热释电报警器设计

热释电报警器设计（共3篇）

热释电报警器设计 篇1

摘要：介绍一种利用人体热释电生理现象产生的具有一定频率的微弱红外波信号来实现的自动多路控制系统。该系统成功地运用了CC4017芯片组成"循环驱动器", 从而达到自动多路控制的目的。经过实际制作证明其具有成本低、可靠性高和体积小巧的特点。

关键词：人体热释电,信号调理,循环驱动器

0、引言

在各种社会活动中, 以人为主体。这里介绍一款性价比很高、灵敏度也很高的人体热释电红外多路控制系统的设计。主要芯片采用市售廉价的LM324、CC4017和NE555。人体热释电红外传感器采用日本生产的一种传感器, 型号为P2288, 并在传感器上罩有菲涅尔透镜, 这是一种多面透射式光学镜, 安装上它可以增加控制距离。

1、电路工作原理

1.1 传感器与信号调理电路

P2288是一种具有特殊双热电陶瓷敏感元结构的器件, 在受到人体热释电一定波长红外线辐射时引起敏感元温度变化, 经热/电变换, 输出电信号。输出电压信号一般为数mV, 信号的频率约为0.1～10Hz。人体热释电红外传感器电路原理图及外形引脚底视图, 如图1所示。

信号调理电路的作用是将传感器输出的微弱电压信号放大到数字电平, 同时, 还要滤除因传感器自身的噪声干扰和外界的热辐射干扰引起的误动作信号。它由微弱信号放大、电压比较和延时电路三个环节组成。由一支塑封三极管9014和一片低功耗运算放大器LM324及其外围电路实现。电路如图2所示。

图2所示电路中, 三极管9014及其外围元器件组成对微弱信号的预放大, 放大后的信号从9014的集电极通过电容器C3输入到运算放大器A1中进行高增益、低噪声放大, 此时, 由A1的1脚输出的信号已足够强。运算放大器A2及其外围元器件作电压比较器, 它的5脚由电阻R7、二极管D1提供基准电压, 当A1的1脚输出信号电压到达A2的6脚时, 两个输入端的电压进行比较, 此时A2的7脚由原来的高电平变为低电平, 二极管D2导通。因此, 运算放大器A5的9脚变为低电平, 它与A3的10脚的基准电压进行比较, 当它低于其基准电压时, A3的8脚变为高电平, 三极管T2导通, 继电器J1吸合, 循环驱动器 (见图1-3) 进入工作状态[3]。与此同时, 电容器C6通过D2放电。如果人体的红外线信号消失, A2的7脚则恢复到高电平, D2截止。由于C6两端的电压不能突变, 故电源通过电阻R10向C6缓慢充电, 当C6两端的电压高于其基准电压时, A3的8脚才变回到低电平, 此段时间大约为1分钟, 也就是循环驱动器持续工作1分钟的时间。

由三极管T3、电阻R15和电容器C8组成开机延时电路, 时间也大约为1分钟, 它的设置主要是为防止工作人员开机后立即报警, 好让工作人员有足够的时间撤离现场。开机时电容器C8两端的电压不能突变, 故通过R15, 使三极管T3导通, A3的8脚处于低电平, T2截止, 继电器J1不动作。大约1分钟后, C8的充电使T3截止, 电路进入正常工作状态。

1.2 循环驱动器与负载

该电路由两片IC芯片组成。一片是555定时器, 一片是十进制计数/脉冲分配器CC4017。555定时器及其外围元件组成多谐振荡器, 为CC4017提供必需的时钟脉冲信号。CC4017从第三脚开始依次为高电平输出, 其余以低电平输出。输出的高电平可以触发小功率开关三极管、可控硅、单稳态电路等, 以驱动各种不同的负载。电路如图3所示。

