文），使我的视野得到开阔、能力得到提升。既加深了对理论知识的理解，又熟悉了应用电路的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，更培养了自己独立设计的习惯，是走向工作岗位前的一次有益热身。

实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。

实践，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到“书到用时方恨少”。在以后的生活中我会不断地学习充实自己。

脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。

参考文献

[1] 赵晶编著。《电路设计与制版Protel 99高级应用》——人民邮电出版社，2000.11.

[2]陈有卿谢刚等编著。《新颖电子模块应用手册》——机械工业出版社，2003.5.

[3] 李维波. MATLB在电气工程中的应用[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[4] 胡宴如，耿苏燕. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2004