人體紅外輻射檢測電路課程設(shè)計

1、<p><b>　　XX大學(xué)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　2013/2014 學(xué)年第 2 學(xué)期</p><p>　　學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)：

2、 XXXXXXXX </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： XX 學(xué) 號： XXXXXXX </p><p>　　課程設(shè)計題目： 人體紅外輻射檢測電路設(shè)計 </p><p>　　起 迄 日 期：201X年05月26日~201X年06月06日</p><p>　　課程設(shè)

3、計地點： XX大學(xué)5院樓513、606 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： XXX </p><p><b>　　【目錄】</b></p><p>　　摘要………………………………………………………………………1</p><p>　　關(guān)鍵詞

4、……………………………………………………………………1</p><p><b>　　課題要求</b></p><p>　　1.1課題背景……………………………………………………………2</p><p>　　1.2設(shè)計目的……………………………………………………………2</p><p>　　1.3設(shè)計內(nèi)容和要求………………

5、……………………………………2</p><p><b>　　第二章 方案分析</b></p><p>　　2.1課題名稱……………………………………………………………3</p><p>　　2.2主要功能……………………………………………………………3</p><p>　　2.3設(shè)計思路……………………………………………

6、………………3</p><p>　　2.4實現(xiàn)原理……………………………………………………………3</p><p>　　2.5主要過程……………………………………………………………4</p><p><b>　　第三章 電路設(shè)計</b></p><p>　　3.1 Protel原理圖…………………………………………………

7、…4</p><p>　　3.2電氣規(guī)則檢測報告…………………………………………………5</p><p>　　3.3信號檢測放大電路…………………………………………………5</p><p>　　3.4信號延時電路………………………………………………………5</p><p>　　3.5電壓比較電路………………………………………………………6&l

8、t;/p><p>　　3.6電源供電電路………………………………………………………7</p><p><b>　　第四章 PCB設(shè)計</b></p><p>　　4.1 PCB布線圖…………………………………………………………8</p><p>　　4.2 PCB覆銅效果圖……………………………………………………9</

9、p><p>　　4.3線路焊盤圖………………………………………………………10</p><p>　　第五章 Multisim仿真</p><p>　　Multisim仿真電路圖：</p><p>　　5.1信號檢測放大電路………………………………………………11</p><p>　　5.2延時電路…………………………………

10、………………………11</p><p>　　5.3電壓比較電路……………………………………………………12</p><p>　　5.4電源供電電路……………………………………………………14</p><p>　　第六章 主要元件介紹</p><p>　　6.1元器件清單………………………………………………………15</p>&l

11、t;p>　　6.2主要元件介紹……………………………………………………15</p><p>　　6.2.1 熱釋電紅外傳感器——RE200B………………………………15</p><p>　　6.2.2 555定時器——NE555…………………………………………17</p><p>　　6.2.3集成運放——AD620 …………………………………………19<

12、;/p><p><b>　　第七章 結(jié)果分析</b></p><p>　　結(jié)果分析………………………………………………………………19</p><p><b>　　設(shè)計心得</b></p><p>　　設(shè)計心得………………………………………………………………20</p><p>

13、<b>　　第九章 附錄 </b></p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………20 </p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　紅外輻射檢測技術(shù)在各領(lǐng)域都有廣泛地應(yīng)用，其中基于熱釋電傳感器的人體熱輻射檢測電路，通過對人體紅外輻射的檢測，進一步實現(xiàn)了對人體的識別。本文

14、中所設(shè)計的紅外檢測電路設(shè)計了包含：信號檢測放大電路、延時電路、電壓比較電路、電源供電電路四部分，分析了本檢測電路的工作原理，并進行了仿真論證。所設(shè)計的電路性能可靠、成本低、進一步完善后可應(yīng)用于防盜、報警、照明等諸多實用電路中。</p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】</b></p><p>　　熱釋電傳感器 紅外檢測 Multisim

15、 Protel</p><p><b>　　【第一章】課題要求</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　隨著社會的不斷進步和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，基于熱釋電傳感器的人體紅外檢測電路價格低廉、制作簡單、成本低，安裝比較方便，性能比較穩(wěn)定，靈敏度高、安全可靠等特點，應(yīng)用前景廣闊。&l

16、t;/p><p><b>　　1.2 設(shè)計目的：</b></p><p>　　本設(shè)計是在學(xué)習(xí)光纖傳感技術(shù)、光電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，把光電器件應(yīng)用于紅外輻射檢測技術(shù)中，設(shè)計基于熱釋電傳感器的人體熱輻射檢測電路，是在光電信息綜合應(yīng)用方面開展的一次實踐活動，以鞏固所學(xué)知識、培養(yǎng)動手能力。</p><p>　　1.3 設(shè)計內(nèi)容和要求：</p>&

