红外线报警器的仿真与制作

　　本文介绍一种红外线报警器设计制作过程，先用仿真软件NI Multisim11 进行电路的设仿真、分析等，然后再实际电路制作调试。这样可以降低设计成本，提高设计的成功率。

　　一、红外线报警器概述

　　红外线报警器主要由热释电人体红外传感器、放大滤波电路、双限比较器、基准电压、指示电路组成如图1 所示。该报警器制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。可监视几米到几十米范围内运动的人体，当有人在该范围内走动时，发出报警信号。

图1 红外线报警器电路组成框图

　　热释电人体红外线传感器主要有多种型号，但结构、外型和电参数大致相同，一般可互换使用。本设计采用上海产的SD02 型热释电人体红外传感器，该传感器由敏感元件、场效应管、阻抗变换器和滤光窗等构成，并在氮气环境下封装。内部结构及原理图如图2 所示。

图2 热释电人体红外线传感器原理图

　　热释电人体红外传感器的特点是，它只在由于外界的辐射而引起本身温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有信号输出。

　　所以，热释电信号与它本身的温度变化率成正比，即热释电传感器只对运动的人体敏感。

　　通常，敏感单元材料阻抗非常高，因此要用场效应管进行阻抗变换后才能实际使用。电路中高阻值电阻Rg 的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作；采用源极输出时，要外接源极电阻Rs，源极电压约为0.4 ～ l.0V。

　　制成敏感单元的PZT（ 锆钛酸铅） 是一种光谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片做窗口。滤光片使人体辐射的红外线强的波长正好落在滤光窗相应波长的中心处，所以滤光窗能有效地让人体所辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰。

　　为提高传感器的灵敏度，可在传感器前1 ～ 5cm处放置菲涅尔透镜，使探测距离从一般的2m 提高到10 至20m。在实验室试验时，可不加菲涅尔透镜。

　　在实际应用中，传感器往往需要预热，这是由传感器本身决定的。一般被动红外探测器需要一分钟左右的预热时间。

　　二、红外线报警器的仿真设计

　　在NI Multisim11 工作平台创建红外线报警器电路如图3 所示。电路创建说明如下：

图3 红外线报警器电路

　　（1）从模拟元件库调用LM324AJ 集成运算放大器；指示元件库调用红色和绿色的发光二极管（LED）；仪器库中调用四踪示波器及万用表。

　　（2）红外线报警器电路采用SD02 型热释电人体红外传感器，当人体进入该传感器的监视范围时，传感器就会产生一个交流电压（幅度约为lmV），该电压的频率与人体移动的速度有关。在正常行走速度下，其频率约为6Hz。所以图3 中，用幅值为1mV，频率为6Hz的正弦交流信号源V1 和开关J1 来代替红外传感器。

　　电路中，R3、C4、C3 构成退耦电路， R1 为传感器的负载，C2 为滤波电容，以滤掉高频干扰信号，传感器的输出信号加到运算放大器U1A 的同相输入端，U1A 构成同相比例放大电路，其电压放大倍数取决于R4 和R2，其大小为：

　　U1A 放大后的信号经电容C6 耦合至运算放大器U1B 的反相输入端，构成反相比例放大电路，电阻R6、R7 将U1B 同相端偏置于电源电压的一半。U1B 的电压放大倍数为：

　　因此， 传感器信号经两级运放后总共放大了Auf1×Auf2=112×（-42）=-4704 倍。

　　U1C 和U1D 构成双限幅电压比较器，U1C 的参考电位为：

　　U1D 的参考电位为：

　　另外，C7、C9 为退耦电容。C1、C3、C8 用于保证电路对高频信号有较强的衰减作用，对低频信号有较强的放大作用。

　　仿真测试及分析。创建好电路后可激活电路进行仿真，在菜单中执行“Simulate”/“Run”命令；也可启动窗口上的仿真开关或单击仿真按钮，即可进行仿真观察。

　　（1）当开关J1 断开时，表示传感器无信号输出，运放U1B 静态时，由于同相端电位为2.5V，其输出电平为XMM1=2.428V，由于XMM3 ＜ 2.428V ＜ XMM2，所以，运放U1C 和U1D 输出为-5.02V 低电平，故静态时，LED1 和LED2 均不发光。

　　（2）当开关J1 闭合，V1 信号源输出频率为6Hz，幅值为1mV 的正弦交流信号，表示人体进入监视范围，此时，双限比较器的输入发生变化，其输入输出波形如图4 所示。当运放U1B 输出为4.015V，因此，运放U1C 输出为3.771V 高电平，LED1 亮。当运放U1B输出为1.928V，故运放U1D 输出为3.796V 高电平，LED2 亮。说明当人体在监视范围内走动时，LED1 和LED2 交替闪烁。仿真结果与设计相符，如表1 所示。

表1 红外线报警器仿真结果

图4 双限比较器的输入和输出波形

　　三、红外线报警器的制作

　　实现上述设计的红外线报警器所需的元器件和材料清单见表2。

表2 元器件和材料清单

　　1. 自制印制电路板

　　用热转印法制作印制电路板，制作步骤：

　　（1）用Protel 或其他软件设计好印制电路板图，参考图如图5 所示。实际应用中传感器PY 的1 脚接电源+5V；PY 的2 脚接运算放大器的3 端，PY 的3 脚接地。

图5 PCB图

　　（2）用激光打印机将设计好的印制电路板图打印在转印纸上。

　　（3）用细砂纸擦干净敷铜板，磨平四周，将打印好的转印纸覆盖在敷铜板上，送入照片过塑机（ 调到180?C ～ 200℃ ） 来回压几次，使融化的墨粉完全吸附在敷铜板上。若敷铜板足够平整，可用电熨斗烫几次，也能实现图形的转移。

　　（4）敷铜板冷却后揭去转印纸，放到双氧水+ 盐酸+ 水（2:1:2）混合液或一份三氯化铁和两份水的比例配制成三氯化铁溶液中腐蚀后即可形成印刷电路板。

　　（5）腐蚀完后，对电路板进行钻孔和磨边处理，再用湿的细砂纸去掉表面的墨粉。

　　2. 安装与调试

　　（1） 元器件测试： 所有的元器件分别用万用表测试参数及辨别好坏。

　　（2） 元器件装配：插入集成芯片时要注意管脚位置，二极管、发光二极管、电解电容要注意极性。

　　（3） 焊接：焊接时间不要太长，以免把元件烫坏。避免虚焊、错焊，尽量使焊件排列整齐，焊点光洁、美观。

　　（4） 调试：

　　通电前，先仔细检查已焊好的电路板有无错漏。然后，用万用表的电阻挡检查电源的正负之间有无短路和开路现象，若不正常，应排除故障后再通电进行调试。

　　在实验室试验时，可不必加菲涅尔透镜，直接用SD02 检测人体运动。将传感器背对人体，用手臂在传感器前移动（注意传感器的预热时间），观察发光二极管的亮暗情况，即可知道电路的工作情况。

　　如电路不工作，在供电电压正常的前提下，可由前至后逐级测量各级输出端有无变化的电压信号，以判断电路及各级工作状态。在传感器无信号输出时，U1A 的静态输出电压为0.4 ～ 1V 之间，U1B 的静态输出电压为2.5V，U1C、U1D 静态输出均为低电平。若哪有问题，排除该级的故障。