通信電纜紅外防盜系統(tǒng)設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)</p><p><b>　　（二零 屆）</b></p><p>　　通信電纜紅外防盜系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p>

2、;<p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本

3、課題介紹了一種用新型光電防盜報警系統(tǒng)來制作通信電纜防盜器?，F(xiàn)代電子信息技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)為智能報警系統(tǒng)的研究提供了強有力的技術(shù)支持。雙探測技術(shù)是兩種探測技術(shù)相結(jié)合起來，以“相與”的關(guān)系來觸發(fā)報警。當紅外線傳感器感應(yīng)到入侵者的紅外熱輻射(人體體溫)時，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，該信號經(jīng)過電路放大處理后輸出。超聲波探測傳感器測量報警器和入侵者之間的距離，再經(jīng)過系統(tǒng)分析判斷，若兩信號同時達到與門，智能報警系統(tǒng)產(chǎn)生報警聲音。</p>

4、;<p>　　通信電纜報警系統(tǒng)具有良好的隱蔽性，不管白天黑夜都能夠全天候工作而且該系統(tǒng)有著非常強的抗干擾能力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：通信電纜 紅外傳感器 超聲波探測器</p><p>　　The design of communication cable infrared alarm system</p><p><b>　　Ab

5、stract</b></p><p>　　This paper introduces a method how to do a guard against theft and alarm system of communication cable , using a new photoelectric security alarming system . The rapid development o

6、f modern communication technology and electronic information provides strong technical support for the research of intelligent alarming system . Double detecting technology integrates the two detecting technology with t

7、he relation of "together" to trigger the alarming system . The infrared radiation (human body tempe</p><p>　　The alarm system of communication cable has fine conceal, may be used for day and dark,

8、 and anti-interference ability is strong .</p><p>　　Keywords: communication cable the infrared sensor Ultrasonic detection sensor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　

9、摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2防盜報警系統(tǒng)的發(fā)展狀況2</p><p>　　1.3 課題研究的主要

10、內(nèi)容和意義3</p><p>　　2課題方案的設(shè)計和總設(shè)計4</p><p>　　2.1課題方案設(shè)計4</p><p><b>　　2.2方案評價5</b></p><p>　　2.3課題總體設(shè)計方案5</p><p>　　3通信電纜紅外防盜報警器原理與設(shè)計7</p>&

11、lt;p>　　3.1熱釋電紅外探測原理與器件7</p><p>　　3.1.1熱釋電效應(yīng).............................................................................................7</p><p>　　3.1.2 熱釋電光敏器件的結(jié)構(gòu)...........................

12、.............................................9</p><p>　　3.1.3 多視場菲涅爾光學鏡..........................................................................10</p><p>　　3.2 超聲波探測原理及活動目標的探測方法................

13、...................................12</p><p>　　3.3硬件電路設(shè)計................................................................................................12</p><p>　　3.3.1熱釋電紅外探測電路的設(shè)計.............

14、..................................................13</p><p>　　3.3.2 超聲波探測電路的設(shè)計......................................................................14</p><p>　　3.3.3聲光報警系統(tǒng)和振動電路的設(shè)計...............

15、........................................16</p><p>　　3.3.4 電源電路的設(shè)計..................................................................................17</p><p>　　3.3.5 AVR最小系統(tǒng)......................

16、.................................................................18</p><p>　　3.4軟件設(shè)計主要工作模塊流程........................................................................18</p><p>　　4防盜報警系統(tǒng)性能的實驗檢測....

17、...........................................................................21</p><p>　　4.1熱釋電紅外探測器件性能的檢測................................................................21</p><p>　　4.2通信電纜防盜報警器測試

18、........................................................................... 25</p><p><b>　　結(jié)論26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　致謝28</b>

19、;</p><p><b>　　附錄29</b></p><p>　　附錄圖1 實物圖29</p><p>　　附錄圖2 原理圖..................................................................................................30</p&

20、gt;<p>　　附錄3 程序代碼..............................................................................................31</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></

21、p><p>　　二十一世紀是信息時代，它象征著人類時代的跨越。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮著越來越重要的作用，互聯(lián)網(wǎng)正以其前所未有的速度改變著人們的學習和工作方式，給人類經(jīng)濟和社會生活帶來了深刻的影響。但由于目前有色金屬價格的日益高漲，受經(jīng)濟利益驅(qū)動，犯罪分子對電信和網(wǎng)通等龐大戶外通信線纜瘋狂盜割，獲取電纜中的銅材，這給通信公司造成巨大損失，而且破壞了當?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)，給用戶也帶來了不可估量的損失。然而在

22、現(xiàn)代化技術(shù)高速發(fā)展的今天，犯罪更趨向于智能化，手段更隱蔽[1]。因此設(shè)計一款高科技報警器在所難免，如今采用以電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)三技術(shù)融合在一起的防盜報警系統(tǒng)為通信電纜穿上了“保護衣”。</p><p>　　隨著人們對傳感器技術(shù)不斷深入研究，紅外探測技術(shù)逐漸滲透到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)之中。在安全防范領(lǐng)域，應(yīng)用紅外探測技術(shù)的紅外入侵報警器又稱紅外防盜報警器，作為一門新的技術(shù)，它以其實惠的價格、高靈敏度等特

23、點，廣受人們的喜愛和歡迎。紅外入侵報警器按照探測手段的不同可分為被動式、主動式和多技術(shù)復(fù)合入侵報警器[2] 。</p><p>　　利用紅外光敏器件的被動式紅外傳感器是把從生物體上采集到的微量紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號，再經(jīng)過放大處理來控制被監(jiān)控對象。它能將運動的生物體和飄落的物體進行區(qū)分。同時，它還具有誤報率低、隱蔽性好、抗干擾性強和監(jiān)控范圍大等優(yōu)點。</p><p>　　被動式紅外報警器使用

24、了熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器的工作原理是通過以非接觸形式檢測出人體的熱輻射，同時將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?yīng)的電信號，于此同時，它還擁有鑒別出非生物與活動的生物。 熱釋電紅外傳感器是以探測人體輻射為目標，所以要求熱釋電元件對波長在8-12 um范圍內(nèi)的紅外線特別的敏感。在熱釋電元件的前面通常安裝有特殊的菲涅爾透鏡系統(tǒng)，可以明顯地控制環(huán)境因素的干擾。熱釋電紅外傳感器擁有兩個相互并聯(lián)或串聯(lián)的熱釋電敏感元，兩個敏感元的電極化方向恰恰相反[3]