在图3所示电路中, 以555为主组成的多谐振荡器的振荡频率为f=1/0.7 (R16+2R17) C10, 此振荡频率f即为CC4017的时钟脉冲信号, 由CC4017的14脚输入。振荡频率的高低决定CC4017依次输出高电平的时间间隔。电容器C12、电阻R18和二极管D6构成CC4017的开机复零 (复位) 电路, 目的是使每次开机均从头开始, 以防误报。图3所示电路图中, CC4017芯片方框以外的数字是表示输出高电平的顺序, 从0到9[1]。

本多路控制系统是控制的两路负载, 即红色照明灯和电铃 (详见整机参考电路图4) , 也可以根据循环驱动器的实际情况增加控制路数以及不同的控制对象, 如单相电动机等。

2、整体电路

整机总体参考电路如图4所示, 电路中, 当循环驱动器开始工作, 在设定时间内CC4017的2脚输出高电平, 触发单稳态电路, 使红色照明灯L点亮, 点亮时间由1.1R21C15的数值确定。如果被监视人离开了监测区, 循环驱动器失电, 于是后级电路不再动作。如果被监视人继续在监视区内活动, 经过设定时间的7脚变为高电平, 使单向可控硅SCR导通并自锁, 从而接通了电铃B并长鸣不熄, 即使被监视人离开了监视区, 铃声也不会停止, 必须等到工作人员按动机上的复位按钮AN, 铃声才会停止。

耦合电容C3、C5要采用漏电极小的鉭电容, 否则信号将受到影响。Rp是调整灵敏度的关键元件, 应选用线性好、高精度密封型电位器[2]。

3、结语

在实际制作中, 考虑到增加控制距离的需要, 应在人体热释电红外传感器的前端安装菲涅尔透镜, 它是由聚乙烯塑料压制而成, 内部镜面上制作有许多凸镜面和螺纹, 表面光洁, 纹理清晰, 市面有售。

近几年已开发出人体热释电红外传感器信号处理专用芯片, 如, SNS9201 (BIS0001) , 它完全取代预放大用的9014和放大、比较用的LM324, 具有外围更简单、耗电量更加微小、性能更趋完善等一些优点。

参考文献

[1].何希才等.新型实用电子电路400例[M].北京:电子工业出版社, 1998

[2].梁宗善.新型集成电路的应用[M].武汉:华中科技大学出版业, 1999

[3].赵保经.中国集成电路大全 (集成运算放大器) [M].北京:国防工业出版社, 1985

热释电报警器设计 篇2

关键词：热释电传感器,单片机,声光报警

引言

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, 尤其是在家庭住宅房门, 不得不时刻留意那些不法之人。现在很多小区都安装了智能报警系统, 大大提高了住宅的安全程度, 目前国内使用的防盗报警装置基本上是以超声波、主动式红外发射/接收等技术为基础。本文所设计的家庭防盗报警则采用了热释电红外传感器。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, 另外, 它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器不仅用于防盗报警装置, 而且也用于自动控制、遥测等领域。

本文设计了基于单片机控制的热释电红外传感器报警系统。该设计要求完成一个基于单片机控制的红外热释电报警的完整系统, 即当不法人员闯入时, 热释电红外传感器便会采集到红外信号, 并对信号进行放大滤波, 然后通过调理电路并将其转化为适合单片机处理的信号;驱动报警装置并利用无线发射语音电路向用户发射报警信号, 通过单片机的处理, 判断当某一路有信号输入时, 相应的LED数码管会显示房间号同时启动报警器, 以实现报警的效果。并通过GSM无线网络发送给用户, 用户可以及时报给公安部门以达到防盗的目的。

系统的处理方法及工作原理

本系统采用热释电红外传感器进行收集信号, 为了收集的信号准确无误, 设计了多路信号采用的模式。在采集信号时, 当探测器检测红外输出信号时, 才向处理模块发送信号, 进行信号处理, 这样提高了信号采集的准确度。将收集到的模拟信号进行整形放大, 再经过模/数转换模块转换成数字信号, 在以AT89S52单片机作为处理芯片, 以串口的方式作为通信的方式, 向GSM通信模块发送控制指令, 通过无线语音发射接收电路发送给用户。基本的系统框图如图1所示。

