本文介紹一種紅外線報(bào)警器設(shè)計(jì)制作過程，先用仿真軟件NI Multisim11 進(jìn)行電路的設(shè)仿真、分析等，然后再實(shí)際電路制作調(diào)試。這樣可以降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)的成功率。

　　一、紅外線報(bào)警器概述

　　紅外線報(bào)警器主要由熱釋電人體紅外傳感器、放大濾波電路、雙限比較器、基準(zhǔn)電壓、指示電路組成如圖1 所示。該報(bào)警器制作簡(jiǎn)單、成本低，安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、安全可靠?？杀O(jiān)視幾米到幾十米范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的人體，當(dāng)有人在該范圍內(nèi)走動(dòng)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 紅外線報(bào)警器電路組成框圖

　　熱釋電人體紅外線傳感器主要有多種型號(hào)，但結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，一般可互換使用。本設(shè)計(jì)采用上海產(chǎn)的SD02 型熱釋電人體紅外傳感器，該傳感器由敏感元件、場(chǎng)效應(yīng)管、阻抗變換器和濾光窗等構(gòu)成，并在氮?dú)猸h(huán)境下封裝。內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理圖如圖2 所示。

圖2 熱釋電人體紅外線傳感器原理圖

　　熱釋電人體紅外傳感器的特點(diǎn)是，它只在由于外界的輻射而引起本身溫度變化時(shí)，才給出一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就不再有信號(hào)輸出。

　　所以，熱釋電信號(hào)與它本身的溫度變化率成正比，即熱釋電傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體敏感。

　　通常，敏感單元材料阻抗非常高，因此要用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換后才能實(shí)際使用。電路中高阻值電阻Rg 的作用是釋放柵極電荷，使場(chǎng)效應(yīng)管正常工作；采用源極輸出時(shí)，要外接源極電阻Rs，源極電壓約為0.4 ～ l.0V。

　　制成敏感單元的PZT（ 鋯鈦酸鉛） 是一種光譜材料，能探測(cè)各種波長(zhǎng)輻射。為了使傳感器對(duì)人體敏感，而對(duì)太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片做窗口。濾光片使人體輻射的紅外線強(qiáng)的波長(zhǎng)正好落在濾光窗相應(yīng)波長(zhǎng)的中心處，所以濾光窗能有效地讓人體所輻射的紅外線通過，而阻止太陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，以免引起干擾。

　　為提高傳感器的靈敏度，可在傳感器前1 ～ 5cm處放置菲涅爾透鏡，使探測(cè)距離從一般的2m 提高到10 至20m。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，可不加菲涅爾透鏡。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器往往需要預(yù)熱，這是由傳感器本身決定的。一般被動(dòng)紅外探測(cè)器需要一分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間。

　　二、紅外線報(bào)警器的仿真設(shè)計(jì)

　　在NI Multisim11 工作平臺(tái)創(chuàng)建紅外線報(bào)警器電路如圖3 所示。電路創(chuàng)建說明如下：

圖3 紅外線報(bào)警器電路

　?。?）從模擬元件庫(kù)調(diào)用LM324AJ 集成運(yùn)算放大器；指示元件庫(kù)調(diào)用紅色和綠色的發(fā)光二極管（LED）；儀器庫(kù)中調(diào)用四蹤示波器及萬用表。

　?。?）紅外線報(bào)警器電路采用SD02 型熱釋電人體紅外傳感器，當(dāng)人體進(jìn)入該傳感器的監(jiān)視范圍時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流電壓（幅度約為lmV），該電壓的頻率與人體移動(dòng)的速度有關(guān)。在正常行走速度下，其頻率約為6Hz。所以圖3 中，用幅值為1mV，頻率為6Hz的正弦交流信號(hào)源V1 和開關(guān)J1 來代替紅外傳感器。

　　電路中，R3、C4、C3 構(gòu)成退耦電路， R1 為傳感器的負(fù)載，C2 為濾波電容，以濾掉高頻干擾信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)加到運(yùn)算放大器U1A 的同相輸入端，U1A 構(gòu)成同相比例放大電路，其電壓放大倍數(shù)取決于R4 和R2，其大小為：

　　U1A 放大后的信號(hào)經(jīng)電容C6 耦合至運(yùn)算放大器U1B 的反相輸入端，構(gòu)成反相比例放大電路，電阻R6、R7 將U1B 同相端偏置于電源電壓的一半。U1B 的電壓放大倍數(shù)為：

　　因此， 傳感器信號(hào)經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放后總共放大了Auf1×Auf2=112×（-42）=-4704 倍。

　　U1C 和U1D 構(gòu)成雙限幅電壓比較器，U1C 的參考電位為：

　　U1D 的參考電位為：

　　另外，C7、C9 為退耦電容。C1、C3、C8 用于保證電路對(duì)高頻信號(hào)有較強(qiáng)的衰減作用，對(duì)低頻信號(hào)有較強(qiáng)的放大作用。