25、。兩個熱釋元件在環(huán)境背景紅外熱輻射下幾乎具有相同的作用，產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)也可以相互抵消，探測器也就沒有輸出信號。如果入侵者一旦闖入探測區(qū)域，部分鏡面就會聚焦人體的紅外熱輻射，同時也被熱釋電元采集。但由于采集到的熱量不同，兩片熱釋電元產(chǎn)生熱釋電也不相等，不能互相抵消，再經(jīng)過信號放大處理而報警。按性能要求的不同，菲涅爾透鏡系統(tǒng)可以產(chǎn)生不同的感應(yīng)距離(焦距)，從而適合不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密[4]。</p><p

26、>　　將被動式紅外傳感技術(shù)應(yīng)用到通信電纜防盜中，可以為通信公司大大降低損失。</p><p>　　1.2防盜報警系統(tǒng)的發(fā)展狀況</p><p>　　現(xiàn)如今人們在高科技方面爭奪的一個制高點就是傳感器技術(shù)。尤其20世紀80年代以來，各各國家都將傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用視為現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵。以美國為首的西方國家都把傳感器技術(shù)列為國防技術(shù)和國家科技發(fā)展的重點，而日本更是將傳感器技術(shù)作為國家

27、優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)。因此基于傳感器技術(shù)的智能防盜盜報警系統(tǒng)也得到了高速的發(fā)展。</p><p>　　人們最早應(yīng)用地不可見光束入侵物探測器是由發(fā)射機將一個編碼信號饋送到一只IR LED中。LED將輸出聚焦成一束很窄的光束，并使其對準按置在遠處的接收機中地一只匹配的IR光敏探測器。整個系統(tǒng)的工作流程:當光束打在接收機上時，接收機的輸出就處于關(guān)閉狀態(tài)，但是如果人、動物或其它物體把光束遮蔽時，接收機就會產(chǎn)生觸發(fā)信號，開啟外部

28、繼電器、報警器或者計數(shù)器。該探測器正是應(yīng)用了針尖視線的工作原理，只要是大于光束直徑的物體落于發(fā)射機與接收機透鏡之間的直線上 ，系統(tǒng)就會被觸發(fā)。這種簡單的系統(tǒng)存在一個非常大的弱點，要是一只飛蛾或者蒼蠅之類的小昆蟲不經(jīng)意飛過光束或者落于某一個透鏡上，就會觸發(fā)報警。因此，這種系統(tǒng)的誤報率非常高，后來采用了多光束系統(tǒng)，再后來被動式紅外傳感器技術(shù)被應(yīng)用于入侵報警器，它利使用紅外光敏器件采集移動生物體所發(fā)出的微量紅外熱輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號，通過進

29、一步放大處理，將信號傳到報警模塊上，它能有效的區(qū)別移動的活物體(人)和飄落的東西。同時，它還擁有誤報率低，隱蔽性好，監(jiān)控區(qū)域大，和抗干擾能力強等特點[5]。</p><p>　　有關(guān)紅外技術(shù)，1800年英國物理學家F·W·赫胥爾從熱學角度來研究各種色光時，發(fā)現(xiàn)了紅外線。開始了人類歷史上紅外技術(shù)的研究，使得紅外線技術(shù)不斷發(fā)展成熟起來。紅外線的波長在0.76-100 um之間，它處于可見光和無線電

30、波之間的范圍區(qū)域，它按波長范圍可分為極遠紅外、遠紅外、中紅外、近紅外四類。</p><p>　　紅外光譜儀是紅外線技術(shù)最初發(fā)展應(yīng)用的產(chǎn)物，人們對于紅外探測材料技術(shù)的不斷研究深入，紅外傳感技術(shù)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如對交通管理、防盜報警，分子機構(gòu)的判定、野外環(huán)境的監(jiān)測、石油開采、礦產(chǎn)資源的勘探和分析、醫(yī)療保健等。其方法和原理日益成熟，各類紅外產(chǎn)品層出不窮，儀器的精度也越來越高。早在19世紀，人們就就發(fā)明了紅外

31、探測器，在一戰(zhàn)期間就有國家把紅外探測器技術(shù)應(yīng)用到軍事行動中，但是直到上個世紀三、四十年代人們發(fā)明了PbS探測器以后，這門技術(shù)才真進步入人們的視野并被廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著技術(shù)研究的不斷深入，三個大氣窗口（1-3 um，3-5 um和8-12 um）很快就被探測器的響應(yīng)波段覆蓋。除此之外，紅外技術(shù)隨著不斷深入研究，紅外傳感器材料質(zhì)量的不斷改善，使其性能也得到了大幅度的增強。早在上世紀五十年代我國就已經(jīng)開始了PBS紅外探測器材料的研究，通過

32、多年努力，研制成功了很過紅外探測產(chǎn)品，而且種類繁多，性能已逐步接近國外先進的研究水平[6]。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容和意義</p><p>　　紅外探測技術(shù)已成為高新技術(shù)的重要組成部分，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于紅外線是不可見光，具有很強的保密性和隱蔽性，而且又有很強的抗干擾能力，因此非常適合用來制作防盜報警系統(tǒng)。本設(shè)計的目的是通過對現(xiàn)有防盜報警裝置優(yōu)缺點的研究，

33、進行改進和優(yōu)化，同時研制出一種新型的適合于通信電纜防盜的紅外報警系統(tǒng)。</p><p>　　在查閱了一些國內(nèi)的參考文獻之后，確定了基于熱釋電紅外—超聲波雙探測技術(shù)的通信電纜防盜報警系統(tǒng)的可行性，設(shè)計研制了熱釋電紅外－超聲波雙探測技術(shù)的通信電纜防盜報警系統(tǒng)，雙探測技術(shù)是將兩種探測技術(shù)結(jié)合在一起，以“相與”的關(guān)系來觸發(fā)報警。此紅外報警系統(tǒng)安裝在通信電纜附近，讓熱釋電紅外探測器探測環(huán)境中的紅外射線，當檢測到入侵者自身發(fā)

34、出的熱量時，觸發(fā)超聲波探測系統(tǒng)，根據(jù)探測到入侵者的距離大小，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信息。同時，該系統(tǒng)還具有自我保護功能，當防盜器受到外力作用時，報警器同樣會發(fā)出報警信息，并且能夠自動或手動取消報警。</p><p>　　本課題通過對通信電纜紅外線報警器系統(tǒng)的設(shè)計與分析，用集成運放、紅外傳感器、超聲波和水銀開關(guān)等器件設(shè)計電路，可監(jiān)視幾米內(nèi)運動的人體，當有人試圖在探測區(qū)域內(nèi)活動時系統(tǒng)并發(fā)出報警信號。使用Altium Des

35、inger 軟件畫原理圖以及制作電路板，制作實物并調(diào)試、展示功能。</p><p>　　為了滿足系統(tǒng)的要求，本課題需要達到的技術(shù)指標：</p><p>　　靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式,可以使用干電池供電。</p><p>　　紅外感應(yīng)距離能夠達到7m。</p><p>　　通過超聲波傳感器對人體行為進行探測，能夠探測到1.5m范圍內(nèi)

