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1、The infrared alarm design byusing LED display采用LED显示的红外报警器设计【摘 要】该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路，LED显示组成。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件。它是一种被动式红外报警探测器，只需要提供它工作电压，它就可以把在感应到人体的红外信号后将其转变为电信号输出以供信号处理部分使用。检测电路中的主要器件是BISS0001，这段电路的主要功能是把传感器感应后输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较。输出的信号传递给报警电路中的NE555，根据所得到的信号使LED工作，从而达到报警的目的。【关键词】LED、红外报警器、热
2、释电红外传感器The infrared alarm design by using LED display【Abstract】The alarm composed mainly by pyroelectric infrared sensor, detection circuit and the LED display. Pyroelectric infrared sensor is the core of the design of alarm devices. It is a passive infrared alarm detector, you just need to provide
3、it the operating voltage, it can make the infrared signals which sensitive to the human body into electrical signals output for the signal processing used for. The main device of detection circuit is BISS0001, the main function of this circuit is to make the weak electrical signals amplification, de
4、lay, filtering and comparison. The output signal is passed to NE555 of the alarm circuit, according to the signal received to make the LED work, so as to achieve the purpose of the alarm.【Key words】LED，infrared alarm, pyroelectric infrared sensor目 录中文摘要I英文摘要 II目录III第一章 引言 1第二章 设计思路 22.1 系统设计思路和原则 22
5、.2 主要结构 32.3 热释电效应 3第三章 红外技术 33.1 红外技术定义 33.2 红外技术的发展史 43.3 红外技术的影响 53.4 红外技术的发展趋势 6第四章 红外探测器 74.1 红外探测器 74.2 红外探测器原理 74.3 红外探测器分类 84.4 被动红外报警探测器 94.5 主动式红外探测器10第五章 主要器件介绍115.1 热释电红外传感器115.2 BISS0001125.3 555定时器 13第六章 工作原理及执行情况156.1 工作原理156.2 设计执行情况16第七章 结论17致谢 18参考文献 19第一章 引言随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，
6、人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。尤其是在现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，所以采用以电子技术、传感器技术为基础的安全防范技术的器材设备，并将其构成一个系统，将发挥最大的功能作用。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。1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，并将其转变为电信号，同时，它还能鉴别出运动的生物和其他
7、非生物。热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标发出的红外辐射来探测目标的。其相应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、108等传感器和带有PCB控制电路的传感器。在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外传
8、感器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。第二章 设计思路2.1 系统设计思路和原则防盗报警系统通常由:探测器（又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。 报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，是由电子和机械部件组成的装置 。1.报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。 2.报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器
9、。 3.报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。 除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。本设计的名称为“红外防盗报警器”。这是一种新型多功能防盗报警器，该设计的实物将有功能扩展性好，硬件配置先进等优点。此套报警系统对防范盗窃和追捕盗窃犯，有着重要的实用意义。该设计的完成主要由两个因素驱动，其一，满足消费需求的程度和领先性；其二，科学技术的发展。该设计主要有以下几个特点：1.由于防盗报警系统用途的特殊性，这就需要防盗报警系统不断改进其功能以应
10、对盗贼层出不穷的盗窃手段。在设计时，充分考虑这一问题，使得系统的功能有着很好的扩展性，可以针对不同的场合，进行系统的改进。2.在设计时，考虑到实际现场环境和用户的安全防范要求。3.具有防拆动、防破坏功能。当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路时，均能产生报警信号输出。4.具有一定的抗干扰能力，可以防止各种误报现象的发生，例如：防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。5.系统的灵敏度和可靠性很高。22.2 主要结构该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路、LED显示组成，其机构图如图1。32.3 热释电效应热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而
11、变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。4第三章 红外技术53.1 红外技术定义红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。红外技术的主要内容包含四个主要部分：1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性-折射、反射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料
12、和滤光电等。3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。由此可见，红外技术的研究所涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。与红外线相关的技术还有：探测技术;精确制导技术;光电子技术;先进材料技术。3.2 红外技术的发展史自从1800年英国天文学家FW赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了大约两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件
13、制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些已经达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1800年，FW赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏
14、型探测器。19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、反射和发射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的该类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期，对于13、35和813微米这三
