3.5 热释电红外传感器电路设计
3.5.1 热释电红外线原理和特性
热释电红外线传感器发展于80年代，是一种新型高灵敏度探测元件，它能在检测到人体发射的红外线后输出相应强度的电信号，市场中常利用热释电红外传感器组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。热释电红外传感器以非接触形式检测出人体辐射出的红外线，产生电量的变化，转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大就可以驱动各种控制电路。
热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，它是由高热点系数材料制成的探测元件，在探测器内部装两个探测元件，将这两个探测元件反相串联起来，从而抑制元件自身温度升高产生的干扰。由于热电器件输出的信号一般为电荷信号，不能直接被其他器件所接受或使用，因而热释电红外传感器中装入了一个场效应管，利用场效应管实现阻抗变换，使其最终输出为电压信号。
人体辐射的红外线中心波长约在9μm～10μm左右，而通常的红外探测元件的波长灵敏度在0.2μm～20μm范围内，所以需要在传感器顶端开设一个装有菲涅尔系列滤光镜片的窗口，经过滤光片滤光后，探测元件能够接收的辐射波长约在7μm～10μm的范围内，滤光片将其它的波长的红外线予以吸收，装有菲涅尔滤光片的热释电红外探测元件就刚好适合人体红外辐射的探测，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外探头，一旦有人侵入检测区域，人体的红外辐射通过滤光片滤波并聚焦，被热释电红外探头接受，误判率很低。由于两片热释电元接收到的热量不同，电信号是不能被抵消的，信号经处理后可以输出适当强度的电压信号。
3.5.2 热释电红外传感器RE200B的简介
本设计选用的RE200B是一款热释电红外传感器，这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷，随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号，同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。图3.7为热释电传感器RE200B的实物图。
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图3.6 热释电红外线传感器RE200B实物图 和大多热释电红外传感器一样，RE200B对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此我们看到的RE200B的封装中有一个像玻璃似的小窗，这就是加了一块菲涅尔系列滤光镜片。通过这个菲涅尔系列滤光镜片可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，加菲涅尔系列滤光镜片后，RE200B一般接收波长3在7μm～10μm，因此只接受接近人体辐射的红外线波长的辐射。 表3.5中列出了热释电红外传感器RE200B的主要特性和部分技术参数，参照这些参数可利用RE200B设计相应的红外防盗电路。 表3.1 RE200B的主要特性和部分技术参数 封装 TO-5式封装 工作电压 0.2V～1.0V（Rs=47kΩ） 电源电压 0.3V～1.5V（VD=5V，Rs=47kΩ） 输出信号 探测视角 MIN 2.5 Vp-p（TYP 4.0 Vp-p） 水平方向张角138° 垂直方向张角125° 43.5.3 热释电红外传感器电路的设计 基于RE200B热释电红外传感器的传感器电路如图3.7所示，参照图3.7对电路进行连接。 0.1UF0.01UFC6C7VRFRST+R247KC247UF9VC10IB11VDD2OUT12132IN1IN+141IN-151OUT168VSS7RR26RC25RC14RR13R7R85101KR65.1K5RW1C150K0.01UF47KR1R31MR41MC40.01UFGND3OUT2VCC110UFC3RW210KP5.4+VO2A1热释电传感器1235V图3.7 热释电红外传感器电路图 15 6R52MC50.01UF5VBCD
日常生活中对射式红外传感器也常用来进行防盗监控的设计。对射式红外传感器是利用当有障碍物阻断红外发射头发送至红外接受头的红外线，从而红外接受头接收不到红外时输出电平改变，通过识别这个电平的变化来设计防盗系统。而本设计是利用热释电红外传感器RE200B进行防盗电路设计，来检测区域是否有人闯入的参数的，我们之所以选择热释电红外传感器，而不选用对射式红外传感器来设计防盗监控，是因为，对射式传感器只要任意一种障碍物阻断红外线的发送路径，就会产生电平的变化，相反采用热释电红外传感器，利用人体自身波长的特性，加上菲涅尔系列滤光镜片进行滤光，就能基本准确的判断是否是人闯入，动物等其它物体闯入时产生的电平和检测到人时的电平存在着区别，误判率比较小。
