1.1 设计背景
近年来，随着经济和科技水平的高速发展，电子电器发展迅猛，人民的生活水平有了很大提高，各种高档家电产品和贵重物品渐渐进入了千家万户，然而一些不法分子也越来越多，由于大部分人防盗意识还不够强，造成偷盗现象屡见不鲜。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
报警器的出现为人们解决了不少问题，但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司及财政机构，价格高昂，一般用户难以接受。如果设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
红外报警器大多数采用国外的先进技术，其中被动式热释电型红外报警器是一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，也即是本文将研究的产品。此外，还有红外监控无线报警器，超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器, 触摸式防盗报警器，红外报警器，红外线声光报警器。
1.2 设计目标
通过对红外线报警器系统的设计与分析，用集成运放LM324、红外传感器、二极管等器件设计电路，可监视几米到几十米范围内运动的人体，当有人在该范围走动时发出报警信号，并且运用multisim软件对电路进行仿真。
1.3 必备条件
1.学习集成运放LM324、红外传感器、二极管等基本知识，了解其应用及其特点。
2.了解学习红外线报警器的分类及其工作原理。
3.学习运用multisim软件绘制电路原理图并进行仿真分析验证。
2 总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料，结合自己的所学的实际知识，我主要提出了如下两种种方案来实现红外报警功能。下面我将对这两种方案的实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。
2.1 方案比较
2.1.1 方案一
方案一电路原理图如图2-1所示。
图2-1 方案一的电路原理图Atmega8的PD0端口输出经过调制的38KHZ的方波信号，然后经Q2驱动红外线发射管LED0发出红外线信号。TL0038是集红外线信号接收放大为一体的接收器。其中心接收频率为38KZH，输出为TTL电平，平时输出高电平，当收到码信号后，输出低电平。 BELL为长鸣蜂鸣器，两个引脚分别为正负极，当正负极两端加上5V电压后，蜂鸣器发出响声。注意，该蜂鸣器两脚不能接反，否则蜂鸣器会烧毁。 电路工作后，正常情况下TL0038接收不到红外信号，而输出高电平。当有物体出现在发射管前方时，TTL0038会接收到从物体上反射回来的红外光信号，然后输出低电平通知MCU打开蜂鸣器报警。
2.1.2 方案二
方案二的电路原理图如图2-2所示。
图2-2 方案二的电路原理图
在电路中采用KP506B型热释电人体红外线传感器，当人体进入该传感器的监视范围时，传感器会产生交流电压，电路中，R3、C4、C5构成退耦电路，R1为传感器的负债，C2为滤波电容，以滤掉高频干扰信号。A1放大后的信号经电容C6耦合至放大器A2反相输入端，A2构成反相输入式放大电路。传感器无信号输出时，A1静态输出电压为0.4～1V之间，因此，在静态时，LED1发光。当人体进入监视范围时，双限比较器的输入发生变化，A3输出高电平，LED2发光，当人体退出时，LED1和LED2熄灭。
2.2 方案选择
基于以下方案对比：一、方案一静态时TL0038接收不到红外信号，而输出高电平，方案二在静态时，输出低电平，且只有LED1发光，故方案二功耗更小；二、方案二不需要用红外线或电磁波等发射源，成本更低；三、方案二较之方案一来说灵敏度更高、控制范围更大。故选择方案二。
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3 红外报警器分类及原理
3.1 红外报警器分类
1.主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，是由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束（此光束的波长约在0.8～0.95微米之间），经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般应用在周界防范居多。2.被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10μm左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而报警。
3.2 热释电红外传感器原理
热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式 该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器 来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。双探测元热释电红外传感器的结构。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0．2～20μm。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
4 电路组成及单元模块
4.1电路组成简述
电路的总体设计其中包括电源部分和报警电路部分，电源部分主要由+5V的直流电压为报警电路的正常工作提供电压；报警电路主要是由热释电红外传感器、LM324集成运算放大器、发光二极管、电阻电容构成。传感器主要的工作就是把采集到的人体红外线转换成电压信号，由于此时的电压比较微弱所以要经过LM324的放大后的电压输入到电压比较器进行比较来控制相应的发光二极管指示灯工作。其电路的组成框图如图4-1所示。
图4-1报警器电路的组成图
1．电源：通过交流电经变压器的变压、桥式二极管的整流、电容的滤波、稳压器的稳压得到5V的直流电压。
2．传感器：传感器主要是用来采集人体的红外线信号并将该信号转换成电信号的器件。
3．放大滤波：是由集成运算放大器LM324和电容构成对传感器的信号进行放大和滤波供下一级电路使用。
4．比较器：这里采用的是双限电压比较器，把电路中的基准电压U1和U2作为参考电压（U1>U2）与比较器输出的电压作比较控制指示电路指示是否有人进入的情况。
4.2单元模块设计
4.2.1 电源电路设计
直流电源（DC power）有正、负两个电极，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流来为电路工作提供能量。设计采用的是5V的芯片，所以电路设计为5V的电源，电源电路原理图见附录一。