36、的物體。 </p><p>　　當通信電纜紅外防盜器受到外力作用時會產(chǎn)生報警。</p><p>　　2課題方案的設(shè)計和總設(shè)計 </p><p>　　2.1課題方案設(shè)計 </p><p>　?。?）超聲波微波探測報警系統(tǒng)</p><p>　　超聲波/微波式傳感器用于防盜報警效果非常好。微波系統(tǒng)由發(fā)射電路和接

37、收電路構(gòu)成。系統(tǒng)發(fā)射出聲波使其覆蓋整個探測區(qū)內(nèi)。當接收電路收到的反射頻率恰好等于系統(tǒng)發(fā)射電路發(fā)射出的發(fā)射頻率時，不觸發(fā)報警。一旦探測區(qū)域里由于物體移動造成接收機接收到的頻率與原來發(fā)射的聲波頻率有差別，傳感器將檢測出該頻率的波動，通過將信號放大來觸發(fā)報警信號。</p><p>　　人們可以采用同一個控制裝置控制一臺或多臺探測器，它能有效覆蓋封閉區(qū)域。這種探測技術(shù)一般適用于室內(nèi)。但它有一個特點和中斷光束的探測器相似，

38、都是無法用肉眼看到現(xiàn)場防護。</p><p>　　（2）主動紅外探測報警系統(tǒng)</p><p>　　主動紅外探測報警系統(tǒng)是一種利用系統(tǒng)的發(fā)射端口發(fā)射紅外線，接收端口接收到信號，經(jīng)信號處理后，發(fā)出報警信號，這樣就成為了一個報警回路。它有三個部分非常重要。最重要的部分是紅外發(fā)射管，由于主動紅外探測的防護區(qū)域一般都比較遠，所以對于紅外發(fā)射管的發(fā)射功率要求很高；第二部分是探測外罩部分，一般大部分主動

39、紅外探測器要在戶外工作，自然光和其他光線如閃電等都會影響它的正常工作，造成報警器誤報，因此一般要在探測器前面安裝一個濾除紅外干擾的透鏡以降低錯報和漏報現(xiàn)象；剩下一個重要部分是發(fā)射端和接收端的鏡片。該類鏡片具有兩種功能，一種是過濾功能，過濾掉紅外干擾，另一種是聚焦功能，在發(fā)射端口產(chǎn)生的紅外線經(jīng)聚焦作用后，平行射出，接收端的鏡片再經(jīng)過相反過程采集二極管上的紅外信號，因此能夠大大提高了發(fā)射效率，增加探測距離。當然為了防止探測器遭到破壞，在每個

40、探測器上往往都加裝有防震開關(guān)，探測器一旦受到外力震動，就會產(chǎn)生報警信號。</p><p>　　主動紅外探測技術(shù)一般用于需要防范的空間區(qū)域，如草坪、圍墻等，其使用安裝靈活，可以與其他探測器組合使用，安全、可靠、經(jīng)濟性好，為當今民用周界防范的主要選擇產(chǎn)品。缺點是對安裝環(huán)境要求比較嚴格，要求防護環(huán)境為水平、無遮擋[8，9]。</p><p>　?。?）被動紅外探測報警系統(tǒng)</p>

41、<p>　　被動式紅外探測報警系統(tǒng)是使用探測器將活動物體身上的微量紅外輻射轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的電信號，通過一些列的信號處理，實施控制被測對象。它能非常有效地區(qū)別有生命的物體和飄落下來的物體。除此之外，低成本，低誤報率、極強抗干擾能力、大面積探測以及良好隱蔽性能都是它的優(yōu)點。</p><p><b>　　2.2方案評價</b></p><p>　　目前國內(nèi)使用的各類

42、防盜報警器基本都是以超聲波、微波以及主動式紅外發(fā)射／接收等技術(shù)為基礎(chǔ)。 相比與被動式紅外探測器，主動式紅外探測器對一定區(qū)域內(nèi)的防護是非常有效的，它具有靈敏度高，對氣候與氣象變化有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點，適合與室外或某些特殊警戒使用。但其缺點是視場角小，警戒區(qū)狹窄，安裝比較復(fù)雜，價格稍貴。超聲波系統(tǒng)由發(fā)射機、電子放大器和控制裝置組成。將一臺超聲波發(fā)射機和接收機組合在一起就可以構(gòu)成一種簡單的入侵物探測器或報警系統(tǒng)。</p>&l

43、t;p>　　上述三種入侵防盜報警器都是利用一種傳感或探測方式，即單探測技術(shù)進行報警的。雖然他有著結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的優(yōu)點，但由于易受各種因素的影響，如環(huán)境溫度變化、震動、電磁干擾、光強變化、小動物活動等的影響，在某些情況下的誤報，漏報率會相當高，因此采用多種探測技術(shù)能夠較好的解決誤報率高這一難題。多技術(shù)復(fù)合報警器是將兩種或兩種以上的探測技術(shù)結(jié)合在一起，以“相與”的關(guān)系來觸發(fā)報警裝置，即只有當兩種或兩種以上探測器，同時或相繼在短暫時

44、間內(nèi)都探測到入侵目標時，才產(chǎn)生報警信號。采用兩種探測技術(shù)復(fù)合在一起，可以使誤報率大大降低[8]。</p><p>　　雙鑒探測器工作時紅外和超聲波兩種信號同時處于高電平時，自動報警器才會產(chǎn)生盜情報警信號，否則不報警。在紅外傳感器中，通過菲尼爾透鏡的分割方式可以降低由于小動物引起的誤報，從而彌補了超聲波的弱點；但紅外傳感器對于環(huán)境溫度的變化非常敏感，超聲波對于環(huán)境溫度變化影響不是太大，如果只是環(huán)境溫度變化引起的干擾

45、，報警器并不會自動報警。通過兩種探測器弱點相互“互補”就進一步減小了外界的干擾，大大提高了通信電纜防盜器防盜的效率</p><p>　　2.3課題總方案設(shè)計</p><p>　　防盜報警器種類繁多，但是任何一種報警器都由以下幾種部分組成：傳感器部分、警報產(chǎn)生部分、控制部分、聲光報叫部分和電源部分。按照各部分技術(shù)指標的不同，配置可簡單可復(fù)雜，可大可小，應(yīng)根據(jù)用途場合分別設(shè)計和配置。</

