毕业论文红外非接触开关电路设计02368.doc

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1、郑州科技学院专科毕业设计（论文） 题 目 红外线非接触开关电路设计 学生姓名 专业班级 学 号 所 在 系 指导老师 完成时间 2012年3月 日 摘 要本课主要探讨智能楼宇中的自动照明开关的设计，该系统由热释红外线传感器,集成电路芯片 BISS0001,放大电路等组成.其中红外线传感器是近几年广泛使用的一种自动感应器件能够以非接触的方式检测出人体发出的红外线辐射（对于其他光，如阳光、灯光等人体波长以外的光波则抑制掉），CDS传感器在白天抑制输出,集成电路芯片控制灯亮时间,并把转化成的电信号，进行放大处理后，控制电灯开关，从而实现人来灯亮，人走灯灭的神奇效果。关键词：CDS传感器/热释电红外线

2、传感器 INFRARED NON CONTACT SWITCH CIRCUIT DESIGNABSTRACTThis course mainly discusses the intelligent building automatic lighting switch design, the system consists of a pyroelectric infrared sensor, integrated circuit chip BISS0001, amplifying circuit. The infrared sensors in recent years is the widel

3、y used an automatic induction device to the non-contact method to detect body emits infrared radiation ( for other light, such as sunlight, lighting and other human wavelengths other than light is suppressed ), CDS sensor in the daytime inhibited the output, the integrated circuit chip control light

4、 time, and turn it into electrical signals, amplify, control the light switch, so as to achieve to lights, the lights go out one of the magical effect.KEY WORDS :CDS sensor /Pyroelectric infrared sensor目 录中文摘要I英文摘要II1引言11.1 课题的背景与目的11.2 照明开关的发展过程11.3 现代照明开关简述21.4 热释电红外感应开关简述42 照明系统总体设计52.1 照明系统的构成52

5、.2 人体红外线楼道自动照明系统电路53 热释电红外感应开关系统73.1 传感器定义及发展73.2 传感器的选用原则73.3 热释电红外传感器93.3.1 热释电人体红外线传感器的基本结构和原理93.3.2 热释电红外线传感器的优缺点153.4 CDS传感器164集成控制电路详解174.1 概述174.2 运算放大器184.3振荡器194.4 电压比较器214.5 集成电路芯片224.6 可控硅254.6.1 单向可控硅简介255 电路制作295.1 PCB制作295.1.1 PCB简介295.1.2 PCB制作原则305.2 整体电路制作问题325.2.1 元件的散热问题325.2.2 电子

6、电路的静电保护335.3 整体电路测试与元件列表345.3.1 元件的焊接345.3.2 元件及电路测试35结 论37参 考 文 献381引言1.1 课题的背景与目的目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体，凭借其较为简单的结构、低廉的售价和方便的安装使用方法，牢固地占领着市场。然而，现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。特别是电能的大量浪费，按照国标，优质灯泡在正常使用情况下，平均寿命在壹千小时左右，而普通灯泡则更短。如果走廊是夜间常明灯，每年除灯泡损耗费用外还要有一百多度电的损耗，加上更换灯泡等人工费用，每年每个灯消耗近百元，这不仅浪

7、费大量能源，而且由于频繁更换灯泡造成维修工作量加大，有时有些场所走廊由于无人及时维修管理，许多楼梯晚上漆黑一片，给人们生活带来许多不便，因此人们越来越关注其他有效的照明灯开关方式高，国家的有关规范及标准也不断的加强，九九最新发布的住宅建筑设计规范中明确规定， 住宅公共部分应设人工照明，除高层住宅的电梯厅和应急照明外，均应采用节能自熄开关。随着大量采用电子技术的家用电器面市, 住宅电子化出现。近几年楼宇智能化（智能家居是以家为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、网络家电、自动化和智能化，集系统、结构、服务、管理、控制于一体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的家居环境。）又飞速发展起来，其

