热释电人体红外线传感器(电子技术课程设计及实训)

成绩：

课程设计与实训 报告书

所属课程名称 电子技术课程设计及实训

项

目 类 型 自动控制和检测电路

题 目 热释电人体红外线检测电路 分 院 机电学院 专 业、班 级 测控技术与仪器 B1003 学 号 ********** 学 生 姓 名 郑 飞 指 导 教 师 于洪泽

20 年 月 日

目 录

1 课 程 设 计 任 务 书 ---------------------------------- 1 2 项目类型设计 ----------------------------------------- 2 1.目前市场概况 --------------------------------------- 2 2.该电路设计的用途及实际应用情况 ---------------------- 2 3.该电路设计旨在解决的关键问题 ------------------------ 3 3原理设计 ----------------------------------------------- 4 1.电路图 --------------------------------------------- 4 2. 原理分析 ------------------------------------------ 4 3.主要元器件功能介绍 ---------------------------------- 5 4.估算安装调试检测点的电位 ---------------------------- 6 5. 所需元器件清单 ------------------------------------ 7 4布线设计 ----------------------------------------------- 8 1.布线设计见附录1 ------------------------------------ 8 2.实图如下 ------------------------------------------- 8 5安装调试及结果分析 ------------------------------------- 9 6总结 --------------------------------------------------- 9 7 参考文献 -------------------------------------------- 9

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辽东学院

1 课 程 设 计 任 务 书

课程设计与实训题目： 课程设计与实训时间：自 年 月 日起至 年 月 日。 课程设计与实训要求：

（1） 了解热释电人体红外线传感器的结构和原理。

（2） 熟悉热释电人体红外线传感器的应用。

学生签名： 年 月 日

课程设计与实训评阅意见

项目 课程设计态度评价 10% 出勤情况 评价 10% 综合评定（等级） 设计方案 评价 20% 安装调试 评价 40% 报告书写规范评价10% 口试 10% 成绩 评阅教师： 2012年 月 日 1

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2 项目类型设计

1.目前市场概况

随着半导体技术、计算机技术的发展，新型或具有特殊功能的传感器不断涌现，检测装置也向微型化、固体化、多功能化及智能化方向发展。应用领域越来越广，航空航天、海洋工程、工农业生产、军事、人类生活等。自动控制和检测电路主要用于需要进行性能测试，检测、数据处理、以及结果显示等场合。也就是通过计算机与集成检测电路的相结合做成各式各样的检测仪器。然而进入21世纪，我国制造业的高速发展，拉动了对自动化仪表与控制系统的需求，我国新上的大型项目所用自动化仪表和控制系统的先进程度已经处于世界领先水平。当前传统制造业在发达国家已经过了辉煌期，与之配套的自动化仪表自然就增长缓慢。自动化仪表发展的热点在新兴市场的价格问题从两个方面夹击仪表制造商，一是新兴市场的用户对产品价格敏感度很高；二是在那里往往可以找非常便宜的替代品，这样就难以激发跨国企业花大成本研制新型仪表。

近10年自动化仪表技术发展的重要领域——现场总线技术的发展虽然取得了显著成就，但是在应用方面大体上还处在替代模拟传输线的阶段。实际上现场总线不仅仅是信号制式的改变，它是为控制技术的信息化提供基础的。用户对系统底层信息化（控制、诊断、管理）改造的需求是现场总线技术推广的原始动力。近些年来现场总线在设备资产管理、预测诊断和平稳操作等方面的潜力开始被挖掘出来，显现了极富发展前景的势头。 2.该电路设计的用途及实际应用情况

现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、信息论、控制论、测量技术、传感技术等学科发展的产物，是这些学科在解决系统、设备、部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物。凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可以采用自动检测技术，它既适用于电系统也适用于非电系统。电子设备的自动检测与机械设备的自动检测在基本原理上是一样的，均采用计算机/微处理器作控制器通过测试软件完成对性能数据的采集、变换、处理、显示/告警等操作程序，而达到对系统性能的测试和故障诊断的目的。

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未来自动检测电路系统的发展趋势，在军用领域，就是采用开放的商业标准，大幅度减少测试系统软、硬件的开发、升级的费用，实现自动测试系统的互操作，满足武器维护的灵活性，实现各军种间、不同维护级别间自动测试系统的通用，最大限度地发挥测试系统的能力。民用领域， PC机的广泛应用给自动检测系统领域带来了革命性的变化，利用计算机丰富的软硬件资源可以有效地突破传统测试技术在数据信号处理、显示、传送、存储、打印等方面的局限。现代检测技术不仅要求仪器能单独测量某个量，而且更希望它们之间能够互相通信，实现信息共享，从而对被测的各系统进行综合分析、评估，得出准确判断。

