2024届优秀毕业论文(电子工程专业).docx

多路热释电式红外线感应声光报警器的设计学生姓名：轩俭东学号：202405050005物理与电子工程系电子信息工程专业指导老师：于新生职称：副教授摘要：本文结合社会的实际须要，通过对热释电式传感器的深化探讨和探究，主要完成了对报警器的需求、现有报警器现状的分析、热释电传感器的性能和相关电子元器件电气特性的学习与探讨，完成了多路热释电式红外线感应声光报警器的设计。关键词：热释电式传感器；被动式红外报警器；防盗报警器；菲涅尔透镜。引言热释电式人体红外线传感器是上世纪80年头末期出现的一种新型传感器件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线或入射红外线的能量改变，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种限制电路，如用于电源开关限制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体损害极为严峻的高压电及X射线、射线自动报警等。现在，己得到越来越广泛的应用。1背景介绍及选题意义1.1 选题的背景随着社会的发展和法律的完善，社会治安状况在不断的好转，但仍有不法分子以各种形式做些盗窃等违法行为，随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的平安性提出了更高的要求，尤其是在家居平安方面，不得时常刻留意那些不速之客。在庭院、仓库等处加装报警器不但能起到警示作用且能在肯定程度上削减财产损失。传统报警器不能将人和动物的闯入区分开，简洁引起误报警，我们利用热释电式传感器等对其改造，使它能对人的闯入能刚好有效的发出报警信号。由于红外线是不行见光，具很强的隐藏性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。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、性能稳定等特点而受到广阔用户和专业人士的欢迎。1.2 课题探讨的目的及意义随着科学技术的迅猛发展，各类报警器层出不穷，目前国内运用的各类防盗、保安报警器大多是以超声波、主动式红外放射/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纳了热释电红外传感器。这种热释电红外传感器是被动式红外传感器，能以非接触形式检测出移动人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动人体与其它生物和非生物。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的很多防盗报警器材相比具有如下特点：(1)不须要用红外线或电磁波等放射源。热释电式红外线传感器是一种被动式红外线传感器，能自发地探测四周环境中生物和非生物发出的红外线，当满意肯定条件时就会发出警报。(2)灵敏度高、限制范围大。热释电传感器与菲涅尔透镜透镜协作运用能很大的提高其灵敏度和探测范围，有效距离一般可达IOnI以上。(3)隐藏性好，可流淌安装。热释电传感器体积较小，可安装于墙(屋)角、走廊、房檐等隐藏处，加之是被动式传感器，自身不会发出红外线，一般不易被发觉。1.3 热释电式感应报警器的需求分析我国电子科技的发展水平不太高，虽然报警器种类繁多，但大部分高性能报警器因其价格等缘由并不适合一般单位与家庭安装运用，采纳热释电式感应传感器制作的报警器后级电路和协助报警设施依据须要和运用对象可采纳不同档次的电子元器件，从而把报警器划分为不同的层次，但这并不影响其性能的优越性与牢靠性，热释电式感应传感器制作的报警器很大程度的扩大了高性能报警器的运用范围，也满意了各层次运用者的需求。2技术支持21热释电式(红外线感应)传感器介绍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铝酸锂、硫酸三甘铁等制成的探测元件，其极化随温度的改变而改变。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上升而产生的干扰。另外热释电红外传感器由传感探测元件、干涉滤光片（即菲涅耳透镜）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肯定厚度的薄片，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。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O.220mo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，因而能以非接触式检测出物体发出的红外线能量改变并将其转换为电信号。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，并不能干脆运用因而须要用电阻将其转换为电压形式。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，它和放大电路相协作，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的移动，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的菲涅尔透镜除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光等可见光中的红外线和其它红外辐射拒之门外。2.2 菲涅耳透镜简介菲涅尔透镜又称阶梯镜，即有“阶梯”形不连续表面组成的透镜。“阶梯”由一系列同心圆环状带区构成，又称环带透镜。菲涅尔透镜采纳塑料片制作而成，透镜在水平方向上等分成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，当光线通过这些透镜单元后，便在探测器前方产生一个交替改变的“盲区”和“高灵敏区”。