46、p><p>　　根據(jù)要求，本課題是基于單片機的通信電纜紅外報警系統(tǒng)。此紅外報警系統(tǒng)安裝在通信電纜附近。讓熱釋電紅外探測器探測環(huán)境中的紅外射線，當檢測到入侵者自身發(fā)出的熱量時，觸發(fā)超聲波系統(tǒng)，根據(jù)探測到入侵者的距離大小，自動發(fā)出報警信息。同時，該系統(tǒng)還具有自我保護功能，當防盜器受到外力作用時，報警器同樣也會發(fā)出報警信息，并且能夠自動或手動取消報警。</p><p>　　通信電纜防盜器由熱釋電紅外

47、探測電路、超聲波探測電路、振動感應(yīng)電路、聲光報警電路、復(fù)位電路以及電源電路共六大部電路組成。</p><p>　　通信電纜防盜器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 通信電纜防盜器總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3 通信電纜防盜報警器的原理與設(shè)計 </p><p>　　3.1熱釋電紅外探測原理與器件</p>

48、<p>　　紅外光線的特性容易受到許多非電量的影響和改變，通過使用紅外光敏器件采集紅外光，并通經(jīng)過放大處理就可以確定待測非電量。從這種意義上講，紅外光線可以作為測量多種非電量的一種媒體。把紅外光線作為測量媒介，相比用可見光做媒介體具有以下優(yōu)點[8]：</p><p>　　(1)任何高于絕對溫度的物體都會發(fā)出電磁輻射——紅外線，因此不必另備光源；</p><p>　　(2)大氣

49、對某特定波長范圍的紅外光線吸收很少；</p><p>　　(3)紅外光線不會受到周圍可見光的干擾，因此可在同樣條件下實行晝夜測量。</p><p>　　紅外光敏器件按工作原理分類可大體分為量子型和熱型兩大類。</p><p>　　量子型又可分為肖特基勢壘式、光磁電式、光電導式和光生伏特效應(yīng)式等。</p><p>　　量子型紅外線傳感器的特點是

50、響應(yīng)速度快，響應(yīng)的靈敏度跟波長有關(guān)，探測靈敏度高，與可見光相比，紅外光的能量較小。可用紅外線具有的能量E和波長λ表示其關(guān)系，即為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：c為光速，c=3*108(m/s)。</p><p><b>　　h為普朗克常數(shù)。</b></p>&l

51、t;p>　　熱型有熱釋電式、電容式、熱電偶式以及電阻式等。熱型紅外光敏器件首先把紅外光能轉(zhuǎn)變成器件自身溫度的提高(或變化)，然后通過熱點效應(yīng)將非電信量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號。因此，熱型紅外光敏器件的反應(yīng)速度比較慢，相比于量子型紅外光敏器件靈敏度也要稍低些，但是它擁有不需要冷卻并可在常溫下使用，價格實惠以及響應(yīng)紅外光譜范圍寬等一系列突出優(yōu)點。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是通過紅外線照射而產(chǎn)生熱量才有輸出

52、的，從這種角度講，它和波長沒有什么實際聯(lián)系，但需要一種選用適合于波長測定的濾光器作為窗口材料，例如把硅作為窗口材料，可允許1µm以上的光通過。有的窗口材料只能通過4.1µm附近的光，而有的卻可通過6.1µm以上的光，等等。因此使用哪種窗口材料，就可確定出那個范圍內(nèi)波長產(chǎn)生的熱量。</p><p>　　3.1.1熱釋電效應(yīng)</p><p>　　熱釋電效應(yīng)(Hyd

53、roelectricity effect)的提出比較遲。把熱釋電效應(yīng)作為原理應(yīng)用到紅外光敏器的研制中也僅是近二十年來的事。</p><p>　　最初科學家發(fā)現(xiàn)給水晶、電石或羅謝耳鹽(酒石酸鉀鈉)等晶體加熱時，晶體表面會產(chǎn)生自然極化并有電荷產(chǎn)生的現(xiàn)象，就把這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。</p><p>　　通過多次的實驗，發(fā)現(xiàn)熱釋電效應(yīng)最明顯的是一種叫做強電介質(zhì)鈦酸鋇的材料。</p>

54、<p>　　圖3.1是產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的過程演示圖。</p><p>　　1—黑化膜；3—強電介質(zhì)；2、4—電極</p><p>　　圖3.1 熱釋電效應(yīng)示意圖</p><p>　　在BaTio3的兩個表面都設(shè)置電極，通過紅外輻射對晶體加熱，其中黑化膜的作用是為了增強紅外線的吸收能力。當晶體溫度提高△T，其原子的排列順序也將改變，從而會產(chǎn)生自然極化現(xiàn)象△

55、PS。但是由于整個晶體為了保持自己的電中型，于是其表面必然產(chǎn)生△Q的電荷[9]。</p><p>　　熱釋電系數(shù)λ是表征某材料熱釋電效應(yīng)大小的參數(shù)，它可表示為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　通過圖3.2觀察 ，當溫度在居里點(Tc)時，BaTio3結(jié)構(gòu)自然極化程度最強。</p><p&

56、gt;　　圖3.2 BaTio3的基本變化規(guī)律</p><p>　　3.1.2 紅外熱釋電光敏器件的結(jié)構(gòu)</p><p>　　熱釋電傳感器件的結(jié)構(gòu)和封裝</p><p><b>　　(A)塑料封裝圖</b></p><p>　　(B)KP506B型封裝</p><p>　　圖3.3 熱釋電傳感

57、器兩種封裝</p><p>　　熱釋電傳感器的封裝一般可分為兩種，即塑料封裝和金屬封裝，分別如圖3.3(A)和圖3.3(B)所示。KP506B屬于金屬型封裝。</p><p><b>　　(2)干涉濾光片</b></p><p>　　任何高于絕對溫度的物體都會發(fā)出紅外線，但是各種物體溫度的不同其所輻射的能量隨波長的變化是不同的[10]。人體紅外

58、輻射的光譜范圍在7～14um，其中心波長在9～11um附近。根據(jù)不同物體發(fā)出紅外光譜的不同，可對不同目標進行紅外檢測和判別。圖3.4 (A)是常溫為37℃的人紅外輻射光譜，為了使熱釋電紅外傳感器件輻射到的紅外線與紅外透射率相結(jié)合，同時考慮到人體外其它紅外輻射的干擾（特別是近紅外輻射），常在熱釋電傳感探測元件前加一塊8～14µm紅外濾光片，以抑制人體以外的紅外輻射的干擾。它透射過來的光譜如3.4 (B)所示。波長小于8µ

59、;m的紅外線被吸收，因此熱釋電紅外傳感器能較好地對人體發(fā)出的紅外線進行探測。</p><p><b>　　波長（µm）</b></p><p>　　(A)人體輻射紅外光譜圖</p><p>　　(B)紅外濾光片通透曲線</p><p>　　圖3.4 人體紅外輻射和干涉濾光片的通濾光譜</p>&