8、中实现自动照明系统可以减少电能浪费成为实现现代化住宅的重要一笔。本课题从实际出发，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索随着现代化的发展,工业,农业,商业,教育等等行业的用电量都大幅度增加,在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题.1.2 照明开关的发展过程在远古时代,人类利用自然光源,太阳给了人类及所有生物生存的机会,但对于夜晚人类却无能为力.接着聪明的人类发现了火,用火照明应该是人类照明史上的里程碑.中外历史上蜡烛都起了重要作用,陪伴人类度过慢慢数千年,直到天才发明家爱迪生在照明史上添上精彩的一笔.电灯无疑已经成为现代生活中不可或缺的商品.目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体

9、, 传统照明单控电路特点： a)控制开关直接在负载回路中。b)当负载较大时，需相应增大控制开关的容量。c)当开关离负载较远时，大截面电缆用量增加。d)只能实现简单的开关功能e)传统控制采用手动开关，必须一路一路地开或者关f)传统控制对照明的管理是人为化的管理。传统的照明系统结构简单、售价低廉和安装使用方便,一直是照明灯具市场的主角,随着技术的进步,人民生活水平的提高,这种灯暴露出来许多不足:其一,由于是手动开关,人们在一片漆黑中不得不摸索电灯开关,给人们生活带来很多不便.其二,电能浪费严重,特别是在学校,工厂等集体生活的地方,照明灯经常在光线充足的白天也工作,这不仅浪费电能,而且也造成灯泡常被

10、烧坏,若不能及时修理又会产生其他不方便.其三,电子技术,自动控制技术,传感器技术的快速发展使人们越来越倾向于照明设备的自动控制.1.3 现代照明开关简述现代电子技术的发展和人们对生活质量的需求变化，已使传统的开关感受到产品更新换代的威胁。目前传统的按键式和拉线式开关仍然是照明开关的主体,但自从人们发现了无线电波，就开始用无线电来遥控了。航空爱好者用无线电收发装置来操纵模型飞机，舰模爱好者用无线电来操纵模型舰艇。声音、超声波、无线电波都可以用作传递信号的媒体，传递命令，实现远距离操纵。这些方法在一定程度上节省了电能。针对问题，市场上的照明开关也是层出不穷，主要有声光控开关、触摸式延时开关、红外开

11、关，感应式开关等、经过多年的使用，就对其特点、价格、性能、市场品牌、使用效果、安装、 寿命等进行了比较，其中触摸式、声光控在各方面表现非常一般，而红外开关，感应式开关却表现优异。走廊里的声控电灯是一种遥控装置。当人们走路的声音，说话的声音传到灯头上的声控开关时，电路就被自动接通了。当然，声控开关旁边还要有个延时开关，就是使电路只能接通几分钟，然后再自然地断掉。这样既可以省电，又可以延长电灯的寿命。声控电灯，只有一个命令：接通！这很简单。但其品种多，市场较乱，价格从几元到二十多元不等，由于声控本身感应元器件属于机械式，所以易受机械疲劳影响，很难克服初装时灵敏度较好而后期灵敏度低形象。因此，声光控

12、开关在使用的后期，只有靠人为制造噪声才能触发，如想要灯亮需要大声咳嗽，或跺脚这显然打扰了别人的安静，特别是夜间往往影响睡觉的人。另外声光控易响应于自然界所有较大声响（如雷声、汽车喇叭声、汽车经过时发动机声、装修房间的电钻声、开关防盗门声等），误动作较多。有的住户在房屋装修时就对开关有很大影响，人未住进就有开关损坏。由于部分价低质劣的声光控开关混入市场，给用户造成电子开关都寿命短，都不可靠的印象。而触摸式除了易受损坏，不安全外，还有传染病菌的弊病，很难在公关场所应用，特别是在医院这样人员复杂的场所。因此要真正用好自熄开关，改善人们居住条件，必须要在市场中寻求真正高效节电，方便照明，性能稳定，经久

13、耐用，价格合理的产品来实现人来灯亮，人离灯灭，白天不亮这一基本功能。 纵观照明控制技术的发展，从原始的开关控制到接触器继电器控制，发展到PLC控制；随着计算机及网络的飞速发展，照明控制也跟随着一起发展。在实际工程案例中出现了集散型控制系统和现场总线控制系统，尤其是近几年，国内外陆续开发出专业性强的智能型照明控制系统。例如：奇胜C-BUS智能照明控制系统，澳洲邦奇智能照明，美国路创智能照明系统；还有些像索恩、飞利浦等专业照明公司也推出自己的智能照明控制系统；国内也有很多智能照明的厂家，推出智能家居、智能小区、智能办公室、智能楼宇等专业控制系统。现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作、学习、生活提