系统的硬件电路设计

本系统主要包括信号无线收发电路、报警电路、键盘显示电路、信号检测电路及处理电路以及单片机为核心的控制电路, 系统结构框图如图2所示。设定报警部分为本系统主体工作部分, 即实时监控房内安全情况, 热释电红外探测器探测人体的红外辐射信号, 经过调理电路, 将人体的移动信号转为电信号输入到单片机中, 电平转换模块则是对电平信号进行处理, 使其能够适合单片机读取信号, 并且经过无线发射电路将检测到有人体入侵的探头的地址发送给无线接收电路, 经CPU译码后, LED显示报警地址, 同时发出声光报警或者向主人拨打预先设定的电话进行报警。

信号采集及信号处理模块

采集人体信号用热释电红外传感器RDP-18。热释电红外传感器RDP-18, 它将波长为8-12μm之间的红外信号变化转变为电信号, 并对自然界中的白光信号具有抑制作用, 当无人体移动时, 热释电红外感应器感应到的只是背景温度, 当人体进人警戒区, 通过菲涅尔透镜, 热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号, 因此, 红外探测器的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。菲涅耳透镜将热释的红外信号折射 (反射) 在RDP-18上, 将检测区内分为若干个明区和暗区, 使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在RDP-18上产生变化热释红外信号, 这样RDP-18就能产生变化电信号, 如果在热电元件上接适当的电阻, 当元件受热时, 电阻上就有电流流过, 在两端得到电压信号, 将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图如图3所示。

稳定信号输出和报警模块

信号输出和报警模块主要由单稳态多频振荡器HEF4538和报警电路KD9651组成。单稳态电路HEF4538的功能是输出一个脉宽大约10s的高电平信号。再利用这一脉宽信号作为报警电路KD9651的输入控制信号, 来使电路产生10s的报警信号, 最后用三极管Q1和Q2再一次对电信号进行放大, 以便获得足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。具体电路如图4所示。

无线语音发射和接收电路

在模拟移动电话中, 一般把从解调输出到受话器之间的电路或送话器到调制输入端称为音频处理电路。在数字移动电话电路中, 从送话器输入到TXI/Q信号输出或RXI/Q输出到受话器声音输出之间的电路称为音频逻辑电路 (参见逻辑电路) 。接收则执行相反的过程。

通常, 送话器拾取的话音信号是一个频率范围为几十Hz到约20k Hz的信号, 事实证明, 人们通常只对频率为270~3400Hz的信号敏感, 且能达到一定的清晰度, 这个频率范围的话音信号完全能满足一般通信业务。所以, 经音频放大器放大后的信号要通过一个带通滤波器以形成话音调制信号的频带。

实际上, 发射音频处理就是将模拟的话音信号进行数字化处理的过程, 如图5所示。模拟的话音信号先经过A/D转换电路 (PCM编码器) , 将模拟的话音电信号转换为数字信号。数字化的语音信号在语音处理器 (通常称其为DSP) 中经加密、分间插入等处理, 得到数字语音信号。送话器转换得到的模拟话音电信号首先在音频处理模块COBBA中进行前置放大, 放大后的信号在PCM编码器中进行A/D转换, 得到数字语音信号。该信号经串行总线将信号送到DSP。在DSP中, 数字语音信号经话音检测、语音编码、卷积编码、分间插入、脉冲格式化与调制, 得到数字语音信号。该信号经无线通信呼叫处理器的DSP接口与COBBA接口, 将信号送到COBBA的数字接口电路中。在COBBA中, 信号经一个线性分离器及D/A转换, 得到67.707k Hz的发射基带信号。

