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昌吉學院物理系09屆工科專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 課題名稱： 熱釋電紅外傳感器的應用 院（系）： 物理系 專 業(yè) ： 電氣自動化 班 級 ： Z0902 組 長 ： 孫兵 組 員 ： 孫晶 唐媛媛 林軼男 教師(簽字)： 唐志航 完成日期 ： 2 0 1 1年1 2月 【摘要】 通過對一個熱釋電紅外探測電路進行理論分析與實驗測試，指出了其不妥之處，針對性的給出了更為合理的應用電路。經(jīng)過實驗驗證，改進后的電路工作可靠性提高，適用于日常生活的自動照明、自動消防龍頭方面。此實驗具有制作簡單，成功率高，趣味性強等特點，通過對本電路的印制板設計和安裝調試提高了我們對數(shù)字電路理論的理解，特別是提升了我們實踐動手能力。 【關鍵詞】 紅外傳感器；電壓比較器；延時電路；繼電器 目錄： 第一章 概述（熱釋電紅外傳感器原理特性） 第二章 實際電路的分析及修改 第三章 電路介紹 第四章 制作過程 第五章 通電測試 第六章 結束語 第七章 參考文獻 第一章 概述 隨著時代的不斷進步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客。現(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財產(chǎn)安全。由。 于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用。此外，在電子防盜、人體探測等領域中，被動式熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術性能穩(wěn)定等特點而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 目前國內使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術為基礎。而這里所設計的被動式紅外報警器則采用了美國的傳感元件——熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘枺瑫r，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測等領域。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點： ●不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。 ●靈敏度高、控制范圍大。 ●隱蔽性好，可流動安裝。 熱釋電紅外傳感器的原理特性 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用 因而需要用電阻將其轉換為電壓形式 該電阻阻抗高達１０４ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結型場效應管應接成共漏形式 即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。 熱釋電紅外傳感器多用于檢測人體發(fā)射的紅外線，其檢測區(qū)呈球形，視角為70度左右。由于敏感元件的輸出阻抗極高，而且輸出電壓極其微弱，故在傳感器內部裝有場效應管及偏置厚膜電阻（RG、RS），構成信號放大及阻抗變換電路，其內部電路如圖1。這種傳感器采用金屬外殼封裝，頂部開有窗口，窗口上裝有源光鏡，它可以防止不需要的紅外線進入的傳感器。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，一般檢測距離僅2m左右。配用菲涅爾透鏡后，可使有效檢測距離達12m左右。目前自動門、自動消防水龍頭、電梯、照明控制、防盜報警等領域應用最為廣泛。 較為完整的熱釋電紅外探測電路應包括：傳感器，高、低通放大器、電壓比較器、延時電路及執(zhí)行電路（或電器）等單元。從資料手冊中查看到如圖2所示的典型應用電路，按原圖連接線路后做實驗，發(fā)現(xiàn)不能正常工作，進分析發(fā)現(xiàn)該電路存在一些不妥之處。 第二章 實際電路分析及修改 1、1高低通放大器部分 IC1使用廉價的通用四運放LM324，用其中兩個運放組成高、低放大器。按圖2所示參數(shù)計算得到，第一級放大器增益為：Av1=R6/R4=220，第二級放大器增益為：Av2=R10/R9=270，總放大增益為：Av=220*270=59400=95.5dB.我們知道，在運算放大電路中，放大倍數(shù)一般不宜取得太大，否則容易引起輸出端波形失真且導致電路自激振蕩。故將R6改為200千歐，將R10改為1兆歐，此時的總增益為Av=20*100=2000=66dB,比較符合實際應用，能保證電路工作可靠。 1、2電壓比較器部分 LM324 另外兩個運放組成電壓比較檢測窗口，由R3、R5和R7、R8將高、低通放大器的（3）腳和（5）腳均設置為1/2Vcc，即3V。