图3.7中热释电红外传感器的一端串联一个电阻再接到电源上，端口还通过连接一个电容接到地线，这样便构成一个降低射频干扰的电路。一端接地，端口接负载电阻再接地。热释电红外线传感器输出电信号的幅度和频率主要取决于人体的温度、探测背景、人与传感器的距离、人的移动速度和光学透镜系统的焦距等。传感器输出通过阻容耦合后连到低噪声运放LM324，构成带通滤波和第一级放大电路的反向输入端。再由电阻、电容耦合到第二级放大器的反相输入端，进行进一步滤波和放大。滤波的上限截止频率为：
f1=
滤波的下限截止频率为：
f2=
12πR5C3=15.9Hz （3-1）
12πR2C2=0.07Hz （3-2）
电路增益与频率是密切相关的，当输入信号频率为1Hz时，第一级放大增益约为：
Au1=
第二级放大增益为：
Au2=
R9?R10R6R5R3 （3-3）
（3-4）
根据式（3-1）和式（3-2）计算得滤波后允许通过信号的带宽为15.83Hz。根据式（3-3）和式（3-4）计算得放大后信号的总增益约为66dB。经过放大后的信
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号连接到LM339的反相输入端，设置参考电压为3.8V，当被放大后的的输出信号大于3.8V时，比较器LM339输出电压为高点平，此时便表示电路检测到有人的移动。
3.6烟雾检测模块
3.6.1 烟雾传感器NIS-09C的介绍
本设计选用的烟雾传感器是NIS-09C烟雾传感器，这是一款离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司设计的新型烟雾传感器。NIS-09C离子式传感器的工作方式及部分重要指标参数如下：
检测方式： 离子式； 放射源： 镅241； 电源电压范围： 6.0V～18.0V； 温度： -40℃～+50℃； 典型电源电压： 9V； 输出电压： 5.6V±0.4V； 电流损耗： 27pA±3pA； 灵敏度： 0.6V±0.1V。 要利用此传感器设计良好的烟雾传感器电路还需要了解部分NIS-09C烟雾传感器的其它特性参数，下面将进行介绍。
NIS-09C的灵敏度特性在表3.1中有所标识，该表是根据UL217标准制定的（风速条件是0.1m/s）。
表3.2 NIS-09C灵敏度特性
烟雾浓度（%） 输出电压（V） 误差（ΔV） 0 5.6±0.4 0 1 5.3±0.5 0.3±0.1 2 3 4 5 5.0±0.5 4.7±0.5 4.4±0.5 4.2±0.5 0.6±0.1 0.9±0.2 1.2±0.2 1.4±0.2 NIS-09C的电源电压特性在表3.3中有所标识。
表3.3 NIS-09C电源电压特性（温度：25℃；湿度：60%RH）
电源电压（V） 输出电压（V） 6 9 12 15 18 3.3±0.3 5.6±0.4 8.0±0.7 10.0±0.85 13.0±1.0 NIS-09C的温度特性在表3.4中有所标识。
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表3.4 NIS-09C温度特性（湿度：60%）
温度℃ 0 25 50 输出（V） 5.15±0.4 5.6±0.4 5.85±0.4
NIS-09C的湿度特性在表3.5中有所标识。
表3.5 湿度特性（温度：25℃）
23湿度（%C） 输出（V） 30 60 90 5.75±0.5 5.6±0.4 5.45±0.4 456 NIS-09C的实物图如图3.8所示。 NIS-09 图3.8 NIS-09C的实物图 3.6.2 烟雾传感器电路设计方案 烟雾传感器电路是对所监控区域环境中的烟雾浓度信息进行采集，通过合理的方法将采集到放大调理和模数转换后才送单片机读取。参照上一节中对NIS-09C离子式烟雾传感器进行的详尽阐述，利用NIS-09C烟雾传感器的参数信息对烟雾传感器电路进行设计。 基于NIS-09C传感器的烟雾传感器电路图如图3.9所示。 R2576KICIICITRTRCVCVR1C?909KRRTHQQR4P2.6 49.9KR31KNIS-09CDDCCTitle 23GNDNIS-09C电路图SizeBDate:File:NumberRevisio19-Jun-2014Sheet of C:\\Users\\lx\\Desktop\\asd\\智能宿舍电路图D.drawdbn By:618 45