1.1 設計背景
近年來，隨著經濟和科技水平的高速發展，電子電器發展迅猛，人民的生活水平有了很大提高，各種高檔家電產品和貴重物品漸漸進入了千家萬戶，然而一些不法分子也越來越多，由于大部分人防盜意識還不夠強，造成偷盜現象屢見不鮮。因此，越來越多的居民家庭對財產安全問題十分擔憂。
報警器的出現為人們解決了不少問題，但是市場上的報警器大部分都是用于一些大公司及財政機構，價格高昂，一般用戶難以接受。如果設計和生產一種價廉、性能靈敏可靠的防盜報警器，必將在防盜和保證財產安全方面發揮更加有效的作用。由于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用，此外，在電子防盜、人體探測等領域中，被動式熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術性能穩定等特點而受到廣大用戶和專業人士的歡迎。
紅外報警器大多數采用國外的先進技術，其中被動式熱釋電型紅外報警器是一種價廉、性能靈敏可靠的防盜報警器，也即是本文將研究的產品。此外，還有紅外監控無線報警器，超聲波防盜報警器,紅外線防盜報警器，高靈敏紅外報警器,觸摸式延時防盜報警器, 觸摸式防盜報警器，紅外報警器，紅外線聲光報警器。
1.2 設計目標
通過對紅外線報警器系統的設計與分析，用集成運放LM324、紅外傳感器、二極管等器件設計電路，可監視幾米到幾十米范圍內運動的人體，當有人在該范圍走動時發出報警信號，并且運用multisim軟件對電路進行仿真。
1.3 必備條件
1.學習集成運放LM324、紅外傳感器、二極管等基本知識，了解其應用及其特點。
2.了解學習紅外線報警器的分類及其工作原理。
3.學習運用multisim軟件繪制電路原理圖并進行仿真分析驗證。
2 總體方案設計
通過查閱大量相關技術資料，結合自己的所學的實際知識，我主要提出了如下兩種種方案來實現紅外報警功能。下面我將對這兩種方案的實現原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的原因。
2.1 方案比較
2.1.1 方案一
方案一電路原理圖如圖2-1所示。
圖2-1 方案一的電路原理圖Atmega8的PD0端口輸出經過調制的38KHZ的方波信號，然后經Q2驅動紅外線發射管LED0發出紅外線信號。TL0038是集紅外線信號接收放大為一體的接收器。其中心接收頻率為38KZH，輸出為TTL電平，平時輸出高電平，當收到碼信號后，輸出低電平。 BELL為長鳴蜂鳴器，兩個引腳分別為正負極，當正負極兩端加上5V電壓后，蜂鳴器發出響聲。注意，該蜂鳴器兩腳不能接反，否則蜂鳴器會燒毀。 電路工作后，正常情況下TL0038接收不到紅外信號，而輸出高電平。當有物體出現在發射管前方時，TTL0038會接收到從物體上反射回來的紅外光信號，然后輸出低電平通知MCU打開蜂鳴器報警。
2.1.2 方案二
方案二的電路原理圖如圖2-2所示。
圖2-2 方案二的電路原理圖
在電路中采用KP506B型熱釋電人體紅外線傳感器，當人體進入該傳感器的監視范圍時，傳感器會產生交流電壓，電路中，R3、C4、C5構成退耦電路，R1為傳感器的負債，C2為濾波電容，以濾掉高頻干擾信號。A1放大后的信號經電容C6耦合至放大器A2反相輸入端，A2構成反相輸入式放大電路。傳感器無信號輸出時，A1靜態輸出電壓為0.4～1V之間，因此，在靜態時，LED1發光。當人體進入監視范圍時，雙限比較器的輸入發生變化，A3輸出高電平，LED2發光，當人體退出時，LED1和LED2熄滅。
2.2 方案選擇
基于以下方案對比：一、方案一靜態時TL0038接收不到紅外信號，而輸出高電平，方案二在靜態時，輸出低電平，且只有LED1發光，故方案二功耗更小；二、方案二不需要用紅外線或電磁波等發射源，成本更低；三、方案二較之方案一來說靈敏度更高、控制范圍更大。故選擇方案二。
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3 紅外報警器分類及原理
3.1 紅外報警器分類
1.主動紅外報警器是一種紅外線光束遮擋型報警器，是由發射機和接收機組成，發射機是由電源、發光源和光學系統組成，接收機是由光學系統、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。發射機中的紅外發光二極管在電源的激發下，發出一束經過調制的紅外光束（此光束的波長約在0.8～0.95微米之間），經過光學系統的作用變成平行光發射出去。此光束被接收機接收，由接收機中的紅外光電傳感器把光信號轉換成信號，經過電路處理后傳給報警控制器。由發射機發射出的紅外線經過防范區到達接收機，構成了一條警戒線。正常情況下，接收機收到的是一個穩定的光信號，當有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機收到的紅外信號發生變化，提取這一變化，經放大和適當處理，控制器發出的報警信號。目前此類報警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應用在周界防范居多。2.被動紅外報警器主要是根據外界紅外能量的變化來判斷是否有人在移動。人體的紅外能量與環境有差別，當人通過探測區域時，報警器收集到的這個不同的紅外能量的位置變化，進而通過分析發出報警。