红外线报警器

摘  要：本设计是为了满足安防的需要而设计的电子报警系统，设计了一种利用热释电感应头感应人体红外线，再将信号处理放大触发报警以监测环境变化, 系统设置外部操作开关可以控制报警器的开启与关闭，同时具有能够延时触发的多路监控报警并显示报警地点的功能，与此同时，有报警铃声提示和信号灯可以显示出各路报警的触发状态等功能。

关键词：热释电，红外线，信号处理，报警电路

Abstract：This design is to satisfy the electronic warning system which safe guard needs to design, designed one kind to use pyroelectric induction induction human body infrared, monitored again the signal processing enlargement triggering warning the environmental variation, the system establishes the exterior console switch to be possible to control alarm apparatus' opening and the closure, simultaneously had can the time delay triggering multi-channel monitoring warning and the visual display alarm place function, at the same time, had the warning ting prompt and the signal light may demonstrate each group warning functions and so on triggering condition.

Keywords：Pyroelectricity，infrared ray，signal process，warning circuit

目    录

样式：目录 一级标题）    1

2 总体方案设计2    2

2.1 方案比较（样式：目录 二级标题）2    2

2.1.1 方案一（样式：目录 二级标题）2    2

……

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1前言

随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，人们自身的安防意识也在逐渐增强。红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置的设置要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大的增加防护范围。

在有些影视片中，常能看到这样的镜头：窃贼作案时，戴上一副特制的眼镜，就发现原本毫无异样的走道或房间内有许多纵横交错的红色光束，然后就是千方百计地避开这些光束进行作案。这些红色的光束就是红外线报警装置发出的红外线，只通过肉眼是无法看见的，当有人或物体阻断其中任何一束红外光线，报警装置就立即发出报警信号。用红外线制作报警装置，具有隐蔽性好、可靠性高、寿命长、抗干扰能力强等优点。

当然系统的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。

1.1 设计背景

随着社会的不断进步和科学技术﹑经济的不断发展，人们生活水平得到了很大的提高，对私有财产的保护意识及自身的安全保护意识在不断的增强，因而对安防措施提出了新的要求。当家中无人或者仅有老人孩子在家时，必须考虑家庭成员的生命和财产的绝对安全。目前，许多住宅小区的安防主要依靠安装防盗窗、防盗门以及人工防范。这样不仅有碍美观，不符合防火的要求，而且不能有效地防止坏人的侵入。关于电子防盗报警设备，目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。而本设计中所使用的红外线是不可见光，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应用。热释电红外传感器制作简单、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。这种防盗器安装稳蔽，不易被盗贼发现，具有较高的应用价值。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，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。

1.2 设计目标

１.用热释电感应头感应人体红外线再将信号处理放大触发报警；

２.系统设置外部操作开关，可以控制报警器的开启与关闭；

３. 具有报警铃声提示同时有信号灯显示各路报警的触发状态等。

４. 具有多路监控报警功能；能够延时触发；具有显示报警地点的功能；

1.3 实施计划

（1） 根据原理图分析各单元电路的功能； 

（2） 熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能； 

（3） 进行电路的仿真、调试，PCB图绘制，直到电路能达到规定的设计要求； 

（4） 写出完整、详细的课程设计报告。

1.4 必备条件

1、集成电路：555  1片，LM324  4片，P228  4片，CD4532  1片，CD4511  1片

2、电    阻：2.2kΩ，3kΩ，33kΩ，47kΩ，56kΩ，270kΩ，910kΩ等若干

3、电    容：322p，300p，0.033μF，15μF，47μF等若干

4、其他器件：共阴极七段LED显示器 1只，单刀开关 4只，EN4148 4只，三极管9013  1只

5、软    件：Protel99 SE，Proteus

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总体方案设计

通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。

2.1 方案比较

2.1.1 方案一

方案一原理框图如图2-1所示。

图2-1  方案一的原理框图

该方案由热释电红外探测器、信号处理、控制电路、报警电路和显示装置五个模块组成，其中信号处理和控制电路是系统的主要模块。

信号处理部分中采用四级运放（LM324）中的一二级用作放大级，由于放大后的信号中还混有一些噪声和干扰信号，为提高抗干扰能力，LM324的另外两级作成比较器，构成一个窗口比较电路，选出有用信号分量，以提高探测的可靠性。比较输出的上跳变脉冲信号加至倒相放大后去触发555。

控制电路中采用555单稳态触发器输出高电平触发报警装置，此外，采用优先译码器CD4532和CD4511实现监控地点的显示。

2.1.2 方案二

方案一原理框图如图2-2所示。

图2-2  方案二的原理框图

该方案由红外线发射电路、红外线接收装置、信号处理、控制电路、报警电路和显示装置六个模块组成，区别在于对于红外线探测采用了点对点的方式。

2.2 方案论证

两种方案都可行，都能达到预期的结果。方案一中应用的热释电红外探测前加有红外滤光片，以抑制人体以外的红外辐射干扰；方案二中采用点对点的红外线探测准确性不高，不能确认人与物的差别。

