热释电红外报警系统设计

No.2 Apr. 2012现代科学仪器

Modern Scientific Instruments

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热释电红外报警系统设计

尚小燕1　姜旭2　武继安2

（1西安工业大学光电工程学院 陕西西安710032；2西安应用光学研究所 陕西西安 710065）

摘　要　基于热释电红外传感器的工作原理, 设计了一种被动式热释电红外报警器。主要用于家居安全,探测有无外人闯入。该系统由热释电红外传感器、菲涅尔透镜和监控电路组成。系统把红外线的隐蔽性很好地应用于电路中，选用了新一代红外信号处理器BISS0001，设计了放大滤波电路，红外信号处理电路，并加入语音芯片，模拟警笛声音，达到防盗目的。经多次实验，该系统反应灵敏，抗干扰能力强，安全可靠。

关键词　被动式红外报警器;热释电红外(PIR)传感器;菲涅尔透镜中图分类号　TH703

Design of Pyroelectric Infrared Alarm System

Shang Xiaoyan1,Jiang Xu2,Wu Ji’an2

(1School of Optoelectronic Engineering, Xi’an Technological University, Shaanxi Xi’an 710032;

2

Xi’an Institute of Applied Optics,Xi’an, 710065)

Abstract Based on the working principle of pyroelectric infrared sensor, the passive pyroelectric infrared alarm system is designed for safety of residence house to detect whether outsiders enter or not. This system was made of pyroelectric infrared sensor, Fresnel lens and monitoring circuits. Infrared signal processor BISS0001 was chosen, amplifying and filtering circuits and infrared signal processing circuit were designed on basis of the concealment of infrared,then the voice chip was utilized to simulate alarm voice for warning thieves and burglars .After many experiments, it represented that the system has sensitive response , high anti-interference ability and safe and reliable performance.

Key words Passive infrared alarm system;Pyroelectric infrared sensors;Fresnel lens

随着社会的不断进步,电子技术的不断发展,人们生活水平得到了很大的改善，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律，因此人们对自己所处环境的安全需求就越来越高，特别是家居安全，不得不时刻留意不速之客的光顾[1]。为此许多小区、家庭都安装了报警系统，这有效的保证了居民的人身财产安全。

由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因而在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的

保安报警器基本应用[2]。目前国内使用的各类防盗、

都是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。此外，随着半导体技术和新型材料的发展，在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。用它制作的被动式防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：（1）不需要用红外线或电磁波等发射源。（2）灵敏度高、控制范围大。（3）隐蔽性好，可流动安装。同时也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人

士的欢迎[3]。本文基于热释电红外传感器的工作原

理，设计了以BISS0001热释电红外处理芯片为核心的被动式热释电红外报警系统。

1　被动式红外报警器原理与结构

1.1　热释电红外传感器原理特性

PIR (Passive infrared，被动红外)入侵探测器采用热释电红外传感器，利用热释电材料的热释电效应，当有红外辐射变化时，引起其温度变化，使得材料内部自发极化强度发生改变，会在材料表面释放电荷，形成电信号输出。为了抑制因环境和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，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。同时，为了得到能直接使用的电压信号，在结构上引入了N沟道结型场效应管，接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。该种传感器探测波长范围为

收稿日期：2011-11-09作者简介：尚小燕 (1978-)，女，汉族，硕士，讲师，主要从事测控仪器方面的研究

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No.2 Apr. 2012

0.2～20μm。为了对人体辐射波长10μm左右的红外线有较高的灵敏度, 在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许波长8～12μm范围的红外辐射通过外,对可见光和其它红外辐射具有抑制作用[3]。当在有效警戒区内,若无人体移动时,传感器感应到的只是背景辐射,没有信号变化,所以不能产生电信号,也不会报警；当人体进人警戒区,传感器感应到人体辐射与背景辐射的差异变化信号,此时产生电信号输出,经后续处理电路后，进行报警。

1.2　被动式红外报警器的组成

被动式红外报警器核心器件是热释电红外传感器，它将人体的红外辐射变化信号转换为电信号，实现了非接触检测；为了提高热释电红外传感器的灵敏度及响应速度，采用菲涅尔透镜：一是将红外辐射信号聚焦到热释红外探测元上，二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式使传感器连续输出信号[1][2]。并由信号滤波和放大、信号处理和报警电路与该传感器进行协调工作，使系统达到有效报警。其结构框图如图1所示：

图2 PIR入侵探测器原理

图1　被动式红外报警器结构框图

当待测目标人进入报警器的探测范围里，人体向外辐射的红外线首先通过菲涅尔透镜，它将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，由于传感器的两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，输出信号经转换，成为微弱的、变化的电压信号，然后进行放大，以使其获得足够的增益，再通过一个带通滤波器滤波，消除噪声信号，经后续处理，如窗口比较电路，稳压电路和延时电路后，驱动进行声光报警。该系统各个部分的正常工作是整个报警系统正常工作的前提。菲涅尔透镜根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。图2所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理[3-5]。

2　检测电路设计

在设计中，选用的热释电红外传感器为D203s。双灵敏元结构，灵敏元尺寸为2×1mm，工作波长：

7～14μm，视场：139°×126°；选用的菲涅尔透镜为

7803矩形镜片，焦距为20 mm；方向角为89°；探测距离为7m。报警器电路部分包括:滤波电路、放大电路、窗口比较电路、时间延迟电路、报警电路。由于设计中采用了BISS0001红外传感信号处理器，其是CMOS数模混合结构的专用集成电路, 具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理，内部集成了高输入阻抗运算放大器、双向鉴幅器和延迟时间定时器，封锁时间定时器以及参考电压源等单元电路，可有效抑制干扰，性能稳定可靠，调节范围宽，与热释电红外传感器及少量外围元件配合就可以构成被动式红外报警器[2][6]。