人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發出特定波長10μm左右的紅外線，被動紅外報警器就是靠探測人體發射的10μm左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。被動紅外報警器是以探測人體輻射為目標的，所以熱釋電元件對波長為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環境的干擾受到明顯的控制作用。其傳感器包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元件。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是報警器無信號輸出。一旦人侵入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同不能抵消，經信號處理而報警。
3.2 熱釋電紅外傳感器原理
熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉換為電壓形式 該電阻阻抗高達104MΩ，故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。雙探測元熱釋電紅外傳感器的結構。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0．2～20μm。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。
4 電路組成及單元模塊
4.1電路組成簡述
電路的總體設計其中包括電源部分和報警電路部分，電源部分主要由+5V的直流電壓為報警電路的正常工作提供電壓；報警電路主要是由熱釋電紅外傳感器、LM324集成運算放大器、發光二極管、電阻電容構成。傳感器主要的工作就是把采集到的人體紅外線轉換成電壓信號，由于此時的電壓比較微弱所以要經過LM324的放大后的電壓輸入到電壓比較器進行比較來控制相應的發光二極管指示燈工作。其電路的組成框圖如圖4-1所示。
圖4-1報警器電路的組成圖
1．電源：通過交流電經變壓器的變壓、橋式二極管的整流、電容的濾波、穩壓器的穩壓得到5V的直流電壓。
2．傳感器：傳感器主要是用來采集人體的紅外線信號并將該信號轉換成電信號的器件。
3．放大濾波：是由集成運算放大器LM324和電容構成對傳感器的信號進行放大和濾波供下一級電路使用。
4．比較器：這里采用的是雙限電壓比較器，把電路中的基準電壓U1和U2作為參考電壓（U1>U2）與比較器輸出的電壓作比較控制指示電路指示是否有人進入的情況。
4.2單元模塊設計
4.2.1 電源電路設計
直流電源（DC power）有正、負兩個電極，當兩個電極與電路連通后，能夠使電路兩端之間維持恒定的電位差，從而在外電路中形成由正極到負極的電流來為電路工作提供能量。設計采用的是5V的芯片，所以電路設計為5V的電源，電源電路原理圖見附錄一。
首先利用二極管的單向導電性，可將1交流電變成脈沖直流電，其過程稱為整流，在負載RL兩端并接上電容值較大的電解電容，可將脈沖直流電過濾成較平穩的直流電，稱為濾波。波形②將會變得較為平滑或成一條直線③。綜上所述，交流電通過整流、濾波可以變成直流電。如圖4-2所示。
（a） （b）
圖4-2交流整流及濾波波形
穩壓電路的原理圖如圖4-3所示。當外部電容應用于任何集成電路穩壓時，有時必須加保護二極管以防止電容在低電流點向穩壓器放電，LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路。LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓1.5--32V電流1.5A不過在用的時候要注意功耗問題注意散熱問題。
圖4-3 穩壓電路圖
4.2.2KP506B紅外傳感器
KP506B紅外傳感器實物如圖4-4所示。紅外線傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大，紅外線傳感器對于徑向移動反應最不敏感,而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感。在現場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環，如圖4-5所示。
圖4-4 KP506B紅外傳感器實物 圖4-5 紅外傳感器感應方向
如果只看實物可能分不出紅外傳感器的引腳，常用的紅外傳感器金屬裝封的，有窗口，接地的引腳是和外殼相通的，這較好分別，另外兩個引腳與地引腳電阻都很大，很難分別。如果是自己安裝這個元件安裝時引腳要盡量短，遠離其它發熱元件，除了窗口，其它的元件最好用厚紙隔開，否則裝好后誤差大，常誤觸發。常見的引腳位置如圖4-6所示，KP506B內部功能圖如圖4-7所示。
圖4-6 KP506B 圖4-7 KP506B內部功能圖
KP506B的基片材料是硅材料，采用的是T0-5封裝，尺寸參數為：
1. 靈敏元面積為：2.0mm 1.1mmGap 0.9mm Dual，雙元
2. 基片厚度為：0.5mm
3. 窗口尺寸為：5.2 3.8mm
4. 工作波長為：5～14um
5. 平均過透率為：>75％
6. 輸出信號為：>2.2V
7. 靈敏度為：3300V/W
8. 探測率為：1.5 108cmHz1/2/W
9. 噪聲（Vp-p）為：<200mV (25℃)