接收信息通道完成的是与发射音频通道相反的过程, 它将数字信息信号进行处理, 得到数字语音信号。数字信号经过D/A转换 (PCM解码) , 得到模拟的电信号。语音接收电路如图6所示。

系统软件设计

整个系统控制以单片机AT89S52为核心, 由单片机监测传感器网中是否有不法人员进入。当有不法人员, 驱动报警电路, 系统软件设计主要由单片机程序来完成, 整个系统程序从功能来讲主要分为以下几个部分:主要无线发射接收电路、通信控制部分、报警电路和显示电路等。主程序流程图如图7所示。

主程序初始化后, 每隔一段时间检测一次红外线传感器的输出信号, 观察是否有人闯入, 如果是, 则认为有盗情出现, 单片机首先关中断使能, 不让外部信号对通信产生干扰, 驱动语音报警电路, 通过GSM网络给用户发语音信息, 告知盗情出现。

在系统软件设计中另外两个必不可缺少的程序是发射部分和接收部分, 其流程图分别如图8、图9所示, 由单片机AT89S52负责主要控制部分, 使其实现数据的无线传输, 当系统上电后, 首先要进行系统的初始化。发射部分要先设置成交换机端口接收数据, 以接收握手协议, 接收部分则配置成发送数据, 发射信号;当双方通信成功后, 接收部分要先进入接收模式, 发射部分的单片机送出采集数据, 每次采集完数据后, 延时一段时间, 此时单片机将读取内部RAM数据, 数据全部读入单片机后, 开启发射功能, 将数据无线发送。当发送成功后, 系统回到初始状态, 等待下一次的入侵信号。

结论

本系统通过热释电红外传感器采集信号, 经放大滤波、A/D转换输入单片机, 经单片机加工处理, 驱动报警装置并利用无线发射语音电路向用户发射报警信号从而达到防盗的目的。基于热释电红外传感器的家庭防盗报警监系统, 抗干扰能力强、灵敏度比较高、安装使用方便、传输距离远、实用性强, 具有广泛应用前景。

参考文献

[1]赵燕.传感器技术与应用[M].北京:北京大学出版社, 2010:78-79

[2]姚学军.红外测温原理与测温技术[J].中国仪器仪表, 1999 (1) :10-13

[3]戴景明.辐射测温的发展现状与展望[J].自动化技术与应用, 2004 (3) :1-5

[4]RIGHINF, ROSSOA.Ten Years of High Speed Primary at IMGC.Temp.It’s Measur.and Contr.in Sci.and Ind., 1982 (5) :421-426

热释电报警器设计 篇3

关键词：BISS0001,菲涅尔透镜,红外信号

0 引言

居民安全防范是居民生命财产得到保障的重要手段,对外界的数据精度和响应度测量是安全防范系统的重要指标。本文通过在360°范围内对有红外辐射的要素进行信号测量,再用BISS0001进行信号响应处理,给出一个完整设计的方案,并且实物已成功地在住宅区得到应用。

1 红外热释电效应

当带电体受到扰动就发射出电磁波,扰动越强烈,发射出电磁波的能量就越大,波长就越短。红外辐射是比可见光波段中最长的红光的波长还要长,介于红光与无线电波微波之间的电磁波,其波长范围在7×10-7到1毫米之间。热释电晶体和压电陶瓷等在外界红外辐射下会出现结构上的电荷中心相对位移,使它们的自发极化强度发生变化,从而在它们的两端产生异号的束缚电荷,这种现象称为热释电效应。

2 菲涅尔透镜原理

菲涅尔透镜是一种精密的光学系统,专门是用来与热释电红外传感器配套使用,其结构如图1所示。

它由经过特殊设计的透镜组构成,上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场,相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠,都相隔一个盲区。当热源(比如人)在透镜前运动时,顺次从某一单元透镜视场进入又退出,投射信号会出现一个接一个的断续信号,但是热源信号始终都是集中在透镜中部的。将连续的热源信号变成断续的辐射信号,使热释电传感器能正常工作。