任何两个相邻的透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们连续而不重叠和交叉，这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替改变的阴影区（盲区）和光明区（可见区），使传感器表面的温度不断发生改变，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增加其能量幅度从而增加输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会马上进入另一个透镜单元的视场，传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，导致传感器的温度改变而输出电信号。人体辐射的红外线中心波长为910m,而探测元件的波长灵敏度在0.220m范围内几乎稳定不变。菲涅尔透镜的窗口可通过光的波长范围为714m,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汲取，这样便形成了一种特地用作探测人体辐射的红外线传感器。随着科技的发展，有的菲涅耳透镜是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗同样能有效地滤除714Um波长以外的红外线并形成盲区和高灵敏区，让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻挡阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰和误触发。2.3 电路设计与电路图绘制软件介绍在电气原理图的设计和绘制过程中主要用到了电脑协助设计（CAD）软件PrOtel99SE,Protel99SE是澳大利亚ProklTeChnoIOgy公司开发的基于WindOwS环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，不但可以绘制电气原理图和PCB制版图，且能进行电气原理检查和仿真，人机界面友好，易学易用，是电子学专业必学课程，同时也是从业人员首选的电路板设计工具。3系统总体设计本着简洁、好用、易实现和便于依据运用对象的不同而选择不同成本的电路，并可依据须要加装不同的协助报警设施的原则进行设计。由系统结构图（图1）可知，每个感应模块电路均配有一个触发与延时电路，便于依据运用环境的不同而设定不同的报警延时时间。3.1 系统结构图感应电路其它各路 声报警输 入触发与延 时电路其它各路 光报警输 入声报警电 路光报警电 路若由触发电路干脆限制则不需同路声光电路的输入声报警和光报警只需输入其中一个协助报警电路图1系统结构框图3.2 各模块电路的功能介绍感应模块：功能为探测监视区域内是否有移动人体辐射出的红外线信号，当有移动人体辐射出的红外线信号时即输出肯定的信号至后级触发与延时电路，使触发与延时电路状态发生改变。触发与延时模块：功能为依据从感应电路得到电信号电平的不同而处于不同的工作状态，限制后级电路工作，一旦得到触发信号即可使后级报警电路工作，由延时部分限制后级电路的工作延时。声光报警模块：功能为一旦触发与延时模块电路使其处于工作状态则马上发出声光报警信号，并由光报警部分指示出触发信号来自于那一个感应模块，即哪一个监视区域有人闯入。协助报警模块：功能为将一般防盗报警器变成驱动其它负载的电路，协助声光报警电路向主子或监视人员发出报警信号，也可推动其它记录性或攻击性等协助报警装置工作。4系统各模块电路的设计与分析4.1感应模块电路设计与分析（1）利用集成电路HN911L的脚：HN911L为一体化热释电红外探测集成电路，灵敏度高、探测范围广，工作稳定牢靠，其内部电路有：高灵敏度红外传感器、高效低噪放大器、温度自动补偿电路、信号比较鉴别电路、延时电路、高、低电平驱动电路等。电路如图2所示，静态时，HN911L脚输出低电平，脚输出高电平（未运用），三极管无基极偏流处于截止状态，使Port1处为高电平状态。当有人闯入并在HN911L的监视区域内（水平角为100度、垂直角为80度、距离为IOm左右）移动时，人体辐射的微弱红外信号经其内部电路放大处理后，其脚输出高电平，VT导通，PortI处变为低电平，使后级触发与延时电路状态发生改变，推动后级电路工作。图2利用HN911L的1脚（2）利用集成电路HN911L的脚：静态时，HN911L的脚输出为高电平，二极管Dl截止，三极管VT无基极偏流处于截止状态，Portl输出为高电平，当有人闯入HN911L所监视的区域时，HN911L的内部电路状态发生改变，使脚输出为低电平，三极管VT导通，PortI处变为低电平，促使后级电路作出相应改变。电路如图3所示图3利用HN9UL的2脚（3）利用热释电式红外线传感器：该电路由热释电式红外线传感器Q74和信号放大电路组成。电路如图4所示。静态时，由于红外线探测传感器Q74（需加菲涅耳透镜）的内部采纳两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，不但抑制了由于自身温度上升而产生的干扰，且对四周发出的背景红外线辐射而引起的干扰也了很好的抑制作用，故在静态时Q74脚无电信号输出。当红外线探测传感器Q74探测到前方移动人体辐射出的红外线信号时，Q74的脚即输出微弱的电信号，经三极管VTl等组成的第一级放大电路放大，再通过集成运算放大器LM358的脚输入到集成运放LM358中进行高增益、低噪声放大，此时由集成运放的脚输出的信号电压已足够强，足以推动后级电路正常工作。4.2触发与延时模块电路设计与分析（1）触发与延时模块电路1：主要由集成电路555定时器组成，电路如图5所示。时基集成电路NE555构成一只单稳态触发器，它的脚为置位端，低电平有效；它的、脚为复位端，高电平有效（大于2/3电源电压即可）。其脚（即图中“输入”处）接上一级电路即感应电路的输出端，当上一级电路的输出为高电平常，电路处于复位状态，此时输出端脚（即图中“输出”处）的输出为低电平，后级电路不工作。当上一级电路的输出为低电平（即脚上的电压低于1/3电源电压时），由时基集成电路NE555构成的单稳态触发器即处于置位状态，其脚输出由原来的低电平状态翻转为高电平状态（最大负载电流达200mA）m,推动后级电路（即声光报警电路或报警器功能扩展电路）工作。当其脚上的电压由低电平变为高电平常，脚上的电压并不会立