由于热释电传感器主要对人体目标移动作出响应，根据人行走的频率计算出电流的频率响应最好在0.1～10Hz之间，因此，0.1～10Hz以外的频率信号需有效滤除[5]。因为小于0.1Hz的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,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。

热释电红外传感器由热释电元件、低噪声结型场效应晶体管(JFET)阻抗匹配器和滤波片组成。在选用前置放大器时，利用了BISS0001芯片内部的运算放大器。使用运算放大器时，应有足够高的输入阻抗，因为其等效输入噪声电流比一般集成运算放大器的等效输入噪声电流小2～3个数量级，以免前置放大器的等效输出噪声电压经过后面各级放大电路后，影响系统检测的灵敏度。同时考虑电路频率响应的最佳范围为0.1～10Hz之间，电路可采用如图3所示的有源带通放大电路。

第2期2012年4月　　　尚小燕 等：热释电红外报警系统设计

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其中分频点f3=1/2πR3C3作为低通高削分频点，用以滤掉10Hz以上的信号，分频点f1= 1/2πR1C1、用以滤掉f2= 1/2πR2C2作为高通低削分频点，

0.1Hz以下的信号，以达到提高系统灵敏度的目的。

外接电阻R两端输出传感信号。此传感信号相当微弱，将它送至信号处理器BISS0001(IC1)的IN+输入端（14脚），经二级放大、双向鉴幅、延时处理后，最终从BISS0001的输出端U（2脚）输出高电平延时脉冲信号。因为IC1的控制端A选定为不可重触发工作方式（1脚接地），所以输出脉冲信号的延迟时间Tx与重复触发无关，Tx完全由外接元件R1和C10的数值决定，即：Tx=49152R1C10≈22（s）；而触发封锁时间TI由IC1的5脚和6脚的外接元件R2、T=24R2C1≈0.3（s）。IC1（2脚）C1所决定，即：

输出的高电平脉冲信号经电阻R13接至三极管Q2的基极，Q2与发光二极管LED2及电阻R11组成射极跟随器，于是当有控制信号输出时LED2发光，否则不发光。Q2射极跟随器输出直接与模拟声音集成电路IC2的触发输入端相接。因此当IC1有控制信号输出时，将触发IC2工作，使IC2输出模拟警笛声

图3 热释电红外传感器等效电路及二级带通放大电路

的电信号，驱动扬声器发出约22s的警报声，然后自动停止，等待下一次触发。

报警器的原理电路如图4所示。当有人在传感器警戒范围内走动时，由人体辐射出红外线通过菲涅尔透镜聚焦后，在热释电红外传感器的内部敏感元件上引起温度变化而产生极化，从而在传感器的

3　系统测试实验

热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率

图4　报警器原理电路

（下转第79页）

第2期2012年4月　　　李正明 等：基于模拟退火算法的割草机器人的避障研究

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目标位置，证明了该算法在割草机器人避障路径规

划中的可行性，将此算法应用于其他机器人的避障路径规划也将具有指导意义。

参考文献

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算法[J].计算机工程与应用,2009,(31),245-248

图3　仿真结果Fig.3 Simulation results

从仿真结果可以得出：采用模拟退火算法较好地解决了传统人工势场局部最小问题，该算法简单、直观，计算量小，能够满足割草机器人可行性的要求，运用该方法不仅有效地克服了局部极小问题，并且能够在一定程度上优化路径，降低路径的复杂度。4　结束语

本文针对传统人工势场的局部极小问题，通过将填平势场与模拟退火算法相结合，对割草机器人进行路径规划。与近似算法相比，本文算法描述简单、使用灵活、运用广泛、运行高效并较少受初始条件约束。仿真结果表明机器人成功躲避障碍物到达

（上接第67页）

与安装的位置和方式有极大的关系。安装时应注意：(1)报警器应离地面2.0～2.2m。(2)报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。(3)报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。(4)报警器不要直对窗口,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外,报警器也不要安装在有强气

对电路进行调试：(1)首流活动的地方[3]。安装好后，

先让电路正常工作，把热释红外传感器放在一定的位置，使人体从远处逐渐靠近探测头，可测出警戒范围≤7m。(2) 当移动的人体通过报警器的探测区域时，报警器报警，而且人体移动的速度越快，报警的灵敏度越高。人体移动速度为≤0.1m/s (3)人体由垂直最小的距离往两边逐渐扩大距离，测出系统

有最大测量角度为80o。(4)当系统启动执行电路，

人经过时，系统可以产生声光报警。

系统，选用了新一代红外信号处理器BISS0001，其内部集成了高输入阻抗运算放大器、双向鉴幅器、延迟时间定时器等，利用了BISS0001芯片内部的二级放大电路，在其外部配以合适的电阻和电容组成了二级带通滤波放大电路，滤除了0.1～10Hz以外的频率信号，提高了系统的灵敏度。同时，加入语音芯片和LED，实现声光报警。通过系统测试实验，该系统工作情况稳定、抗干扰能力强、灵敏度高，安全可靠。

参考文献

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4　结论

基于热释电红外传感器的工作原理设计了报警