首先利用二极管的单向导电性，可将1交流电变成脉冲直流电，其过程称为整流，在负载RL两端并接上电容值较大的电解电容，可将脉冲直流电过滤成较平稳的直流电，称为滤波。波形②将会变得较为平滑或成一条直线③。综上所述，交流电通过整流、滤波可以变成直流电。如图4-2所示。
（a） （b）
图4-2交流整流及滤波波形
稳压电路的原理图如图4-3所示。当外部电容应用于任何集成电路稳压时，有时必须加保护二极管以防止电容在低电流点向稳压器放电，LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5--32V电流1.5A不过在用的时候要注意功耗问题注意散热问题。
图4-3 稳压电路图
4.2.2KP506B红外传感器
KP506B红外传感器实物如图4-4所示。红外线传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大，红外线传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环，如图4-5所示。
图4-4 KP506B红外传感器实物 图4-5 红外传感器感应方向
如果只看实物可能分不出红外传感器的引脚，常用的红外传感器金属装封的，有窗口，接地的引脚是和外壳相通的，这较好分别，另外两个引脚与地引脚电阻都很大，很难分别。如果是自己安装这个元件安装时引脚要尽量短，远离其它发热元件，除了窗口，其它的元件最好用厚纸隔开，否则装好后误差大，常误触发。常见的引脚位置如图4-6所示，KP506B内部功能图如图4-7所示。
图4-6 KP506B 图4-7 KP506B内部功能图
KP506B的基片材料是硅材料，采用的是T0-5封装，尺寸参数为：
1. 灵敏元面积为：2.0mm 1.1mmGap 0.9mm Dual，双元
2. 基片厚度为：0.5mm
3. 窗口尺寸为：5.2 3.8mm
4. 工作波长为：5～14um
5. 平均过透率为：>75％
6. 输出信号为：>2.2V
7. 灵敏度为：3300V/W
8. 探测率为：1.5 108cmHz1/2/W
9. 噪声（Vp-p）为：<200mV (25℃)
10. 平度度为：<20％
11. 工作电压为：2.2～15V
12. 工作电流为：8.5～24uA(25℃)
13. 原极电压为：0.4～1.1V(25℃)
14. 工作温度为：-20℃ ～ +70℃
15. 保存温度为：-30℃～ +80℃
16. 视场为：边缘角55° 51°
4.2.3LM324集成运放
集成运算放大器（简称集成运放）是用集成电路工艺制成的，具有很高电压增益的直接耦合多级放大器，它的基本结构是由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成，如图4-8所示。
图4-8 集成运放组成框图
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它优点显著。LM324的优点如下：
1．短跑保护输出。
2．真差动输入级。
3．可单电源工作：3V～32V。
4．低偏置电流：最大100nA（LM324A）。
5．每封装含四个运算放大器。
6．具有内部补偿的功能。
7．共模范围扩展到负电源。
8．行业标准的引脚排列。
9．输入端具有静电保护功能。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图5-12所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同，可工作在单电源下，电压范围是3.0V～32V或+16V。LM324的引脚排列如图4-9所示。
图4-9 LM324引脚图
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4-10所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反，Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚封装见图4-11所示，由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
图4-10 集成运算放大器 图4-11 LM324封装引脚图
4.2.4比较器电路设计
单限比较器只能检测一个电平，若要检测Ui是否处于U1和U2两个电平之间，则需采用双限电压比较器（又称窗口比较器）。双限电压比较器常用于工业系统控制中，当被监测的对象（如温度、液位）超出要求时的范围时，便可以发出指示信号。
如图4-12所示使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui < U2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。
图4-12 双限电压比较器
若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 > U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。
通过以上对电路的分析与设计，最终完成了5V电源的设计，也了解了LM317芯片的功能与作用和桥式整流二极管的工作原理与整流过程。通过对LM324集成运算放大器性能和特点的分析，从各个方面了解了LM324集成运算放大器以及LM324构成的同相放器、反相放大器和电压双限比较器的原理并且以此运用在整机电路的设计中以发挥出良好的效果。
仿真与验证
通过对电路的分析完成了电路的初步设计，但是也不知道电路设计功能是否满足要求，这时就需要对电路进行模拟仿真以观察电路的性能参数，打开multisim软件在软件里画好仿真图，点击仿真按钮，观察电路的现象是否符合设计要求，如果不符合要求就要检查仿真电路是否有错，如果没有错误就要考虑电路原理设计是否有误，更改后在进行电路模拟仿真，重复以上步骤直到电路仿真与设计要求相符合。电源电路的仿真效果图如图6-1所示，仿真结果显示输出电压为5.024V，符合设计所需要的5V直流电压源的要求。
图6-1 电源电路仿真
红外线热释电传感器未采集到信号时(即开关断开)，LED1绿灯亮起，表示情况正常。其仿真效果图如图6-2所示，满足设计需求。
图6-2 未采集到信号
红外线热释电传感器采集到信号(即开关闭合)后，LED2红灯亮起，表示有人闯入即发出报警信号，其仿真效果如图6-3所示，满足设计要求。
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