17、lt;p>　　1)、掌握光電轉(zhuǎn)換器的工作原理、性能，根據(jù)實際設(shè)計選用相應(yīng)的光電檢測器件；</p><p>　　2)、掌握自然界物體輻射紅外光譜的原理，理解近紅外波段、中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段的含義及其光譜特點；</p><p>　　3)、掌握紅外輻射檢測電路設(shè)計的原理和組成，基于熱釋電紅外傳感器設(shè)計紅外輻射檢測電路，并在protel下畫出相應(yīng)原理圖；</p><p&

18、gt;　　4)、參考五篇相關(guān)論文。</p><p><b>　　【第二章】方案分析</b></p><p><b>　　2.1 課題名稱</b></p><p>　　人體紅外輻射檢測電路設(shè)計</p><p><b>　　2.2 主要功能</b></p><p

19、>　　（1）檢測人體紅外輻射</p><p>　?。?）對檢測到的紅外波段范圍進行區(qū)分</p><p>　?。?）利用紅、綠指示燈顯示判斷結(jié)果</p><p><b>　　2.3 設(shè)計思路</b></p><p>　　利用熱釋電傳感器感將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成電壓信號</p><p>　　將脈沖

20、電信號進行延時</p><p>　　利用電壓比較電路對電信號所在范圍進行判斷</p><p>　　利用變壓器和整流電路將220v交流電變成5V直流電為電路供電</p><p><b>　　2.4 實現(xiàn)原理</b></p><p>　　紅外線是一種光線，是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，又稱為紅外熱輻射(Infrared

21、 radiation)。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.75～1.50μm之間;中紅外線，波長為1.50～6.0μm之間;遠(yuǎn)紅外線，波長為6.0～l000μm之間。任何高于絕對溫度（-273K）的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關(guān)的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會發(fā)出10μm左右特定波長的紅外線。<

22、/p><p>　　熱釋電紅外線傳感器是一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，該元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷。產(chǎn)生微弱的電壓脈沖信號，由于脈沖信號不便于處理，利用運放電路對該脈沖信號放大，并通過延時電路將脈沖信號延時，后將該信號接入到

23、由運放組成的電壓比較電路中，通過與事先設(shè)置的上限電壓V1和下限電壓V2比較，實現(xiàn)電壓在所預(yù)先設(shè)定的電壓范圍內(nèi)時紅綠兩個指示燈同時亮起，表示檢測到得紅外輻射為人體紅外波段。</p><p><b>　　2.5 主要過程</b></p><p>　　紅外輻射→熱釋電傳感器→電壓脈沖信號→延時電路→電壓信號→電壓比較電路→指示燈</p><p>&l

24、t;b>　　【第三章】電路設(shè)計</b></p><p>　　3.1 Protel原理圖</p><p>　　利用Protel設(shè)計如上電路圖，整個電路分為四部分：信號檢測放大電路、信號延時電路、電壓比較電路、電源供電電路，并利用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號將三部分電路連接。</p><p>　　3.2 電氣規(guī)則檢測報告</p><p>　　3.3

25、 信號檢測放大電路</p><p>　　圖中JP1代表熱釋電傳感器RE200B，U1為運算放大器AD620，JP1的2管腳為信號輸出端，將其與運放的輸入端3管腳相連，當(dāng)熱釋電傳感器接收到紅外輻射刺激時，產(chǎn)生脈沖電壓，通過JP1-3與U1-3，將信號傳送至放大電路，該電路電阻值為R1=50Ω，放大倍率為G，R1=49.4KΩ/（G-1）,即G=1000，上圖所示放大電路將信號放大1000倍。</p>

26、<p>　　3.4 信號延時電路</p><p>　　信號延時電路主要由555定時器NE555組成，采用了單穩(wěn)態(tài)的電路接法。</p><p><b>　　3.5電壓比較電路</b></p><p>　　電壓比較電路主要由兩個運放AR1、AR2構(gòu)成，因為熱釋電脈沖電壓微弱，在人體熱輻射刺激下電壓變化1mv左右，經(jīng)放大電路放大后為1V左右

27、，大致在1V到2V之間，所以將AR1的負(fù)輸入端和AR2的正輸入端分別接入1V和2V電壓，作為與輸入電壓進行比較的參考電壓，當(dāng)輸入電壓值高于2V時AR1輸出端為高電平，AR2輸出低電平，即只有LED-D1亮起，當(dāng)輸入電壓低于1V時AR2輸出端為高電平，AR1輸出電壓平，即只有LED-D2亮起，只有當(dāng)輸入電壓在1V到2V之間時，AR1和AR2才同時輸出高電平，即D1、D2同時亮起，表示所測熱輻射在人體熱輻射范圍內(nèi)。</p>&