10. 平度度為：<20％
11. 工作電壓為：2.2～15V
12. 工作電流為：8.5～24uA(25℃)
13. 原極電壓為：0.4～1.1V(25℃)
14. 工作溫度為：-20℃ ～ +70℃
15. 保存溫度為：-30℃～ +80℃
16. 視場為：邊緣角55° 51°
4.2.3LM324集成運放
集成運算放大器（簡稱集成運放）是用集成電路工藝制成的，具有很高電壓增益的直接耦合多級放大器，它的基本結構是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四個部分組成，如圖4-8所示。
圖4-8 集成運放組成框圖
LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器，與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它優點顯著。LM324的優點如下：
1．短跑保護輸出。
2．真差動輸入級。
3．可單電源工作：3V～32V。
4．低偏置電流：最大100nA（LM324A）。
5．每封裝含四個運算放大器。
6．具有內部補償的功能。
7．共模范圍擴展到負電源。
8．行業標準的引腳排列。
9．輸入端具有靜電保護功能。
該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態電流為MC1741的靜態電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖5-12所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同，可工作在單電源下，電壓范圍是3.0V～32V或+16V。LM324的引腳排列如圖4-9所示。
圖4-9 LM324引腳圖
LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器,除電源共用外,四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖4-10所示的符號來表示,它有5個引出腳,其中“+”、“-”為兩個信號輸入端,“V+”、“V-”為正、負電源端,“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中,Vi-（-）為反相輸入端,表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反，Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳封裝見圖4-11所示，由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬,靜態功耗小,可單電源使用,價格低廉等優點,因此被廣泛應用在各種電路中。
圖4-10 集成運算放大器 圖4-11 LM324封裝引腳圖
4.2.4比較器電路設計
單限比較器只能檢測一個電平，若要檢測Ui是否處于U1和U2兩個電平之間，則需采用雙限電壓比較器（又稱窗口比較器）。雙限電壓比較器常用于工業系統控制中，當被監測的對象（如溫度、液位）超出要求時的范圍時，便可以發出指示信號。
如圖4-12所示使用兩個運放組成一個電壓上下限比較器，電阻R1、R1ˊ組成分壓電路，為運放A1設定比較電平U1；電阻R2、R2ˊ組成分壓電路，為運放A2設定比較電平U2。輸入電壓U1同時加到A1的正輸入端和A2的負輸入端之間，當Ui>U1時，運放A1輸出高電平；當Ui < U2時，運放A2輸出高電平。運放A1、A2只要有一個輸出高電平，晶體管BG1就會導通，發光二極管LED就會點亮。
圖4-12 雙限電壓比較器
若選擇U1>U2，則當輸入電壓Ui越出[U2，U1]區間范圍時，LED點亮，這便是一個電壓雙限指示器。若選擇U2 > U1，則當輸入電壓在[U2，U1]區間范圍時，LED點亮，這是一個“窗口”電壓指示器。
通過以上對電路的分析與設計，最終完成了5V電源的設計，也了解了LM317芯片的功能與作用和橋式整流二極管的工作原理與整流過程。通過對LM324集成運算放大器性能和特點的分析，從各個方面了解了LM324集成運算放大器以及LM324構成的同相放器、反相放大器和電壓雙限比較器的原理并且以此運用在整機電路的設計中以發揮出良好的效果。
仿真與驗證
通過對電路的分析完成了電路的初步設計，但是也不知道電路設計功能是否滿足要求，這時就需要對電路進行模擬仿真以觀察電路的性能參數，打開multisim軟件在軟件里畫好仿真圖，點擊仿真按鈕，觀察電路的現象是否符合設計要求，如果不符合要求就要檢查仿真電路是否有錯，如果沒有錯誤就要考慮電路原理設計是否有誤，更改后在進行電路模擬仿真，重復以上步驟直到電路仿真與設計要求相符合。電源電路的仿真效果圖如圖6-1所示，仿真結果顯示輸出電壓為5.024V，符合設計所需要的5V直流電壓源的要求。
圖6-1 電源電路仿真
紅外線熱釋電傳感器未采集到信號時(即開關斷開)，LED1綠燈亮起，表示情況正常。其仿真效果圖如圖6-2所示，滿足設計需求。
圖6-2 未采集到信號
紅外線熱釋電傳感器采集到信號(即開關閉合)后，LED2紅燈亮起，表示有人闖入即發出報警信號，其仿真效果如圖6-3所示，滿足設計要求。
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