60、lt;p>　　(3)場效應(yīng)管匹配器</p><p>　　在熱釋電傳感器的內(nèi)部，裝有一個柵極電阻Rg和場效應(yīng)管(FET)。熱電探測元跟Rg并聯(lián)，Rg把表面探測元的電荷或極化值的變化轉(zhuǎn)變成電信號加至FET的柵極。FET在電路中起到變換阻抗作用，它有非常大的輸入阻抗，但輸出阻抗卻很小。通過放大和匹配，F(xiàn)ET源極上的輸出就能反映出所采集到紅外輻射能量變化的電脈沖。它的輸出阻抗范圍在10到47k?之間，電脈沖頻率在0

61、.3Hz到5Hz附近。</p><p>　　(4)熱釋電陶瓷元件</p><p>　　它也被稱為熱電探測元，是由高熱電系數(shù)的BaTi03等材料構(gòu)成的。這種強電介質(zhì)的熱電元件能夠遙感到從人體發(fā)出的微量紅外線，其相對溫度會有明顯的變化，導致探測元的自發(fā)極化值也發(fā)生變化，即產(chǎn)生熱—電效應(yīng)。</p><p>　　一般的熱釋電器件內(nèi)裝一個或兩個陶瓷元件。裝有兩個陶瓷元件的器件

62、是將兩個特性相同的探測元進行串接，組成一個差動平衡電路，其目的可以用來抑制因探測元自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾。</p><p>　　3.1.3 多視場菲涅爾光學鏡</p><p>　?。?）紅外作用距離與光學聚焦系統(tǒng)</p><p>　　人體身上所發(fā)出的紅外線其實非常微弱，僅僅采用熱釋電紅外傳感器組裝的探測器，其探測距離也只有2米左右。因而，為了提高其探測距離和靈敏度

63、，</p><p>　　最好在熱釋電探測器的前面加上一個經(jīng)過特殊處理的光學系統(tǒng)，這就是菲涅爾透鏡(Fennel Lens)。</p><p>　　目前，市場上紅外傳感器配套的光學系統(tǒng)可分為三種，即透射式、反射式以及折射式，其中靈敏度最高的屬反射式光學系統(tǒng)，其探測距離最高可達60m；透射式的靈敏度最差，探測距離在1～10m附近；折射式居中，兼有反射式和透射式的優(yōu)、缺點。由于反射式系統(tǒng)的紅外傳

64、感器必須置于鏡前，占用了很大的體積且不適合密封，在抗擊打、防水、防塵、隱蔽性等方面表現(xiàn)較差，在防盜報警方面就不適合采用。而透射式系統(tǒng)有著體積小，相對低廉的價格，容易密封，穩(wěn)定性又很好，因此目前國內(nèi)外大多采用透射式系統(tǒng)。</p><p>　?。?）紅外能量的變化值和菲涅爾鏡</p><p>　　當紅外輻射能量的絕對值趨向于零時，熱釋電紅外傳感器并不敏感。例如當一個人紋絲不動的站在傳感器前面時

65、，傳感器并沒有反應(yīng)，而一旦人稍微移動下，紅外傳感器并立即產(chǎn)生一個電脈沖信號。也就是熱釋電紅外傳感器對于紅外能量的變化值非常敏感。</p><p>　　采用上述的檢測原理，在進行系統(tǒng)設(shè)計時，不僅應(yīng)把采集到的紅外線聚焦至傳感器上，而且傳感器還能夠敏銳的覺察到紅外線能量的變化。因此，在制作聚光透鏡時，往往要對光滑的光學鏡面進行柱狀或棱狀處理。這兩種設(shè)計的用意都在于被檢測的空間能夠產(chǎn)生一系列交替的狹小的紅外“盲區(qū)”和“高

66、靈敏感應(yīng)區(qū)”。當有人從透鏡的前面走過時，人體上所發(fā)出的紅外線就會不斷地從“高靈敏區(qū)”進入“盲區(qū)”，使得紅外傳感器斷斷續(xù)續(xù)地接收到紅外線，即有大量光脈沖傳至紅外探測元，再經(jīng)過轉(zhuǎn)化并能輸出相應(yīng)變化的電脈沖，因而可以大大提高其接收的靈敏度，增大其探測距離。</p><p>　　下圖3.5　(a)、(b)分別是某種菲涅爾透鏡的形狀及其安裝示意圖。</p><p>　　圖3.5 一種菲涅爾透鏡的外

67、形及其安裝示意圖</p><p>　　（3）菲涅爾透鏡的設(shè)計和技術(shù)指標</p><p>　　菲涅爾透鏡是一種由塑料注成的薄鏡片，片上有排列整齊的紋理和精細的鏡面，它按照接收角度和靈敏度的要求來設(shè)計和制作的，其技術(shù)精度要求很嚴格。一片好的菲涅爾透鏡必須有清晰的紋理和光潔的表面，其厚度也要求在0.65mm左右，對紅外線的透過率要高于65%。</p><p>　　下面就以

68、Q-6型菲涅爾透鏡主要技術(shù)指標作為例子：</p><p>　　(1)外形尺寸：38mm×68mm；</p><p>　　(2)水平角度：120°；</p><p>　　(3)垂直角度：要求架高不低于1.5m</p><p>　　(3)傳感器與鏡面間的距離在29mm左右，這樣能夠最大化提高傳感器的靈敏度。</p>

69、<p>　　事實上，不同規(guī)格的菲涅爾透鏡具有不同的幾何尺寸和特點，它要求安裝外殼和聚乙烯薄片相稱，不同的透鏡其安裝距離各不相同的 。</p><p>　　除了上面提到的Q-6型外，常見的還有Q-8半圓型，Q1A等，一般的菲涅爾透鏡有10m左右的探測距離，采用雙重反射形式的透鏡可增加到20m以上。</p><p>　　3.2超聲波探測原理及活動目標的探測方法</p>

70、<p>　　超聲波探測從原理上可分為兩種：共振式和脈沖反射式。超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個共振板和兩個壓電晶片。當它的兩極間外加電脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時帶動了共振板振動，并產(chǎn)生超聲波。相反，如果兩電極間沒有外加電壓，共振板接收到了超聲波，壓迫壓電晶片振動，同時將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這就是超聲波接收器的工作原理。超聲探測電路時，將一系列方波輸入到發(fā)射端，其寬度為發(fā)射超聲的時

71、間間隔，接收端得到的脈沖隨被測物的距離變化而變化，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。</p><p>　　超聲探測大致有以下兩種方法：①獲取輸出脈沖的平均電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )的大小與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 在超聲波發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣傳播過程中如果遇到障礙物就立即反射回來，當它的接收器接收到反射波時就立即停止計時。由于超聲波在空氣中傳播速度為c，發(fā)射超聲波和接收超聲波的時間