28、lt;p><b>　　3.6電源供電電路</b></p><p>　　電源供電電路由兩部分構(gòu)成，一是由變壓器構(gòu)成的降壓電路，即將220V交流電變成低壓交流電，再通過橋式整流電路將該交流電壓信號轉(zhuǎn)換為5V的直流信號，為整個電路供電。</p><p>　　【第4章】PCB設(shè)計</p><p><b>　　【PCB圖】：</b&

29、gt;</p><p>　　利用Protel軟件制作如上圖示PCB電路圖，采用雙面制板，整個電路板長約74mm、寬約62mm，經(jīng)手動布線后，橫向布線多在頂層采用紅色連線，縱向布線多在底層采用藍(lán)色連線，橫縱交錯，使電路相互隔離，各元件排列緊湊，連線密布，顯示部分位于電路板中下部，左側(cè)為熱釋電探測器部分，右上角為電源接入部分和電源指示燈。</p><p><b>　　【效果圖】：&l

30、t;/b></p><p>　　利用軟件的仿真功能，制作了如上圖所示的效果圖，上圖展示了電路板的實際制作效果，白色輪廓為各元件的實際封裝，銅色線路為電路板頂層的實際布線效果。</p><p><b>　　【線路焊盤圖】：</b></p><p>　　上圖清晰的顯示了各元件在電路板的位置及連線、焊盤布局情況，展示了雙面板兩側(cè)所有線路的連接情

31、況。</p><p>　　【第5章】Multisim仿真</p><p>　　【Multisim仿真原理圖】：</p><p>　　1、信號檢測放大電路：</p><p>　　上圖中V2=1mv模擬了人體紅外輻射引起的熱釋電輸出電壓變化，經(jīng)過運放電路放大后，運放輸出電壓約為1V，即實現(xiàn)了對輸入信號的1000倍放大。</p>&l

32、t;p><b>　　2、延時電路：</b></p><p>　　示波器對輸入、輸出信號的顯示結(jié)果：</p><p>　　電壓信號經(jīng)放大器放大后接入上圖所示延時電路，綠色波形代表輸入信號，紅色波形代表輸出信號，由示波器顯示可知，該延時電路實現(xiàn)了對信號的5倍延時。</p><p><b>　　電壓比較電路</b><

33、/p><p>　　下圖中V1、V2、V3三個電壓分別代表了三個經(jīng)放大、延時電路處理后的信號電壓，V2模擬人體紅外輻射產(chǎn)生的電壓值，V1、V3分別模擬高于人體和低于人體紅外輻射的物體。</p><p>　　當(dāng)V1=0.9V接入電壓比較電路，紅燈亮起，即表示該物體產(chǎn)生的紅外輻射低于人體輻射。</p><p>　　當(dāng)V3=2.1V接入電壓比較電路，綠燈亮起，即表示該物體產(chǎn)生的

34、紅外輻射低于人體輻射。</p><p>　　當(dāng)V2=1.2V接入電壓比較電路，紅燈、綠燈同時亮起，表示該檢測電路所檢測的電壓在預(yù)先設(shè)定的電壓范圍內(nèi)，即說明熱釋電所測紅外輻射在人體紅外輻射范圍內(nèi)。</p><p><b>　　電源供電電路</b></p><p>　　220V交流電經(jīng)變壓器降壓后再經(jīng)整流電路，變化為5V直流電源。</p>

35、;<p>　　【第6章】主要元件介紹</p><p><b>　　6.1元器件清單</b></p><p><b>　　6.2主要元件介紹</b></p><p>　　6.2.1熱釋電紅外傳感器——RE200B</p><p><b>　　實物圖：</b><

36、/p><p><b>　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：</b></p><p>　　靈敏元面積 2.0×1.0mm2；視場 139°×126°</p><p>　　輸出信號 >2.5V (420°k黑體1Hz調(diào)制頻率0.3-3.0Hz 帶寬72.5db增益)</p><p>　

37、　平衡度 <20%；工作電壓 2.2-15V</p><p>　　工作電流 8.5-24μA (VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)</p><p>　　源極電壓 0.4-1.1V (VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)</p><p>　　工作溫度 -20℃- +70℃；保存溫度 -35℃- +80℃</p><p>　　

38、熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由敏感元件、場效應(yīng)管，高阻值電阻，濾光窗，菲涅爾透鏡等構(gòu)成。熱釋電體是一種具有強烈自發(fā)極化效應(yīng)的電介質(zhì)材料如鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷、鉭酸鋰（LiTaO3）單晶體等，這類介質(zhì)的表面平時靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡，當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變時，介質(zhì)內(nèi)部極化狀態(tài)隨之發(fā)生變化，由于內(nèi)外層電荷變化速度發(fā)生“失步”現(xiàn)象，使得介質(zhì)表面出現(xiàn)熱釋電效應(yīng)。熱釋電傳感器采用的干涉濾波片的厚度一般為8～14 μm，而人體輻射紅外線的波長