14、供良好的视察条件，能利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境以满足人们和心理和生理要求，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活适应未来照明布局和控制方式变更要求。一个优秀的智能照明系统有仅可以提升照明环境的品质，还必须做到充分利用和节约能源。1.4 热释电红外感应开关简述用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，可以制成热释电人体感应开关。它可应用于电灯的节能自动开关、自动门、安全防护、防盗等设备中。人体会发射特定波长红外线. 用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电

15、路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10m左右的红外辐射敏感，人体都有恒定的体温，一般在37度，会发射10um左右的特定波长红外线，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。人体是一特定波长红外线的发射体，由红外传感器检测到这种红外线的变化并予以放大选频处理后，

16、可以推动适当的负载，此乃人体红外自动开关。这一检测技术较之超声、哑声、微波方式更为灵敏与准确。它要求PIR热释电人体红外传感器的信号放大处理电路有很高的灵敏度并要能准确鉴别生物体与非生物体的运动，使误动作率降到最低。且体积小，自耗电微少。采用热释电红外传感器及专用单片集成电路构成的这种开关能成为人到灯亮、人走灯灭。它安装方便，可直接替换面板式开关，无需改动市电线路。2 照明系统总体设计2.1 照明系统的构成传统照明控制系统比如说,以前的工厂, 公司,学校等. 是人为控制的。是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。传统的照明电路只是为灯提供一定的电

17、压使其发光,这种灯只,具有很大弊端,特别是在一些集体工作地。而今出现的建筑物自控(BA)系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。2.2 人体红外线楼道自动照明系统电路该电路的主要元件是热释电红外传感器，因其抗干扰性好、探测灵敏度高、工作温度范围宽等优点被广泛应用于防盗报警、自动门、 感应灯、自动水阀、自动马达控制等工业和生产领域 。BISS0001是专为热释电红外传感器（PIR）配套设计的集成电路，采用 CMOS工艺制造，具有性能指标高、一致性好、功耗低、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性高等优。图2.2 红外感应开关电路外围电路元件说明：PIR感应信号经滤波进入芯片内

18、部进行放大，与基准电压比较,如果判断有触发，运放输出高电平。这时候计时检测电路开始计时，计满一定内部时钟周期，跳变为高（可避免误触发）。上图中，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。上图中，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。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可

19、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。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，值为Tx24576xR9C7；触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti24xR10C6。3 热释电红外感应开关系统3.1 传感器定义及发展传感器简介：传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器(话筒)就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。传感器感受一种量并

20、把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此在某些领域如生物医学工程等中，也称为换能器。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。电子计算机应用于测量系统和控制系统时，也必须由传感器提供准确可靠的信息，如果传感器的水平与电子计算机的水平不相适应，电子计算机便不能充分发挥应有的作用和效益。因此，传感器是测量、控制系统中的一种关键装置。3.2 传感器

21、的选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。a)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接

22、触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。b)灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度

23、小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。c)频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差d)线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传

24、感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。3.3 热释电红外传感器人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。红外线简介，其波长比可见光长的电磁波，波长在1毫米到770纳米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为

25、热源。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗等方面有广泛的用途。 俗称红外光。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看

26、或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等3.3.1 热释电人体红外线传感器的基本结构和原理最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。人体热释电红外传感器和应用介绍一般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尼尔滤光片增强后聚集到

27、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，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。热释电人体红外线传感器（以下简称：传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。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T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。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Q会

28、被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=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T，则有T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。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。1) 热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时

29、，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图3.1表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）图3.1 热释电效应的形成原理热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效

30、应所产生的电荷Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见图3.2所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。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

31、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。 图3.2 热释电红外传感器的结构及内部电路对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容 ，例P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。当传感器没有检测到人

32、体辐射出的红外线信号时， 由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。传感器仍然没有信号输出。同理，在灯光或阳光下，因阳光移动的速度非常缓慢，P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为0.110Hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为515um），因此，传感器对它们不敏感。当环

