红外线报警器论文第六篇：热释电红外线防盗报警器的研制
摘要：随着社会的不断发展, 人民生活水平的不断提高, 人们的安全意识越来越强, 基于此种情况各种不同的报警器也越来越多。其中以热释电人体红外线防盗报警器最为突出, 它以其相当高的灵敏度和可靠性, 深受广大用户的喜欢。本文就是以热释电人体红外线检测为核心, 结合各种报警电路装置及其外围辅助电路, 构成了一个集防盗、防火等多种检测功能为一体的多功能防盗报警系统。
关键词：热释电; 红外线; 报警器; 传感器;
1.系统结构
本系统由热释电红外传感器电路, 触摸式传感器电路, 逻辑控制电路及报警电路四部分组成。热释电人体红外传感器电路采用热释电人体红外传感器检测人体红外信号再由专用模块放大, 鉴频, 延迟等产生报警信号。触摸式传感器电路常用导电布、导电膜或金属线将保险柜、文物柜或其他贵重物品、展品保护起来。该报警装置一经触发便能自动报警。在家庭中我们可以在阳台边、防护栏、空调室外机等处布防, 一旦有人企图攀爬即可发出警报。
2.电路说明
(1) 热释电人体红外线传感电路
热释电红外传感器是一种非接触方式检测人或物体等被测对象的热释红外线。在电子防盗、人体探测器领域中, 热释电红外探测器由于检测温度范围大 (-80~1500℃) , 在整个光波范围内频率响应均匀, 灵敏度高, 技术性能稳定安全可靠而受到广大用户和专业人士的欢迎。采用热释电人体红外传感器制造的被动红外探测器, 用于控制自动门, 自动台灯及高级光电玩具等。
人体都有恒定的体温, 一般在37度, 所以会发出特定波长10UM左右的红外线, 被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件, 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡, 向外释放电荷, 后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
热释电效应同压电效应类似, 是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成, 在元件两个表面做成电极, 在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时, 热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ, 即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高, 在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失, 即当环境温度稳定不变时, ΔT=0, 则传感器无输出。当人体进入检测区, 因人体温度与环境温度有差别, 产生ΔT, 则有ΔT输出;若人体进入检测区后不动, 则温度没有变化, 传感器也没有输出了。
(2) 热释电传感器内部结构
热释电传感器的内部结构由敏感元件、场效应管, 高阻值电阻, 滤光窗, 菲涅尔透镜等构成。热释电体是一种具有强烈自发极化效应的电介质材料如锆钛酸铅 (PZT) 陶瓷、钽酸锂 (Li Ta O3) 单晶体等, 这类介质的表面平时靠捕获大气中的浮游电荷保持平衡, 当受到热辐射而产生温度变时, 介质内部极化状态随之发生变化, 由于内外层电荷变化速度发生“失步”现象, 使得介质表面出现热释电效应。
热释电元件的等效电阻高达1010Ω, 为了获得最佳噪声系数, 必须进行阻抗匹配, 前置极一般采用高输入阻抗, 低噪声JFET与其匹配。制作时, 热释电体、输入电阻器、第一级JFET通常封装于一个管壳内, 成为一个不可分割的整体。
图1 热释电红外传感器等效电路
第一级JFET输出信号的信噪比由热释电红外传感器决定。同时, 为了使热释电红外传感器只对红外光谱中某一段红外辐射敏感, 必须在热释电体前设置滤光片。当热释电红外传感器作为入侵防盗报警使用时, 主要是使热释电红外传感器波长在0.2~20μm范围内几乎是稳定不变的, 在传感器的设计中, 热释电体表贴上波长为7~10μm的滤光片, 这样可以避免太阳光的辐射和其他的红外辐射的干扰, 从而减少虚报。
由于热释电红外传感器主要对人体目标移动做出响应, 根据人行走的频率计算结果, 电流的频率响应最好在0.1~10Hz之间。这样既可以截止过低频率的信号, 也可以截止较高频率的信号。因为小于0.1Hz信号易受外界环境温度变化和元件参数改变的影响, 大于10Hz的信号从图2可以看出, 噪声电压随着频率的增大而迅速增大, 加之当信号频率接近50Hz电源频率时, 易受50Hz电磁干扰, 因此在电路设计中应根据输出噪声电压变化及信号频带要求。采用有源带通滤波器消除干扰, 提高整个系统的可靠性。
图2
热释电人体红外传感器的应用中, 目前采用带通放大器, 放大器的中心频率一般在1Hz左右。放大器带宽对灵敏度和可靠性的影响大。带宽窄, 噪声小, 误测率低;带宽宽, 噪声大, 误测率高, 但对快, 慢速移动的影响好。放大器信号的输出可以是电平输出, 继电器输出或可控硅输出等多种方式。
(3) BISS0001 (人体热释电红外感应集成电路)
BISS0001是由运算放大器、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。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。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置, 特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域, 或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
图3 BISS0001管脚图
图4 BISS0001内部结构图
图4为BISS0001的内部结构图, 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放大驱动继电器接通负载。
(4) 热释电人体红外报警器总体电路图
图5 热释电红外报警电路
它是采用热释电红外传感器及BISS0001组成的报警系统。在图5中, 采用热释电人体红外器进行接收人体红外信号, 接收到的信号在经过R1, C1进行隔交 (去除交流干扰) , 限幅, 整流输入到BISS0001的14管脚, 经14, 15管脚一级放大后由16口输出。输出信号由电阻R6和电容C3进行耦合, 其后由13管脚输入, 二级放大, 由12管脚输出。再经双向鉴幅, 状态控制器, 从2端口输出。经过处理后有2管脚输出再由VT 8050进行电流控制接通负载 (报警器) 。8, 11管脚接电源, 7管脚接地。10管脚为运算放大器偏置电流设置端, 外接较大的电阻。3, 4管脚为延迟端口, 由R10, C6来完成延时。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整, 值为Tx≈24576x R9C7;5, 6管脚为封锁端口, 由R9, C7组成, 触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整, 值为Ti≈24x R10C6。9端口为触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发;当Vc>VR时允许触发, R3为光敏电阻, 用来检测环境照度。当作为照明控制时, 若环境较明亮, R3的电阻值会降低, 使9脚的输入保持为低电平, 从而封锁触发信号Vs。1管脚为可重复触发和不可重复触发选择端。SW1是工作方式选择开关, 当SW1与1端连通时, 芯片处于可重复触发工作方式;当SW1与2端连通时, 芯片则处于不可重复触发工作方式。
以下是热释电人体红外防盗报警器的两种工作方式:
a.不可重复触发方式:
图6 不可重复触发工作方式下的波形
图6所示的不可重复触发工作方式下的波形, 来说明其工作过程。首先, 根据实际需要, 利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路, 将信号放大。然后利用C3, R6进行耦合信号输送给运算放大器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Vc<VR (≈0.2VDD) 时, COP3输出为低电平封住了与门U2, 禁止触发信号Vs向下级传递;而当Vc>VR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。
b.可重复触发工作方式
图7 可重复触发工作方式下的波形
图7所示的可重复触发工作方式下的波形, 来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间, 信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时, Vs可重复触发Vo为有效状态, 并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内, 只要Vs发生上跳变, 则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期;若Vs保持为“1”状态, 则Vo一直保持有效状态;若Vs保持为“0”状态, 则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态, 并且, 同样在封锁时间Ti时间内, 任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。两种工作方式各有好处, 我们选用的是可重复触发, 将1管脚接电源。只要有人在它将不停的触发报警, 增加了电路的可靠性。即热释电人体红外防盗报警器的设计。
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