72、間隔為t,即超聲波測量輸出脈沖的寬度，就可以計算出發(fā)射點距離障礙物的距離S,即，S=ct/2.</p><p>　　超聲波在空氣中傳播的速度與環(huán)境溫度的有關(guān)，如果環(huán)境溫度變化不大，可以認為聲速基本不變，本課題對于測距精度的要求不是很高，只需要超聲波在1.5m范圍內(nèi)就產(chǎn)生報警信號，所以不采用溫度補償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ?lt;/p><p><b>　　3.3硬件電路設(shè)計</b>

73、;</p><p>　　3.3.1熱釋電紅外探測電路的設(shè)計</p><p>　　該部分電路如下圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 熱釋電紅外探測電路</p><p>　　圖3.7 KP506B紅外傳感器實物 圖3.8 傳感器感應(yīng)方向</p><p>　　圖3.6中探測電路所采用的是如圖3.7所示

74、的KP506B紅外傳感器，其材料為鉭酸鋰，上有雙探測元，它具有響應(yīng)度高(3300V/W )，抗電磁干擾性能好，噪聲低，窗口譜響應(yīng)(包括濾光片和探測元)為7～15μm。它可將人體輻射出的紅外線能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率(0.3～5Hz)的電信號，再經(jīng)過放大器放大，將信號輸出。光學透鏡采用Q6型菲涅爾透鏡，元件尺寸為：5.2mm×3.8mm。</p><p>　　本電路中主要采用的是型號為BISS0001的集成電路

75、,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感報警器，廣泛用于安防、自控等領(lǐng)域能。</p><p>　　BISS0001是由封鎖時間定時器、延遲時間定時器、運算放大器、電壓比較器以及狀態(tài)控制器等傳感信號處理集成電路組成的。</p><p>　　圖3.9 BISS0001內(nèi)部框

76、圖</p><p>　　以下是BISS0001的工作原理，從14管腳獲得信號，通過0P1運算放大器組成的傳感信號預(yù)處理電路，將信號第一級放大。然后和第二級OP2運算放大器耦合，再進行信號二次放大，并且把電位抬高到VM。把二級放大信號V2傳S送到雙向鑒幅器（由比較器COP1和比較器COP2構(gòu)成）以檢測出有效的觸發(fā)信號VS。理論上VL在0.3VDD左右、VH約為0.7VDD，故當VDD=5V時，就能夠把噪聲干擾有效的

77、抑制±1V左右，從而增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 作為條件比較器COP3，如果輸入的電壓在VR>Vc，VR約0.2VDD左右，COP3就會輸出低電平，把與門U2封鎖住,使得VS無法傳遞給向下級；相反Vc>VR時，COP3有高電平輸出，芯片處于延時周期。 如果在A端接低電平，芯片會處于不可重復(fù)觸發(fā)工作模式，在Tx這段時間之內(nèi)V2的變化不起任何作用。之后Tx周期結(jié)束，在Vo從高電平跳到低電平的同時，芯片處于封鎖周期Ti。在Ti

78、周期內(nèi)，VS的改變都不可能改變Vo狀態(tài),這樣可以降低切換負載時所產(chǎn)生的各類干擾。而當A端接高電平時，芯片處于可重復(fù)處發(fā)工作模式，過程跟上面剛好相反。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)圖3.6中的開光S3,可以選擇兩種探測器模式：可重復(fù)觸發(fā)模式和不可重復(fù)觸發(fā)模式。調(diào)節(jié)R13和C9的大小可以調(diào)整輸出延遲Tx，Tx≈24576*R9*C7;觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R11，R12和C10調(diào)節(jié)，Ti≈24*（R11+R12)*

79、C9。</p><p>　　3.3.2超聲波探測電路的設(shè)計</p><p>　?。?)圖3.10為超聲波探測模塊的發(fā)射電路</p><p>　　圖3.10 超聲波探測模塊的發(fā)射電路</p><p>　　圖中超聲波探測模塊的發(fā)射電路主要是由74ALS04反相器和超聲波換能器組成的。單片機OC1端輸出地40KHZ方波信號其中的一路經(jīng)過一級反相器

80、（U4D和U4E組成的一級）后送到超聲波換能器的一個電極。另一路方波信號經(jīng)兩級反相器（U4A為一級，U4B和U4CZ組成另一級）后傳送到另一個電極。通過了這種推挽形式的超聲波換能器的兩端才能夠得到方波，大大提高了發(fā)射電路的發(fā)射強度。采用兩個并聯(lián)的反相器可以增強發(fā)射電路的驅(qū)動能力。使用R5和R6兩個上拉電阻能明顯增強超聲波的阻尼效果，也提高了74ALS04反相器輸出電平的驅(qū)動能力，縮短其自由振蕩時間。</p><p&g

81、t;　?。?）超聲波接收電路</p><p>　　圖3.11 超聲波接收電路 接收電路的原理圖如上圖3.11所示，該電路采用了一款超聲波專用的芯片CX20106，該芯片也經(jīng)常被用于電視機紅外遙控接收器上。其優(yōu)點是電路連接非常簡單，大大減小了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩，而且簡單易用。CX20106內(nèi)部由前置放大器，自動偏置電平控制電路、帶通濾波器、峰值檢波器、限幅放大器和波形整形電路等組成。</p>

82、<p>　　圖中2管腳上的電阻R7、電容C21與地之間連接共同組成一個負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的一個RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，前置放大器的頻率特性和增益可以通過修改其中的參數(shù)改變。減小C1或增大電阻R7都能降低放大倍數(shù)，增大負反饋量，反之，結(jié)果將增大放大倍數(shù)。在這里我們選擇R7=4.7歐，C1=1uF。</p><p>　　第3管腳電容C22與地連接形成一個檢波電容，電容量大時，為平均值檢波，其瞬間響應(yīng)的靈敏度低；如果

83、電容量小時，則變?yōu)榉逯禉z波，瞬間響應(yīng)靈敏度高；檢波輸出地脈沖寬度變化很大時，容易造成誤操作。當電容C22為3.3uF時，效果不錯。</p><p>　　電容C23是一個積分電容，如果將電容取的太大，會使探測距離變短，因此我們選擇標準值為330pF的電容。</p><p>　　接在第5管腳上的電阻R8與電源相連，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越高，在這里我們選擇R8=2

84、20k，其中心頻率約為40kHZ。</p><p>　　當CX20106接收到40KHz（解調(diào)頻率和發(fā)射頻率必須一致）信號時，芯片第7管腳會產(chǎn)生一個下降沿，這個信號將會觸發(fā)單片機產(chǎn)生外部中斷，通過單片機中的定時器計算得出時間差，再根據(jù)公式S=ct/2計算出距離。</p><p>　　3.3.3聲光報警系統(tǒng)和振動電路的設(shè)計</p><p>　　圖3.12 振動感應(yīng)

