热释电红外报警器(电信061李天才).doc
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基于P2288/LM324的热释电红外探测器的分析与设计
广东技术师范学院天河学院电信061李天才
指导老师:
陈朝大
摘要
当今时代是一个只能化的时代,智能化程度越高越容易在市场上占有主导地位,这个基于P2288/LM324的热释电红外探测器对于实现产品的智能化有很大的作用,可用于自动关门,防贼防盗,等多种系统的智能化控制,而且该热释电红外探测器价格功能强大价格低廉是制作多种高端产品的首选
设计用到的元件表
编 号
名 称
型 号
数 量
R1、R3、R6、R9、R10
电阻
56K
5
R2
电阻
47K
1
R4
电阻
33K
1
R5
电阻
470K
1
R7
线性微调电阻
470K
1
R8、R11
电阻
270K
2
R12
电阻
2K
1
R13
电阻
3K
1
R14
电阻
200
1
R15
电阻
910K
1
R16
电阻
2.2K
1
C1、C2
电容
300P
2
C3
电容
22P
1
C4、C7、C8、C12
电解电容
47u
4
C5
电容
0.033u
1
C6
电解电容
100u
1
C9、C10
电容
0.01u
2
C11、C12
电解电容
470u
2
C13
电解电容
220u
1
VT1
晶体三极管
9013
1
VD1、VD2
整流二极管
IN4148
2
IC
三端稳压器
7806
1
IC1
四运放集成电路
LM324
1
IC2
窗口比较器
LM555
1
IC
红外线传感器
P2288
1
关键词
P2288LM324LM555
利用P2288热释电红外传感器,LM324集成电路,555时基集成电路的强大功能来识别和控制所要处理的信息以达到智能化的目的。
比如说要制作一个自动关门系统,可以用P2288来识别人是否离开,用555时基电路来控制开关电路,从而实现人离开过了制定时间门就关。
555时基电路的精确度是很高的,从而也保证了产品智能化的程度。
至于防盗防贼道理也差不多,只是最终输出的是驱动电铃或报警电话的控制信号
1.总的方案
对外输出信息(可以控制别的电路)
识别系统
初级控制电路
时基电路
1.1识别系统
其实就是一个探头的作用,任何发热物体都时刻向外辐射能量,这种能量的辐射主要是红外线。
应用热释电红外传感器就是利用这个来识别有没有人在制定区域内。
1.2初级控制电路
主要是用比较器对电平进行比较,从而决定后面的电路所要起的作用,或控制后面电路是否工作。
1.3时基电路
用555时基电路一是为了精确,同时也是电路的一个主要的控制电路。
2.设计与实现
2.1设计
用555时基电路一是为了精确,同时也是电路的一个主要的控制电路。
LM324热释电红外探测器主要是由下列硬件组成,LM324芯片,红外探头和LM555等组成.
LM324的四个独立的预算放大器,其中IC1-1和R4,R5,C4等组成超低频率信号放大器,它对0.3~10Hz的频率进行高倍数放大,IC1-2和R6,R7接收IC1-1的输出信号,进行在一次放大,放大后加至窗口比较器。
比较器由IC1-3,IC1-4和R8~R11ZUC.当信号输入到IC1-3,IC1-4的低频交变信号大于基准电平时,窗口比较器就输出高电平,经VT1倒相放大后去触发IC2。
电路图如下
l(P2288)的原理特性
从原理上讲,任何发热体都会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化导致电信号的产生。
环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(一般为0.1~10Hz)和对特定波长红外线(一般为5~15um)的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化对人体而言就是移动。
所以,传感器对人体的移动或运动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。
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
上图是一个热释电红外传感器(P2288)的结构示意图。
使用时D端接电源正极,A端接电源负极,S端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射,热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号。
热释电元件PZT将波长在8mm~12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号,为了只对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片,使环境的干扰受到明显的抑制作用。
。
菲涅耳透镜(图3)根据菲涅耳原理制成,把红外光线分成可见区和盲区,同时又有聚焦的作用,使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。
菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式,其作用一是聚焦作用,将热释的红外信号折射(反射)在PIR上;二是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PIR上产生变化热释红外信号,这样PIR就能产生变化电信号。
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0.2~20μm。
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了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外,还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
lLM555的结构原理
555集成时基电路称为集成定时器,是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路,其应用十分广泛。
该电路使用灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器,因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
它的内部电压标准使用了三个5K的电阻,故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类,两者的工作原理和结构相似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556;所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556,两者的555和7555是单定时器,556和7556是双定时器。
双极型的电压是+5V~+15V,输出的最大电流可达200mA,CMOS型的电源电压是+3V~+18V。
555电路的内部电路方框图如图8-1所示。
它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。
lLM324
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2。
图1 图2
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中
2.2实现与测试
按照设计方案中的电路图制作实物如下图:
上图中的黑白双线为输出端,可接报警电路、开关电路等。
2.3调试
完成焊接后,细心检查万用板背面的焊点有无虚焊、漏焊或缺接,发现无问题,然后对照原理图检查成品的电子元件参数有没出错,排除以上问题后接通电源。
把数字万用表设到20v的电压档,再把两根表笔分别接到作品相应的输出端;将手靠近红外传感器,发现数字万用表所显示的电压没变化,依旧显示为0v,由此说明该电路没有正常运作。
于是初步假设LM324中由1、2、3和5、6、7号引线组成的比较器出现问题通过理论计算得出2号、10号、5号引线的电压分别为2.48v、3.03v、3.52v。
然后,实测LM324的所有引脚的电压进行对比,发现2号、10号、5号引线的实测电压与理论电压相当,故排除比较器出错的可能性。
测试部分电路图
对8、9、10号引脚所组成的二级放大电路中的9、10号引脚的实测电压进行对比发现这两根引脚电压差不多一样都为3.06v,但是理论上10号引脚电压要求比9号引脚电压高,组成的二级放大电路方可运作。
于是断定这部分电路出错。
经测试发现R7的最大阻值只为47K(估计购买元件时,服务员出错),于是用3个阻值为916K的电阻并联后代替之,更换后发现LM555的2号引脚在用手接近红外传感器时有低电平输入,但是LM555的3号引脚还是没有信号输出,说明LM555以前的电路均正常运作,而出现问题的是LM555。
由于时间所限,制作到此终止。
3.小结,体会
该设计具有很大的市场前景,还有很广阔的拓展空间,可以应用于多种系统的智能化实现。
充分合理的利用了芯片的强大功能,物美价廉是可以在竞争中取的先手的好设计。
参考文献
1.陈永甫.常用半导体器件及模拟电路.人民邮电出版社,2006
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- 热释电 红外 报警器 电信 061 天才
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