2.3 方案选择

基于方案一能够更好的红外线探测有无人进入监测范围，方案二中所有的信号都经过一个处理器，一旦信号处理器发生故障整个系统将全部不能工作，方案一个每个信号处理器都是的，相互间没有任何影响，这样更有利于系统的稳定。综上说述，本设计选用方案一。

3

单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计

该方案由热释电红外探测器、信号处理、控制电路、报警电路和显示装置五个模块组成，其中信号处理和控制电路是系统的主要模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1 热释电红外探测器

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104MΩ，故引入的N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。

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，本次设计中我们采用了P228热释电红外传感器。

P228可探测人体的红外线，将移动人体辐射的红外线信号转变成交变的超低频信号（0.3~10Hz），再将信号传送到运放LM324。进行信号的进一步处理。 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 并将其转换为电信号输出.

3.1.2 信号处理  

信号处理模块是用四级运放IM324的1,2级作为放大级，3，4级作成比较器来实现。通过的对信号的两次放大使信号达到所需要的强度，再通过两级比较器将原有的信号转变为系统可以进行处理的信号。将这种信号传输到下一级的信号处理器进行处理，实现信号的装换。

                             图3-1  信号的放大比较电路

3.1.3 控制电路  

控制电路模块是由时基准电路５５５，优先译码器CD4532和译码器CD4511来实现的。

                             图3-2控制电路原理图

由555、Ｒ４８、Ｃ２５等构成单稳态触发电路，当５５５的４脚呈高电位时，经三极管倒相放大的信号使２脚呈低电位，Vi脚处于高电平（）,555内部T导通，电容通过放电三极管T放电，Uo保持高电平不变，当电容两端电压上升到时，由于555内部锁存器R=0,S=1,锁存器置0，Uo为低电平。此时放电三极管T导通，电容C6放电，Uo保持低电平不变。因此，电路在通电后在没有触发信号时，电路只有一种状态Uo=0。当Uo为高电平时使三极管Ｔ２导通，蜂鸣器发出叫声进行报警；当暂稳态过后，电路没有触发信号，Uo=0，此时三极管Ｔ２截止，蜂鸣器停止鸣叫。

当有信号输入时，Vi处于低电平即，电路输出状态由低电平跳变为高电平，电路进入暂稳态，三极管截止。此后电容C２５充电，当Ｃ２５充至电容C２５两端电压等于时，电路的输出电压Uo由高电平翻转为低电平，同时T截止，于是电容C２５放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，这电容C２５两端电压从零电平上升到得时间，即为输出电压Uo的脉宽：

通常R的值在几百欧到几兆欧之间，电容取几百皮法到几百微法。此电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。如果在电路的暂稳态持续时间内，加入新的触发脉冲，则该脉冲对电路不起作用，电路为不可重复触发单稳态触发器，从而来控制蜂鸣器报警。

　　在控制电路中还采用了优先编码器ＣＤ４５３２和译码器ＣＤ４５１１来实现报警地点的显示。设计中的优先级别从高到低依次为４区、３区、２区、１区，这四个监测点的报警信号由数码管分别显示对应的１、２、３、４来表示那个地方有人闯入。

3.1.4 报警电路  

图3-3报警电路原理图

此电路将传送过来的电路在三极管的作用下通过电容的滤波，后开启蜂鸣器，使其工作发出声音，达到报警的效果。

3.1.5 显示装置

图3-4显示电路原理图

数码管通过传送过来的信号相应的显示出对应的数值，来确定整个系统中那一个探测器在工作。

3.2 电路参数的计算及元器件的选择

下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。

本系统中主要使用了如下一些功能器件：555，P228，LM324，CD4532，CD4511。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。

3.2.1 555器件介绍  

555定时器是一种集模拟﹑数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。

555定时器内部结构图如图3-5所示。

图3-5 555内部结构图

由3-8图可以看出，555内部结构包括两个电压比较器和，一个基本RS触发器和一个集电极开路的放电三极管三部分构成。

是比较器的反相输入端，也称阈值端，用表示。是比较器的同相输入端，也称触发端，用表示。和是和的基准电压，是控制电压输入端，当悬空时， =2/3， = 1/3。若接固定电压时， =， =1/2 。是清零端，当=0时， =0；当=1时，电路处于工作状态。