3 红外热释电处理芯片BISS0001介绍

BISS0001由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路,具有较高性能的传感信号处理功能,它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关,能自动快速开启报警装置。

内部电路:

图2中,运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大,然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大,再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后,检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器,输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。

4 电路设计及实现

4.1 电路构成

传感器PIR采集信号后,输出经BISS0001放大、选频滤波后,通过音频KD-56014芯片驱动喇叭发出声音。

4.2 红外信号检测模块设计及实现

图3中,配以滤波镜片和阻抗匹配用场效应管组成的被动式多波束型红外线热释电传感器PIR,利用菲涅尔透镜对人脸部、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。警戒视场角水平可以大于90°,垂直视场角最大也可以达到90°,作用距离10～15m,所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦,灵敏度较高。所探测波长范围是8～14μm,而人体辐射的红外峰值波长约为10μm,正好在范围以内。

当PIR以非接触方式检测出来自人体的红外辐射并将其转换成电信号,经BISS0001中的运放N1(14脚)的前置放大、运算放大器N2的第二级放大,将直流电位抬高为内置电压Um后送到由比较器N4、N5组成的双向鉴幅器,检出有效触发信号Us。由于内置电压UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD,当UDD=5V时,可有效地抑制±1V的噪声干扰。N3作为条件比较器,当输入电压Uc小于内置电压UR(≈0.2UDD)时,N3输出为低电平封住了Us向下级递送。而当Uc>UR时,N3输出为高电平,打开与门N7,此时若有触发信号Us的上跳变前沿到来,则可启动延时定时器,同时Uo输出为高电平。比较器的域值选取很重要,域值太低易误报,太高则灵敏度低。但是,PIR输入受BISS0001脚9输入触发电平的控制,当VcVR时才允许触发,RP1调节BISS0001脚9可以任意设定VR的电压值,同时9脚外接光敏电阻RL,在白天,光敏元件阻值RL很小,9脚输入Vc低电平,PIR输入截止,封锁触发信号Vs;而在夜间,9脚则输入Vc高电平,PIR输入被使能。

4.3 红外信号处理模块设计及实现

运算放大器OP1组成传感信号预处理电路,将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2,再进行第二级放大,同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后,将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器,检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD,所以,当VDD=5V时,可有效抑制±1V的噪声干扰,提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时,COP3输出为高电平,进入延时周期。当A端接“0”电平时,在Tx时间内任何V2的变化都被忽略,直至Tx时间结束,即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时,Vo下跳回低电平,同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内,任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态(高电平),可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

4.4 手动控制模块设计及实现

S1是工作方式选择开关,当S1与1端连通时,芯片处于可重复触发工作方式;当S1与2端连通时,芯片则处于不可重复触发工作方式。

4.5 输出控制模块设计及实现

输出延迟时间Tx由外部的R7和C6的大小调整,值为Tx≈24576xR9C7;触发封锁时间Ti由外部的R8和C7的大小调整,R7/R8可以用470欧姆,C6/C7可以选0.1U,值为Ti≈24xR10C6。

4.6 音频控制模块设计及实现

音频KD-56014芯片连接BISS0001脚2(控制信号输出端),当VS的上跳变沿触发,使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发,只有在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时,Vo一直保持低电平状态。信号经VT2、VT3所组成的一个电压串联负反馈放大器放大后,驱动声频放大器发出声音,以提醒人们,达到防范。

5 结束语

用热释电红外传感器信号处理芯片BISS0001设计的安全防范系统具有结构简单、成本低、测量范围广、响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强、安全可靠等优点。系统研制成功后,经过三个月的在鹤壁地区某居民小区测试,达到了预期的设计要求,取得了较好的效果。

参考文献

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[2]邵明月.基于热释电传感器p7187的人体测温仪的设计[J].现代电子技术,2008(1).

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[4]王港元.电子技能基础[M].成都:成都科技大学出版社,1999.