15、个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。1.红外探测器最早是用单元探测器，但是为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n（开平方）倍，n为元数。如果多元线列探测器平行扫过(平扫)目标时，则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外探测系统，一般都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可
16、得到目标辐射的分布图像。现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。目前，长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达640480元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达256256元，预计到2000年可达到百万元。2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。早期的红外探测器通常工作在近红外。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外。3.轻小型化。非致冷、集成式、大面阵是红外探测器方向的发展。采用低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具有良好的性能，但这样也使红外探测器体积大、成本高。为了实现小型化，必须
17、减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，也可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使其向轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能。 4.红外探测系统从单波段向多波段发展。如前所述：在大气环境中，目标的红外辐射只能在13、35和813微米三个大气窗口内才能有效地传输。如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统自然就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种
18、的需要。在红外技术的发展中，需要特别指出的是：60年代激光的出现，这极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。3.3 红外技术的影响物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度(0K或-273)的物体都会向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红
19、外线的强度也越大。我们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。红外技术已成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的最重要的手段之一。一切军事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外技术装备，就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设
20、备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导弹的发射和方向，据说将来美国的天基红外系统可在20秒内，提供有关导弹发射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。3.4 红外技术的发展趋势红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，因此可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。(1)红
21、外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106108元以上的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。(2)双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。(3)探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。(4)提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。(5)提高成品率，降低价格。第四章 红外探测器54.1 红外探测器红外探测器是将入射的红外
22、辐射信号转变成电信号输出的器件。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要产生的效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。从当前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一
23、般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不容易被干扰；由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位将更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。4.2 红外探测器原理红外探测器
24、是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能,热能等其他形式的能量. 根据能量转换方式,红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。 热探测器的工作原理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化,而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体表现为探测器响应元自由载流子(即电子和/或空穴)数目的变化.由于这种变化是由入射光子数的变化引起的,光子探测器的响应正比于吸收的光子数.而热探测器的响应正比与所吸收的能量.热探测器的换能过程包括:热阻效应,热伏效应,热气动效应与热释电效应.光子探测器的换能过程包括:光生伏特效应,光电导效应,光电磁效应
25、与光发射效应. 探测器已经有了20多年的发展历史，但是基于探测器本身的原理，目前还是存在很多不尽人意的地方。例如，被动红外探测器受外界环境的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象；而当温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况；另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物的活动，容易发生误报现象。4.3 红外探测器分类红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些
26、物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：(1) 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。(2) 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。(3) 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。(4)测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，
27、这将是21世纪最引人注目的一类探测器；(5) 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。(1)光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。(2)光伏探测器：主要利用p-n
28、结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。(3)光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。(4)量子阱探测器（QWIP）：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴
29、被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。4.4 被动红外报警探测器在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，是因为探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，