39、大約在10 μm左右，因此，傳感器能夠探測到是否有入進入了探測區(qū)域。由于熱釋電傳感器的輸出阻抗極高，而輸出電信號微弱，故在其內(nèi)部裝設(shè)FET及偏置電阻，以進行信號放大及阻抗匹配。</p><p>　　對于傳感器感受到的紅外信號，熱釋電傳感器通過安裝在前端的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允

40、許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。熱釋電元件的等效電阻高達(dá)1010Ω，為了獲得最佳噪聲系數(shù)，必須進行阻抗匹配，前置極一般采用高輸入阻抗，低噪聲JFET與其匹配。制作時，熱釋電體、輸入電阻器、第一級JFET通常封裝于一個管殼內(nèi)，成為一個不可分割的整體。等效電路如下圖所示。</p><p>　　第一級JFET輸出信號的信噪比由熱釋電紅外傳感器決定。同時，為了使熱釋電紅外傳感器只對

41、紅外光譜中某一段紅外輻射敏感，必須在熱釋電體前設(shè)置濾光片。當(dāng)熱釋電紅外傳感器作為入侵防盜報警使用時，主要是使熱釋電紅外傳感器波長在0.2～20μm范圍內(nèi)幾乎是穩(wěn)定不變的，在傳感器的設(shè)計中，熱釋電體表貼上波長為7~10μm的濾光片，這樣可以避免太陽光的輻射和其他的紅外輻射的干擾，從而減少虛報。</p><p>　　6.2.2 555定時器——NE555</p><p>　　555定時器是一種

42、模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。</p><p>　?。?）實物圖引腳排列如下圖所示：</p><p>　　555定時器內(nèi)部電路圖：</p><p>　?。?）各個引腳功能如下

43、：</p><p>　　1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。</p><p>　　2腳：低觸發(fā)端TR。</p><p><b>　　3腳：輸出端Vo</b></p><p>　　4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。&l

44、t;/p><p>　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。</p><p>　　6腳：高觸發(fā)端TH。</p><p>　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。</p><p>　　8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路V

45、CC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。</p><p>　　在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，</p><p>　?。?）555時基電路的功能表如下表示。</p><p>　　6.2.3 集成運放——AD620 </p><p>　　AD620是一個低

46、成本，高精度的儀表放大器，使用方便，僅需使用一個外部電阻即可設(shè)置增益。其放大倍數(shù)為1-10000，為精度考慮，在放大5000的時候最為準(zhǔn)確。</p><p>　　（1）實物圖引腳排列如下圖所示：</p><p>　?。?）各管腳功能：P1與P8腳接外部增益設(shè)置電阻；P2與P3腳是輸入端；P6腳是輸出端；P4與P7腳接±5V電源；P5是輸入?yún)⒖茧妷?00mv</p>

47、<p><b>　　【第七章】結(jié)果分析</b></p><p>　　本次課程設(shè)計，通過對電路的原理分析和仿真論證，證明該電路可以利用熱釋電傳感器實現(xiàn)對熱輻射的探測，將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并能將微弱的電壓信號進行放大，將短暫的脈沖信號進行延時， 并利用電壓比較電路對采集到的電壓信號進行大致的范圍判斷，從而實現(xiàn)了對人體紅外輻射的探測和識別。</p><p&g

48、t;<b>　　【第八章】設(shè)計心得</b></p><p>　　心得體會：通過本次課程設(shè)計，更深入的了解了熱釋電傳感器，555定時器，集成運放——AD620等器件的運用，理解光電轉(zhuǎn)換的原理以及自然界物體紅外光譜的一些知識，學(xué)到了很多以前沒有了解過的知識，讓我更加清楚的了解到理論知識與實踐能力的差別，培養(yǎng)了我的獨立思考能力，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，同時發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，有待進一步學(xué)習(xí)，在

49、未來的學(xué)習(xí)過程中應(yīng)更好的適應(yīng)和提高自己。</p><p><b>　　【第九章】附錄</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1、郝曉劍，李仰軍.光電探測技術(shù)與應(yīng)用. 北京：國防工業(yè)出版社, 2009</p><p>　　2、陳汝全 電子技術(shù)常用

50、器件應(yīng)用手冊.北京：機械工業(yè)出版社, 2004</p><p>　　3、王慶友 光電技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2013</p><p>　　4、韓焱，張艷花，王康誼.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：電子工業(yè)出版社, 2009</p><p>　　5、江月宋 光電技術(shù)實驗. 北京：航空航天出