　　仿真測(cè)試及分析。創(chuàng)建好電路后可激活電路進(jìn)行仿真，在菜單中執(zhí)行“Simulate”/“Run”命令；也可啟動(dòng)窗口上的仿真開關(guān)或單擊仿真按鈕，即可進(jìn)行仿真觀察。

　?。?）當(dāng)開關(guān)J1 斷開時(shí)，表示傳感器無信號(hào)輸出，運(yùn)放U1B 靜態(tài)時(shí)，由于同相端電位為2.5V，其輸出電平為XMM1=2.428V，由于XMM3 ＜ 2.428V ＜ XMM2，所以，運(yùn)放U1C 和U1D 輸出為-5.02V 低電平，故靜態(tài)時(shí)，LED1 和LED2 均不發(fā)光。

　?。?）當(dāng)開關(guān)J1 閉合，V1 信號(hào)源輸出頻率為6Hz，幅值為1mV 的正弦交流信號(hào)，表示人體進(jìn)入監(jiān)視范圍，此時(shí)，雙限比較器的輸入發(fā)生變化，其輸入輸出波形如圖4 所示。當(dāng)運(yùn)放U1B 輸出為4.015V，因此，運(yùn)放U1C 輸出為3.771V 高電平，LED1 亮。當(dāng)運(yùn)放U1B輸出為1.928V，故運(yùn)放U1D 輸出為3.796V 高電平，LED2 亮。說明當(dāng)人體在監(jiān)視范圍內(nèi)走動(dòng)時(shí)，LED1 和LED2 交替閃爍。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)相符，如表1 所示。

表1 紅外線報(bào)警器仿真結(jié)果

圖4 雙限比較器的輸入和輸出波形

　　三、紅外線報(bào)警器的制作

　　實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的紅外線報(bào)警器所需的元器件和材料清單見表2。

表2 元器件和材料清單

　　1. 自制印制電路板

　　用熱轉(zhuǎn)印法制作印制電路板，制作步驟：

　?。?）用Protel 或其他軟件設(shè)計(jì)好印制電路板圖，參考圖如圖5 所示。實(shí)際應(yīng)用中傳感器PY 的1 腳接電源+5V；PY 的2 腳接運(yùn)算放大器的3 端，PY 的3 腳接地。

圖5 PCB圖

　　（2）用激光打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的印制電路板圖打印在轉(zhuǎn)印紙上。

　?。?）用細(xì)砂紙擦干凈敷銅板，磨平四周，將打印好的轉(zhuǎn)印紙覆蓋在敷銅板上，送入照片過塑機(jī)（ 調(diào)到180?C ～ 200℃ ） 來回壓幾次，使融化的墨粉完全吸附在敷銅板上。若敷銅板足夠平整，可用電熨斗燙幾次，也能實(shí)現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移。

　　（4）敷銅板冷卻后揭去轉(zhuǎn)印紙，放到雙氧水+ 鹽酸+ 水（2:1:2）混合液或一份三氯化鐵和兩份水的比例配制成三氯化鐵溶液中腐蝕后即可形成印刷電路板。

　　（5）腐蝕完后，對(duì)電路板進(jìn)行鉆孔和磨邊處理，再用濕的細(xì)砂紙去掉表面的墨粉。

　　2. 安裝與調(diào)試

　?。?） 元器件測(cè)試： 所有的元器件分別用萬用表測(cè)試參數(shù)及辨別好壞。

　?。?） 元器件裝配：插入集成芯片時(shí)要注意管腳位置，二極管、發(fā)光二極管、電解電容要注意極性。

　?。?） 焊接：焊接時(shí)間不要太長(zhǎng)，以免把元件燙壞。避免虛焊、錯(cuò)焊，盡量使焊件排列整齊，焊點(diǎn)光潔、美觀。

　　（4） 調(diào)試：

　　通電前，先仔細(xì)檢查已焊好的電路板有無錯(cuò)漏。然后，用萬用表的電阻擋檢查電源的正負(fù)之間有無短路和開路現(xiàn)象，若不正常，應(yīng)排除故障后再通電進(jìn)行調(diào)試。

　　在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，可不必加菲涅爾透鏡，直接用SD02 檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。將傳感器背對(duì)人體，用手臂在傳感器前移動(dòng)（注意傳感器的預(yù)熱時(shí)間），觀察發(fā)光二極管的亮暗情況，即可知道電路的工作情況。

　　如電路不工作，在供電電壓正常的前提下，可由前至后逐級(jí)測(cè)量各級(jí)輸出端有無變化的電壓信號(hào)，以判斷電路及各級(jí)工作狀態(tài)。在傳感器無信號(hào)輸出時(shí)，U1A 的靜態(tài)輸出電壓為0.4 ～ 1V 之間，U1B 的靜態(tài)輸出電壓為2.5V，U1C、U1D 靜態(tài)輸出均為低電平。若哪有問題，排除該級(jí)的故障。