當紅外傳感器檢測到人體的活動，其產(chǎn)生的微弱電壓信號經(jīng)過放大，傳送到LM324的（10）腳和（13）腳時，用示波器可以檢測到峰值約為5V的正弦波，那么無論是信號的正半周還是負半周，兩個比較器中必有一個輸出為低電平，使IC2的（2）腳由高電平跳成低電平，以便控制延時電路工作。 而當紅外傳感器沒有檢測到人活動時，由靜態(tài)電路可知，該3V直流信號同時加到LM324的（10）腳、（13）腳，又知道R11、R12、R13將窗口電壓上、下限設置為3.4V和2.6V，即（9）腳偏置為3.4V，（12）腳偏置為2.6V。此時，電壓比較器輸出端（8）、（14）均為低電平，而IC2的（2）腳原來經(jīng)R14上拉電阻設置為高電平，則VD1、VD2都導通，將IC2D (2)腳鉗位成低電平，在圖2電路中，NE555為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，（2）腳一旦有下降沿脈沖觸發(fā)，則定時器就工作，3腳就輸出高電平。既然沒有檢測到人體活動，何以末端能輸出高電平，從而驅動后級的繼電器等電路單元一直工作？所以電路工作不正常。 修改電壓比較器部分后的電路如圖3所示。將兩個二極管倒個方向，在其后加一個開關三極管，以它的輸出來控制延時電路。靜態(tài)時，LM324的（8）、（14）均為低電平，開關管截止，IC2的(2)腳仍為高電平，延時電路不工作。當紅外傳感器檢測到人的活動，在輸入信號的正半周時，（13）腳的電平高于（12）腳所加的2.6V比較電壓，下比較器由（14）腳輸出低電平，VD2截止，此時由于（10）腳電平高于（9）腳，上比較器輸出高電平，VD1導通，其高電平使得開關管飽和導通，將IC2的(2)腳拉成低電平，致使延時電路工作。在信號負半周時，上、下比較器輸出電平剛好相反，即（8）腳輸出低電平，(14)腳輸出高電平，VD2導通。可見，只要傳感器檢測到人體活動，無論是信號的正半軸還是負半周，兩個比較器中必有一個輸出為高電平，通過開關三極管從而控制延時電路工作。 第三章 電路介紹 1.3 開關電路 如圖所示，在比較器后加上開關管，整個電路不但工作可靠，且輸出電流大，能驅動后級的執(zhí)行電器工作。 1.4 延時電路 延時電路IC2使用單時基電路NE555，延時時間t=1.1R16*C8約等于60s。其作用有二。一是為自己離開檢測區(qū)時提供一段非報警延遲時間，二是在自己進入檢測區(qū)后提供管斷檢測器所需時間。延時電路工作時，輸出的高電平或接通報警器電源進行報警；或使繼電器吸合。繼電器工作后可控制較大的繼電器以接通電磁閥、小電動機等工控系統(tǒng)的執(zhí)行電路。 1.5 執(zhí)行電路 IC2的（2）腳在無觸發(fā)信號輸入的靜態(tài)時保持高電平，當有檢測信號時，其出現(xiàn)下降沿，使得NE555（3）腳輸出高電平控制信號，可驅動電磁繼電器、固態(tài)繼電器、光耦合器、雙向可控硅及模擬電子開關等工作。以自動照明電路為例，設計的執(zhí)行電路如圖4.OUT輸出高電平時，其后的三極管飽和導通，發(fā)射極變?yōu)楦唠娖?，繼電器動作，常開開關吸合，照明燈接通電源后就亮。當然，要用于自動門、自動電梯等，后面還要接電動機。 第四章 制作過程 對敷銅板進行腐蝕，鉆孔，元件焊接 仔細檢查，反復調試進行試驗 制作印刷電路板通過熱轉印機轉印到敷銅板上。 熱釋電紅外傳感器原理圖 熱釋電紅外傳感器PCB板 3D視圖 做版過程 對敷銅板進行腐蝕，鉆孔，元件焊接 仔細檢查，反復調試進行試驗 制作印刷電路板通過熱轉印機轉印到敷銅板上。 敷 銅 板 裁板過程 轉印過程 腐蝕過程 焊接過程 第五章 通電測試 第六章 結束語 目前，市場上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其結構、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用?？傊疅後岆娂t外傳感器的應用十分廣泛，如與各種型號的專用處理集成電路（如CS9803 GP）配套使用，則外圍電路更為簡單，安裝調試更為方便，工作更加穩(wěn)定可靠。因為CS9803是由振蕩器、計數(shù)器、PIR檢測、信號放大、系統(tǒng)時鐘、輸出控制等電路組成，代替了圖2中的IC1核IC2部分。不過這樣的話應用電路成本會稍微高一點。 在應用中應注意的問題： 1、首先要正確判別傳感器的幾個端子。管腳朝自己，順時針為D、S、E、；D端接正電源，E端接地，S端輸出正弦信號送往高、低通放大器。 2、高、低通放大器，一般要求總放大增益為65dB左右比較合適，否則紅外線傳感器探測距離及反映靈敏度就要打打折扣了。 3、在繼電器線圈兩端要并接一個續(xù)流二極管。正常工作時，線圈上的對于上正下負，二極管截至，對電路沒影響。而在繼電器吸合到斷開的瞬間，與繼電器并聯(lián)的二極管使繼電器線圈在斷電瞬間產(chǎn)生的反電勢有一泄放電路，可防止繼電器的驅動晶體管為該反電勢擊穿 第七章 參考文獻 【1】 童 詩 白 .模擬電子技術，第二版[M].北京：高等教育出版社，1999. 【2】 翟貴榮.雙敏感元件——熱釋電紅外傳感器及應用[J].Electronics DIY, 2001, (11):15-16. 【3】 孫俊人.新編電子電路大全，合訂本（IV-37）[M].北京：中國計量出版社，2001. 【4】 樊尚春.傳感器技術新發(fā)展[J].世界電子元器件，2002，（12）：26-27.