555定时器的逻辑功能主要取决于比较器、的工作状态，分析如下，在无外加控制电压的情况下：

1、当>， >时，比较器输出=0， =1，触发器置0，使得定时器输出VO=0，同时TD导通。

2、当<， <时，比较器输出=1， =0，触发器置1，使得定时器输出VO=1，同时TD截止。

3、当<； >时，比较器输出=1， =1，触发器维持原状态不变。

根据以上分析，可得到555集成定时器功能状态表，如表3-1所示。

为了提高电路的负载能力，在输出端接缓冲器。与接成的反相输出端与在高、低电平状态上完全相同。

3.2.2 P228器件介绍  

P228是美国HAMAMATSU公司生产的红外传感器。

外形级结构：双元型，金属壳TO-5封装；

探测元：芯片材料为钽酸锂（）；

典型响应度：它是衡量灵敏度的重要指标，P228为6500V/W，灵敏度较高；

等效噪声功能：它是衡量稳定度的主要指标，P228为1×W/；

如下表3-2  列出了P228的主要参数值。

系统调试

本次电路设计主要对信号处理模块和整体电路进行了仿真和调试，达到了预期的设计目标。

4.1 调试环境

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。具有4大功能模块 

◆智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。

◆ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 　　

◆独特的单片机协同仿真功能

支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。

◆实用的PCB设计平台 

先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式文件。　　 

正是基于上述优点，本设计采用该软件进行电路的搭建与仿真。

图4-1为Proteus　7.7的主界面，主界面包括最上方的菜单栏、标准工具栏、主工具栏、使用元件列表、仿真开关等。根据所学，在电路窗口进行电路图的搭建。

图４-1　 Proteus　7.7　主界面

4.2 硬件调试

4.2.1 信号处理部分模块的仿真调试

总体电路的仿真和调试

……（说明调试方法、调试内容和调试结果）

5

系统功能、指标参数

本节主要介绍。

5.1 系统能实现的功能

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。具有4大功能模块 

◆智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库

超过27000种元器件，可方便地创建新组件；智慧的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的联机功能：自动联机功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。

◆ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 　　

◆独特的单片机协同仿真功能

支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。

实用的PCB设计平台 

先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式档。

5.2 系统指标参数测试

说明对那些技术指标进行了测试，测试的方法如何，测试数据如何，要求有测试参数记录表。

……

5.3 系统功能及指标参数分析

通过与设计要求对比进行说明（不足、需要解决的问题、可改进的地方）

……

6

结论

本人设计的课题是红外线报警器的设计，经过一段时间的思考和准备，通过对课题的设计，大大提高了自己各方面的能力，例如，对书本基本知识的掌握程度，对资料的查找方法，对自己知识面的扩展都有相对的提高。

本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：

１．热释电红外探测器感应人体红外线

２．信号处理放大触发报警；

３．系统外部设置的操作开关控制报警器的开启与关闭；

４．有报警铃声提示各路报警的触发状态等；

５．有多路监控报警功能；

6．能够延时触发；

7．有显示报警地点的功能。

至此，本设计能完成所有任务及要求。

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总结与体会

本次课程设计是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。电子技术课程设计是实践教学不可缺少的重要一环，通过课程设计，不仅能提高我们学习的兴趣，加深理解，开拓视野，也能为以后毕业设计打下良好的基础。身为测控专业的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。

从通过理论设计，到仿真软件仿真，再到确定具体方案，再到安装实际电路，最后到调试电路、成型。整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课程设计是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。总的来说，这次课程设计虽然累，但非常充实。在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

经过两个星期的努力，我们终于成功的完成了本次课程设计。在设计过程中，我们有很多收获，譬如增强了我们查阅资料的方法技巧，更是大大的提高了我们自学的能力，同时也增强了我们的动手能力，与此同时，当然也遇到了很多困难，但是最终在小组成员的共同努力和老师的教导下克服。

在本次课程设计中，我发现要做好设计，应熟练地掌握课本上的理论知识是前提，这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。

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谢辞

在这里，我对我们的带课老师陈永强老师表示衷心的感谢。龙老师在这次课程设计过程中对我们的全方位的指导，是我们这次课程设计取得成功的根本保证。

陈老师对这次课程设计抱着认真负责的态度，他极力做好安排、指导、答辩等各个环节，只为我们能通过这两周的课程设计学到更多知识，更快地提高我们的能力。在龙老师的指导下，我学到了很多平时没有学到的东西，尤其是学到了很多依托我们的专业知识在实际生活中广泛应用的东西。

另外，我还要感谢学校能安排这次课程设计，为我们熟悉我们的专业相关提供了平台。当然，这次课程设计能取得成功，还少不了我们组几个同学的通力合作，大家在设计中献言献策，不积极发挥着个人的聪明与才智。

9

参考文献

[1] 康光华.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2006.1

[2] 康光华.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，2006.1

[3] 何希才.通用电子电路应用400例[M].北京：电子工业出版社，2005.9

[4] 张庆双.电子元器件的选用与检测[M].北京：机械工业出版社，2003.1

[5] 劳五一.模拟电子电路分析、设计与仿真[M].北京：清华大学出版社，2007.5

[6] 程素萍.热释电红外传感技器及报警电路[J].建材技术与应用，2007，（10）.

[7] 孙惠芹，刘南平，张材中.传感器入门[M].科学出版社，2006. 

[8] 何希才.传感器及其应用[M].国防工业出版社，2001.

[9] 陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京人民邮电出版社.2004.6

[10] 金大庆.红外线防盗报警器的简易设计[J].电子瞭望.2007,8（2）

附录

附录1 系统的原理电路图