33、境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。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0.110Hz）和对特定波长红外线（一般为515um）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

34、敏感；它可以抵抗可见光和大部分红外线的干扰。2) 滤光窗 它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.014um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.514um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为614um，中心波长为10um。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）（其中m为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为3637.5。C ，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波

35、长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。 图3.3 菲涅尔透镜工作原理图菲涅尔透镜 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

36、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。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3为它的平面图。从图中可以看出，透镜在水平方向上分寸成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。当光线通过这些透

37、镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，如图3.3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变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。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，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变

38、化，而输出电信号。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，其焦点一般为5厘米左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方15厘米的地方。菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。项目 参数 条件 电源电压 2.210.0V源极电压 0.32.0V 25C源极阻抗 47K Id=643uA 电 平 衡 10%Max）频率响应 0.330Hz 12db（Max）响应波长 7.514um 平均大于70%工作温度 -10+50。C表3.1热释电人体红外线传

39、感器SCA02-1的主要电参数3.3.2 热释电红外线传感器的优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；3）易受射频辐射的干扰；4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵； 5）被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差抗干扰性能： 1）防小动物干扰探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。2）抗

40、灯光干扰探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件： 1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。2）红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人

41、的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。3.4 CDS传感器硫化镉（Cds）光敏电阻器，这是目前最常见的光敏电阻器。光敏电阻器是利用半导体光致导电的原理制造的。这种光敏电阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化镉多晶体，再经烧结制成。光敏电阻器的表面还涂有防潮树脂。光敏电阻器的光谱特性曲线与人眼对可见光的响应曲线比较接近。光敏电阻器的电阻值随光照强度而变化。在暗光条件下它的电阻值可达10M，在强光下它的电阻值仅为数百欧姆或数千欧姆。光敏电阻器的

42、光照特性在多数情况下是非线性的，只有在微小区域内呈线性。光敏电阻器的电阻值有较大的离散性。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受光照时的电阻值(暗阻)和受光照时的电阻值(亮阻)的相对变化值。在一般情况下，照度越低，单位照度改变时的电阻值变化越大。即在低照度下光敏电阻器的灵敏度较高。光敏电阻器是电路的关键元件，它对光线的强弱有敏感的反应，在本电路中要求光敏电阻器受到光照时的阻值应小于5k，在暗光情况下阻值应大于1M，可选符合要求的MG41-22光敏电阻器。4集成控制电路详解4.1 概述虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。因此，有很多生

43、产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。图3.4阴影部分是PIR信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR信号处理部分，控制部分就简单略过。 由于PIR 信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下：a）滤波放大普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB

44、，通带0.3Hz7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。b）窗口比较器经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。c）噪声抑制数字信号处理根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz）。 图3.4 人体感应开关方框图 图3.5 人体感应开关信号处理过程4.2 运算放大器集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器。它工作在放大区时，输入和输出呈线

45、性关系，所以它又被称为线性集成电路集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路3.2.2.1 集成运放的性能指标1）开环差模电压放大倍数 Aod它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。2）最大输出电压 Uop-p它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。3）差模输入电阻rid它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。4）输出电阻 rO它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。5）共模抑制比 CMRR它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好3.2.2.2集成运

46、放的组成它有四部分组成：1）偏置电路:偏置电路是提供各级静态工作电流的;2）输入级：其作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端,为了抑制零漂，采用差动放大电路3）中间级：其作用是提供较高的电压放大倍数;为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。4）输出级：其作用是提供一定的电压变化和电流变化;为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路4.3振荡器振荡电路在测量,自动控制,通信,无线电广播和遥控等许多领域中有着广泛的应用,甚至在收音机 电视机 和电子表等日常生活用品中也离不开它.振荡电路包括正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路,它们不需要输入信号便能产生各种周期性的波形,如:正弦波,方波,三角波和锯齿波等.因为本课题涉及到系统时钟和定时电路,所以现介绍一下非正弦波振荡电路:矩形波振荡电路矩形波有两种,一种是输出电压处于高电平时时间TH和输出电压处于低电平的时间TL