85、電路</p><p>　　圖3.13 聲光報警電路</p><p>　　上圖為3.12和3.13分別為為振動感應(yīng)電路和聲光報警電路，電路核心元件是NE555芯片和CK9516音樂芯片。CK9516音樂芯片是四聲集成報警電路。</p><p>　　平時水銀開光處于斷開狀態(tài)，此時若雙鑒探測器處于低電平狀態(tài)，單片機輸出高電平，即圖中ONE腳處于高電平；通過與門電路，使得

86、555芯片的第2管腳處于高電平,3腳處于低電平，無電壓供給CK9516的報警，電路不工作。當整個系統(tǒng)受到外力作用導致水銀開光接通，2腳就立即跳變?yōu)榈碗娖剑?腳輸出高電平，直接給報警電路供電，經(jīng)過芯片集成電路處理后發(fā)出報警信號。但由于555輸出驅(qū)動力不夠，發(fā)出的報警聲音非常微弱，所以我將信號通過三極管Q2進行功率放大 ，再驅(qū)動喇叭發(fā)聲。調(diào)節(jié)電阻R28的大小能夠改變報警聲音的音調(diào)，經(jīng)過多次調(diào)試，選擇200k左右的電阻產(chǎn)生的效果比較不錯。電容

87、C18是報警器的電源濾波電容，電容C19是振蕩感應(yīng)電路的旁路電容，電阻R26為電路提供信號工作點。</p><p>　　圖3.12中振動感應(yīng)電路采用時基集成電路555，它與電阻R25、電容C17等組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。當有低電平信號加至其觸發(fā)端2腳(低電平觸發(fā)有效)時，則555的輸出轉(zhuǎn)呈高電平。高電平維持時間(即暫穩(wěn)態(tài)時間)為</p><p>　　T=R25*C17In3≈1.1*R28*C

88、17 （3.1）</p><p>　　計算得出其暫穩(wěn)態(tài)時間約為10s。</p><p>　　3.3.4 電源設(shè)計</p><p>　　圖3.14 電源電路</p><p>　　由于制作的防盜報警器需要擁有體積小，重量輕，而且還要易于安置等特點，我們通過體積、重量、系統(tǒng)功耗、電壓穩(wěn)定的多方面考慮，使用一組干電池

89、供電就已經(jīng)可以滿足報警器的長時間工作。</p><p>　　圖3.14電源電路中我們采用了兩種電源芯片LM7805和TLV1117。兩種芯片都為3端正穩(wěn)壓電路。</p><p>　　TLV1117為電路提供穩(wěn)定3.3V電壓，它內(nèi)含過熱、過熱、過載保護電路。專門給熱釋電傳感模塊、聲光報警模塊以及振動感應(yīng)模塊供電。</p><p>　　LM7805:輸出電壓為5V,輸出

90、電流為1A，它給整個電路供電。</p><p>　　此外，由于使用單電源供電，會受到電氣干擾，設(shè)計時在芯片兩端要加上電解電容和陶瓷電容進行濾波。IN4007二極管在電路中可以起到防止因電源接反，而造成電路燒毀的作用。</p><p>　　3.3.5 AVR最小系統(tǒng)</p><p>　　圖 3.15 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　按照

91、實際要求，設(shè)計了一個以ATmega16為主控芯片的單機機最小系統(tǒng)，ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位CMOS微控制器。</p><p>　　該單片機擁有先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間的特點。其數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHZ,從而可減小系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。</p><p>　　在方案中，上圖3.15單片機最小系統(tǒng)主要用于超聲波探測電路，

92、以及對聲光報警器的控制。</p><p>　　3.4 軟件設(shè)計主要工作模塊流程</p><p>　　圖3.16 主程序流程</p><p>　　通信電纜紅外防盜器程序的流程圖如圖3.16所示。 軟件的設(shè)計主要采用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進行分塊編寫。首先將系統(tǒng)初始化，通過熱釋電紅外探測器采集環(huán)境中的紅外線，當探測到有人體散發(fā)出來的紅外線時，產(chǎn)生中斷，觸

93、發(fā)超聲波模塊工作，系統(tǒng)再把超聲波反饋回來的數(shù)據(jù)進行分析、判斷；如果入侵者闖入了監(jiān)控區(qū)域，聲光報警器發(fā)出報警聲音。同時，系統(tǒng)還具有振動感應(yīng)功能，當受到外力作用時，報警器同樣也會發(fā)出報警信息，并且能夠自動或手動取消報警。</p><p>　　4防盜報警系統(tǒng)性能的實驗檢測</p><p>　　由于整個系統(tǒng)都是圍繞著兩種傳感器進行運轉(zhuǎn)的，通過電路的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，對于其它部分電路的性能不作研究，主要針對

94、對兩種熱釋電傳感器的基本特性進行研究和實驗檢測。動態(tài)特性和靜態(tài)特性是傳感器的兩種基本特性，它能夠反應(yīng)出一個傳感器性能的好壞。靜態(tài)特性表示當信號為定值或變化緩慢時，傳感器輸入和輸出的關(guān)系可以用一個代數(shù)方程來描述。當一個傳感器研制成功后，可通過實際特性來反映出它在某種條件下所具有的靜態(tài)特性。傳感器的校準特性是通過實驗的方法來獲得的傳感器的靜態(tài)特性。所謂動態(tài)特性是指當被測量隨著時間的變化，傳感器的輸出值與輸入值也會呈某種關(guān)系變化。因此，當測量

95、隨時間變化的某些參數(shù)時，只考慮動態(tài)特性指標是不夠的，還得注意其靜態(tài)特性指標。只有這樣才能使控制、檢測比較可靠和正確。</p><p>　　4.1　熱釋電紅外探測器件性能的檢測</p><p>　　（1）熱釋電紅外光敏器件的特性</p><p>　　熱釋電紅外光敏器件可以通過使用檢測度D、靈敏度R、特定檢測度NEP以及D*噪聲等效功率等來評價。</p>

96、<p>　　圖4.1　靈敏度R、特定檢測度D*以及遮光頻率f三者間的關(guān)系</p><p>　　熱電紅外光敏器件是熱型紅外光敏器件的一種類型，因此要注意其相應(yīng)時間。其響應(yīng)時間一般將定義為器件輸出信號達到60%峰值的時間。</p><p>　　此外，熱釋電式器件比較特殊的問題是特定檢測度D*和靈敏度R與器件前方所置機械遮光裝置的遮光周期T有關(guān)聯(lián)。由上圖4.1所示可知，熱敏傳感器件工作