30、而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是红外探测器件，通过光学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内被动式红外探测器（Passive Infared Detector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大体上可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，
31、一般在5以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感应区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型PIR的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于90，垂直视场角最
32、大也可以达到90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会报警。由于红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。否则不断变化的热气流将引起误报警。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外入侵探测器。4.5 主动式红外探测器主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分
33、遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端的安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。主动式红外探测器有单光束、双光束、
34、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式安装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。当使用较多的探测器进行防范布局时应该注意消除射束的交叉误射。第五章 主要器件介绍5.1 热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，汝锆钛酸铅系陶瓷、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
35、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耳透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分个分成若干等份，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1020米范围内人的行动。6菲涅耳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“高敏区”，这样就使接收到的红外信号以
36、忽强忽弱的的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设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710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他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于探测人体辐射的红外传感器。使用热释电红外传感器制成的报警器与当前市场上销售的许多防盗报警器相比，具有不需要用红外线或电池波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装等优点。热释电红外传感器的结构如图2所示（其中D接正电源，S为输入，G接地）。其内部由敏感元件、场效应管、高阻电
37、阻、滤光片等组成，并向壳内冲入氮气封装起来。图3为引脚功能。5.2 BISS0001BISS0001是CMOS数据混合结构的专用集成电路，是目前应用最广泛的热释电红外传感器信号处理集成电路之一，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可以与多种传感器匹配，进行红外信号预处理。芯片内含有电压比较器、状态控制器、延迟电路定时器、封锁时间定时器遗迹参考电压源等单元电路，与热释电红外传感器及少量外围元件配合就可以构成多种控制电路，常用于防盗报警器、自动门等各种自动开关。BISS0001集成电路目前有DIP.16和SOIC.16两种封装形式。图4图5分别为BISS0001的引脚图和原理框图。各管引脚说明如下：引
38、脚A为可重复触发和不可重复触发选择端，当A为“1”时，允许重复触发，反之，不可重复触发。引脚VO为控制信号输入端，由VS的上调变沿触发，使VO输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发，在输出延迟时间TX之外和无VS的上跳变时，VO保持低电平状态，引脚RR1、RC1为输出延迟时间TX的调节端。引脚RC2、RR2为触发封锁时间T1的调节端，VSS为电源负端，一般接0V，VREF为参考电压及复位输入端，一般接VDD，接“0”时可使定时器复位。VC为触发禁止端，当VCVR时，禁止触发，反之，允许触发。IB为运算放大器偏置电流设置段，经由1M左右的RB接VSS端，OUT1、OUT2为第一、二级运算放大器输
39、出端，1N+、2N+为第一、二级运算放大器反相输入端，1N+为第一级运算放大器同相输入端。15.3 555定时器（NE555）555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉
40、冲产生与变换电路。555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得 0和1 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。7555定时器各引脚功能如
41、下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。3脚：OUT（或Vo）输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做
42、定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。 第六章 工作原理及执行情况6.1 工作原理在该探测技术中，所谓“被动”是指探测
43、器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。图7图8所示的该报警器的工作原理图。当人体辐射的红外线通过菲涅耳透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅耳透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的评论由被测物体的移动速度决定，通常为0.110Hz左右），所以本设计采用BISS0001的集成芯片来对信号进行滤波、
44、放大，并根据所获得信号输出高低电平。8传感器未探测到人体辐射的红外线信号时，BISS0001的2管脚输出低电平，报警电路中的红灯不会亮。当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后，BISS0001的2管脚输出高电平，这个时候红灯会开始闪烁，蜂鸣器开始响，从而达到报警目的。6.2 设计执行情况本课题的设计执行情况为： 通过Protel 99 SE软件进行电路设计； 在设计好的电路的基础上，进行布线的设计，并进行手动焊接； 对焊接完的实物进行测试，在测试当中出现如下问题：BISS0001的管脚与底座接触不良，使其PIN2脚无法输出高电平；经过测试后发现BISS0001的PIN9的电平过低，小于P
45、IN8的参考电压，因而无法触发电路的运放，造成PIN2脚无法输出高电平。该问题的原因在于光敏电阻的亮电阻过小，因此在与可变电阻的分压电路当中使PIN9的电压过低。最后将PIN9脚直接接上高电平。经测试电路对于人体的感应情况良好。在感应到人体的红外线后报警电路的红色LED灯将持续闪烁，以进行提示。下图为本课题的实物效果图。第七章. 总结用热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低等优点，而且工作稳定。整体器件体积小，隐蔽性高。热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足以下几个条件：9（1） 报警器应离地面2.02.2米。（2） 报警器应原理空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。（3） 报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4） 报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报。（5） 报警器不要安装在有强气流活动的地方（6） 报警器安装位置不要致使探测范围造成盲区，给盗贼可乘之机。（7） 报警器安装位置要靠近被保护物体，如保险柜等贵重物。
