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1、 大庆师范学院自动检测技术课程设计报告设计课题： 热释电报警器的制作 学生姓名： 张宪强 学号: 200801071385 学院： 物理与电子信息工程学院 专业： 08级电子信息工程 班级： 一班 日期： 2010年 10月 20日2010年 11月 20日指导教师： 齐凤河 目录前 言I1设计方案I2方案论证与选择I1 被动式红外报警器的基本原理12 主要器件的原理特性22.1 LM32422.1.1 LM324的基本原理32.1.2 LM324的特点42.1.3 LM324的工作电压42.1.4 LM324在放大电路中的应用52.2 74HC7462.3 热释电红外传感器82.4 菲涅尔透
2、镜93 被动式红外报警器的系统方案104被动式红外报警器的系统设计114.1 信号接收与处理电路设计124.2 报警信号保持与消除电路134.3 热释电连接144.4 完整电路图155 被动式红外报警器的硬件设计155.1 PCB图155.2 电路的调试166 结论17参考文献18致 谢19附录201前言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
3、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。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接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了美国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。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：不需要用红外线或电磁波等发射源。
4、灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。1 设计方案方案一2 方案论证与选择1 被动式红外报警器的基本原理热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。热释电内部的热电元由高热电系数的材料做成，其极化随温度的变化而变化。当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度下降，表面电荷减少，相当于释放一部分电荷，故名热释电。为了抑制因自身的温度而产生的干扰，它在工艺上将两个特征一致的热电元件反向串联或者接成差动平衡电路的方式，因而能以非接触的形式检测出物体放出的红外线能量的变化，并将其转换为电信号输出。热释电能以非接触的形式检测出人体辐射出来的红外线能量的变化，并
5、将其转换为电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如做电源开关控制、防盗防火报警等。热释电可以组成被动式红外报警系统。该系统主要由光学系统，热释电红外传感器，信号处理部分组成。光学系统主要是一个菲涅尔透镜组成。对于辐射到热释电红外传感器的红外辐射，可以通过安装在传感器前面的这个菲涅尔透镜将其聚焦后加在传感器的探测元上，同时产生交替变化的红外辐射的高灵敏区和盲区，以适应热释电探员要求信号不断变化的特性，从而使传感器输出电压信号。而热释电红外传感器是被动式红外报警的核心器件，它可以将人体的红外信号转化为电信号，以供信号处理部分使用。信号处理部分是对热释电传过来的信号进行滤波，放
6、大和比较，为报警功能的实现打下基础。2 主要器件的原理特性2.1 LM3242.1.1 LM324的基本原理LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，采用14脚双列直插塑料封装。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路，电路功耗很小。lm324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源1.5V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为0Vcc。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，四组运放相互单独。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大
7、器可用图2.2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2.1。图2.1 LM324的引脚排列它的每一组运算放大器可以用图2.2来表示。图2.2 运算放大器2.1.2 LM324的特点LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。LM324的特点：（1）短跑保
8、护输出（2）真差动输入级（3）可单电源工作：3V-32V（4）低偏置电流：最大100nA（5）每封装含四个运算放大器。（6）具有内部补偿的功能。（7）共模范围扩展到负电源（8）行业标准的引脚排列（9）输入端具有静电保护功能2.1.3 LM324的工作电压表2.1 LM324的工作电压引脚功能电压（V）引脚功能电压（V）1输出1308输出3302反向输出1279反向输出3243正向输出12810正向输出3284电源5111电源05正向输出22812正向输出4286反向输出21013反向输出4227输出23014输出4302.1.4 LM324在放大电路中的应用1.反相交流放大器,如图2.3。此放
9、大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。 图2.3 反向交流放大器电路放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。2.同相交流放大器,如图2.4。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。 图2.4 同相交流放大器电路电路的电压放大倍数Av
10、也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，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。2.2 74HC7474HC74是一款高速CMOS器件，74HC74引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC74遵循JEDEC标准no.7A。74HC74是双路D 型上升沿触发器 ，带独立的数据（D）输入、时钟 （CP）输入、设置（SD）和复位（RD）输入、以及互补的Q和Q输出。设置和复位为异步低电平有效，且不依赖于时钟输入。74HC74数据输入口的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q口。为了获得预想中的结果，D输入必须在时钟脉冲上升沿来临之前，保持稳定一段就绪时间。在引脚的74HC74
11、是相同的LS74。该设备投入与标准CMOS输出兼容;与上拉电阻，他们输出与输入通道兼容。这种装置由两个D触发器与个别设置，复位触发器，和时钟输入。在一个D输入的信息转移到相应的Q输出的下一个积极准备在时钟的边缘投入。 Q和Q输出都可以从每一个触发器。设置和复位输入是异步的。74HC74时钟输入的施密特触发功能使得电路对于缓慢的脉冲上升和下降具备更高的容差性。74HC74的引脚排列见图2.5。 图2.5 74HC74的引脚排列特点： 输出驱动能力: 10 LSTTL 负荷 输出直接接口 CMOS、 NMOS 和 TTL 工作电压范围： 2.0 到 6.0 V输入最低电流：1.0 A CMOS 器
12、件高抗噪特性 在依从性 JEDEC 标准第 7a 条要求 静电放电性能： HBM 2000 V ； 机型号 200 V 芯片复杂性： 128 FETs 或等效 32 门无铅封装上市2.3 热释电红外传感器热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电
13、信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。该电阻阻抗高达104，故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器，来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图2.6是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时端接电源正极，端接电源负极，端为信号输出。该传感器将
14、两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。图2.6 双探测元热释电红外传感器制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。2.4 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透