97、于電容狀態(tài)，靈敏度R和特定檢測度D*會隨著遮光頻率f增大而減少。</p><p>　　通過圖4.2可發(fā)現(xiàn)，在溫度變化范圍非常大的情況下，器件本身的輸出幾乎保持不變。</p><p>　　圖4.2　器件本身的溫度特性</p><p>　　根據(jù)這一特性使得熱釋電紅外光敏器件并不需要進行溫度補償。然而在實際應(yīng)用中卻經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)當器件在低溫環(huán)境下使用時，其靈敏度會有所下降。其

98、實靈敏度的改變并非是器件本身受到溫度影響造成的，而是大多數(shù)情況下器件頭部結(jié)露引起的。此類問題可以考慮通過改善器件的結(jié)構(gòu)等方面解決。</p><p>　　（2）熱釋電紅外傳感器的噪聲特性</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是以一種非接觸方式探測人或物體等被測對象上的紅外線的傳感器。其測量溫度范圍大(-80～1500°C)，在整個波長范圍內(nèi)靈敏度高，頻率響應(yīng)好，才能夠得到廣泛應(yīng)用。

99、一般情況下，熱釋電紅外傳感器所檢測到的紅外熱輻射信號非常微弱，再加上電路及傳感器都可能會產(chǎn)生虛報信號情況。因此為了增強系統(tǒng)的可靠性，對它的噪聲特性進行比較全面的分析研究以便改進性能是很重要的[11]。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由熱釋電元件、濾波片 和低噪聲結(jié)型場效應(yīng)晶體</p><p>　　管(JFET ) 阻抗匹配器組成[12]。熱釋電體是一種強電介質(zhì)材料，如鋯鈦酸鉛(P

100、ZT)陶瓷、鉭酸鋰( LiTaO3)單晶體等。</p><p>　　熱釋電元件的等效電阻達到1010，為了得到最佳噪聲系數(shù)，必須對其進行阻抗匹配，前置級一般都采用高輸入阻抗和低噪聲JFET與其匹配。下圖4.3為其等效電路。</p><p>　　圖4.3　熱釋電紅外傳感器等效電路</p><p>　　第一級JFET輸出信號的信噪比是由熱釋電紅外傳感器來決定的[13]。

101、于此同時，在熱釋電體前安裝透鏡片，就可以讓熱釋電紅外傳感器對波長處于某段紅外光譜的紅外線敏感。這樣就可以減小其它波段上紅外線輻射的干擾，從而降低誤報。</p><p>　　下面公式能夠反映出變化的溫度與紅外熱輻射之間的關(guān)系：</p><p>　　式中：傳感器的熱容量為。其中是傳感器比熱；V是傳感器的體積；，其中和分別作為熱釋電元體的表面積和單位熱釋電元體的熱阻；w(t)是輻射的功率；是熱釋

102、電元體對紅外線的吸收倍數(shù)。把△T作為的函數(shù)對式子(4.1)的兩邊同時進行拉普拉斯變換，得出的結(jié)果為</p><p>　　作為熱釋電材料所產(chǎn)生的電流，把熱釋電表面積、溫度變化和熱釋電系數(shù)P三者相乘的結(jié)果作為電荷，得出結(jié)果為：</p><p>　　分別把，代入式(4.2)中，，熱釋電材料的厚度為d；，作為熱時間常數(shù)，得：</p><p>　　由式(4.3 )可知，熱釋電

103、體可以作為一個電流源，JFET組成的阻抗變換器作為其負載。阻抗變換器采用了圖4.3所示的形式時，電路增益比較小，JFET的低頻跨導gm為0.8左右[14]。下圖4.4為熱釋電傳感器的噪聲模型。</p><p>　　圖中JFET可以視為無噪聲場效應(yīng)管。圖4.4中熱釋傳感器所產(chǎn)生的信號電流為；是電阻引起的熱噪聲；，分別是JFET產(chǎn)生的輸入等效噪聲電壓和等效噪聲電流值；是傳感器信號的帶寬，那么就可以用均方根值來表示熱釋

104、電紅外傳感器的寬度輸出的噪聲電壓[15]：</p><p>　　將和 式子代入方程(4.4 )中，化簡得</p><p>　　圖4.4熱釋電紅外傳感器噪聲模型</p><p>　　通過計算機仿真方程(4.5)，得出結(jié)果如圖4.5所示，曲線反映了頻率與等效輸出電壓的關(guān)系。</p><p>　　圖4.5　頻率和等效輸出電壓的關(guān)系曲線</p

105、><p>　　通過計算人的行走頻率，在0.1Hz到10Hz范圍內(nèi)的電流頻率響應(yīng)最好，可以將較高或者過低的頻率的信號都截止掉。觀察圖4.5可以看出，低于0.1 Hz的信號容易受到元件參數(shù)的改變和天氣變化的影響，而大于10Hz的信號其噪聲電壓會隨著頻率的增大而增大，當信號頻率在50Hz電源頻率附近時，容易受到50Hz電磁的干擾。因此，在電路設(shè)計中應(yīng)按照信號頻帶及輸出噪聲電壓變化的要求，采用有源帶通濾波器消除電磁干擾，可以

106、提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[16]。</p><p>　　通過實驗分析負載電阻、動態(tài)電阻與阻抗變換器JFET的關(guān)系，可知JFET工作電壓小于6V且漏電流在0.1到10μA范圍內(nèi)時，傳感器的性能達到最好。通過分析圖4.5頻率與噪聲電壓間的關(guān)系可知，工作帶寬外的任何頻率信號都會給系統(tǒng)帶來附加噪聲，尤其隨頻率的升高，傳感器噪聲性能會越來越差。</p><p>　　4.2　通信電纜防盜報警器電路

107、測試</p><p>　　本系統(tǒng)模擬了多種室外環(huán)境進行了測試，其測試內(nèi)容有：</p><p>　　(1)要求警戒區(qū)域為7m左右的；</p><p>　　(2)在警戒區(qū)內(nèi)采用了各種光照實驗，包括日光燈光、自然光、白熾燈光等；</p><p>　　(3)在場地設(shè)置了電火花、大電流強電場等電磁干擾環(huán)境。</p><p>　　

108、通過在上述環(huán)境下多次重復(fù)測試，得出了測試結(jié)果:在9V干電池的供電下能夠保持長時間的工作狀態(tài)；熱釋電紅外探測器探測距離在7m左右，超聲波探測器能敏銳的探測出距離報警器1.5m左右的活動物體。多次實驗，系統(tǒng)都保持正常，其性能良好、誤報率低。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過三個多月的努力奮斗，我在老師和同學的幫助下，順利如期的完成了畢業(yè)設(shè)