3.该电路设计旨在解决的关键问题

(一) (二) (三) (四)

研究获取有关被测对象未知信息的方法和装置。

研究检测中的信息出来（如信号放大、滤波等）与变换的方法。 研究检测问题中的信号传输、接收、储存、显示的方法与技术。 研究自动检测系统的设计与集成方法。

通过该电路设计出各种各样的检测仪器，从而解决一些就靠人力本身无法解决的各式各样的实际生活问题。主要是服务于人类本身。

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3原理设计

1.电路图

图2-21-0

2. 原理分析

早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射的原理。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10μm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正

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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了。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ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。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ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=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ΔT，则有ΔT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 3.主要元器件功能介绍

热释电红外(PIR)传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu公司的P2288，日本Nippon Ceramic公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型

号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同， 图1 传感器实物图 大部分可以彼此互换使用。 热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图1所示。对不同的传感器来说，探测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。将这些材料做成很薄的薄片，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。 图2 双探测元热释电红外传感器

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因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两 个电容是极性相反串联的。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，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，照射到两个电容上的红外线光能，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。

当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。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。

滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。人体的正常体温为36~37.5℃，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。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。

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。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104MΩ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。

对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低(一般为0.1~10Hz)，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5~15um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。 4.估算安装调试检测点的电位

通过图2-21-0可知是使用SD02型热释电人体红外传感器组成的放大检测电路。电路中使用LM324四运放分别构成IC1、IC2两级高倍放大器，对SD02检测到的信号进行放大。IC3、IC4构成窗口比较器，当IC2电压幅度在UA到UB之间时，IC3、IC4输出低电平；当IC2输出电压大于UA时，IC3输出高电平；当IC2输出电压小于UB时，IC4输出高电平，经VD1、VD2隔离后分别输出，以控制后续报警及控制电路。R11用于设定窗口的阈值电平，调节R11可调节检测器的灵敏度。当有人在热释电检测电路的有效范围内走动时，将引起LED1和LED2交替闪烁。

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电路中，运放LM324无论是作放大器还是比较器，都采用了单电源。在传感器无信号时，IC1的静态输出电压为0.4~1.0V左右；IC2在静态时，由于同相端电位为2.5V，故直流输出电平为2.5V；而两个比较器IC3和IC4的基准电位则由电阻R10、R11和R12的大小确定。

VA﹦(R11＋R12)×5／(R10＋R11＋R12)﹦2.97V VB﹦R12×5／(R10＋R11＋R12) ﹦2.03V 5. 所需元器件清单

符号 IC PY R1 R5 R6 R7 R9 R10 R12 R2 R3 R4 R8 R11 R13 R14 C1 C4 C8 C2 C3 C5 C6 C7 C9 LED1 LED2

元器件名 四运放 传感器 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 红绿发光管 规格 LM324 SD-452E 47K 18K 2M 22K 200 0.1µF/63V 1000PF 10µF/16V Φ3-5

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4布线设计

1.布线设计见附录1 2.实图如下

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5安装调试及结果分析

按照布线设计图安装焊接好后进行了调试，其结果不如人意。出现结果是刚接电时红绿灯闪烁后红灯一直亮着，预热后用手感应传感器时绿灯不会亮，红灯一直亮。经过对照布线图和电路图排查发现有电容、电阻连线焊接错误。经改正后，正常工作。

6总结

回顾起此次课程设计，我感慨良多。从理论到实践可以说苦多于甜。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了好多天的奋战，紧张而又充实的课程设计终于落下了帷幕。

几周设计对热释人体红外线传感器的设计，大大提升了自己的能力，对自己知识面的扩展都有了很大的提高，我也深深的体会到，实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。我也将许多遗忘的知识又给温习了。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。

在不断的修改及创新终于看到了自己的劳动成果，真不愧是“梅花香自苦寒来”。当然由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的进一步设计过程中不断完善。

7 参考文献

[1]吴中俊，黄永红. 可编程序控制器原理及应用（第2版） 机械工业出版社，2005

[2]邓兴钟等. 机电传动控制（第四版） 华中科技大学出版社，2007

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