热释电人体红外检测电路说明书
电子技术实训设计任务书
目 录
一．设计目的 . ............................................................................... 3
二．设计任务 . ............................................................................... 3
三．设计要求 . ............................................................................... 3
四．总体方案设计与选择及电路图 .............................................. 3
五．单元电路的设计 . .................................................................... 4
六．确定元器件及参数 ................................................................. 6
七．电路焊接及调试过程中遇到的问题及解决办法 .................... 6
八．分析与心得 ............................................................................ 6
参考文献 ....................................................................................... 8
一．设计目的
(1)了解热释人体红外传感器的结构和基本原理；
(2)了解热释人体红外传感器的应用；
(3)熟悉运算放大器的线性电路的应用。
二．设计任务
(1)设计一个由热释电人体红外传感器组成的放大检测电路，当有人在热释电检测的电路的有效范围内走动时，将引起发光二极管的交替闪烁；
(2)放大电路选用LM324芯片。
三．设计要求
(1)利用热释电人体红外传感器组成的放大检测电路，放大电路选用LM324芯片；
(2)选择合适的电路器件；
(3)完成电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图；
(4)撰写设计报告；
(5)上交制作产品一件。
四．总体方案设计与选择及电路图
本实训所采用的电路图如图4——1所示。
图 4——1 热释人体红外线检测电路图
五．单元电路的设计
（一）LM324的引脚及功能特点
本实验用到的主要芯片LM324引脚图如图5——1所示，通用型低功耗集成四运放LM324。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图5——1所示。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。，既可接单电源使用 (3～30 V)，也可接双电源使用(±1.5～±15 V)，驱动功耗低，可与TTL 逻辑电路相容。
LM324 的功能特点：
(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
图 5——1 LM324引脚图
（二）热释电人体红外传感器结构和原理
热释电红外(PIR)传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu 公司的P2288，日本Nippon Ceramic 公司的SCA02-1、RS02D 等。虽然它们的型 号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。
图 5——2热释电传感器实物图
热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图5——2所示。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相 反串联的。
当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。
当人体静止在传感器的检测区域 内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。
图 5——3双探测元热释电红外传感器
当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤7.0~14um波长以外的红外线。人体的正常体温为36~37.5℃，309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um ，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。
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。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M Ω，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D 端接电源正极，G 端接电源负极，S 端为信号输出。
对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低(一般为0.1~10Hz)，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般5~15um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。
被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图5——3所示。图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”
，以提
高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；其电目标检测流程图图如图5——4所示；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。
图5
——4
六．确定元器件及参数
本电路实验使用的元器件名称及参数如表
5——
1所示：
表
5——
1 元器件参数
七．电路焊接及调试过程中遇到的问题及解决办法
在焊接电路开始时遇到的最大问题就是，面对原理图焊接时，由元器件摆放够合理，出现了许多特长的线，不但影响布线速度，而且也给后来的调试带来了不比要的麻烦。弄得板子正面导线非常的乱，也不够美观。其次在布线时，因为不准交叉布线，且横平竖直，在保证连通的情况我将原理图改画成了连图这样布线的问题就得到了较好的解决。
八．分析与心得
通过这次实训我了解热释人体红外传感器的结构和基本原理和了解热释人体红外传感器的应用，并且还基本熟悉运算放大器的线性电路的应用。从理论到实践可以说苦
多于甜。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了2天的奋战，紧张而又充实的课程设计终于落下了帷幕。
2周设计对热释人体红外线传感器的设计，大大提升了自己的能力，对自己知识面的扩展都有了很大的提高，我也深深的体会到，实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。我也将许多遗忘的知识又给温习了。
参考文献
【1】 吴中俊，黄永红. 可编程控制器原理及应用（第2版） 机械工业出版社，2005
【2】 刘全忠 刘艳莉. 电工技术（电工学Ⅱ）（第三版） 高等教育出版社
【3】 童 诗 白 .模拟电子技术，第二版[M].北京：高等教育出版社，1999.
【4】 翟贵荣. 双敏感元件——热释电红外传感器及应用[J].Electronics DIY, 2001, (11):15-16.
【5】 孙俊人. 新编电子电路大全，合订本（IV-37）[M].北京：中国计量出版社，2001.
【6】 樊尚春. 传感器技术新发展[J].世界电子元器件，2002，（12）：26-27.
课程论文(设计) 指导教师评阅表
课程论文（设计）题目
学生姓名 学院 机电学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 学号
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一．设计目的 . ............................................................................... 3
二．设计任务 . ............................................................................... 3
三．设计要求 . ............................................................................... 3
四．总体方案设计与选择及电路图 .............................................. 3
五．单元电路的设计 . .................................................................... 4
六．确定元器件及参数 ................................................................. 6
七．电路焊接及调试过程中遇到的问题及解决办法 .................... 6
八．分析与心得 ............................................................................ 6
参考文献 ....................................................................................... 8
一．设计目的
(1)了解热释人体红外传感器的结构和基本原理；
(2)了解热释人体红外传感器的应用；
(3)熟悉运算放大器的线性电路的应用。
二．设计任务
(1)设计一个由热释电人体红外传感器组成的放大检测电路，当有人在热释电检测的电路的有效范围内走动时，将引起发光二极管的交替闪烁；
(2)放大电路选用LM324芯片。
三．设计要求
(1)利用热释电人体红外传感器组成的放大检测电路，放大电路选用LM324芯片；
(2)选择合适的电路器件；
(3)完成电路理论设计、制作、调试，并画出电路原理图；
(4)撰写设计报告；
(5)上交制作产品一件。
四．总体方案设计与选择及电路图
本实训所采用的电路图如图4——1所示。
图 4——1 热释人体红外线检测电路图
五．单元电路的设计
（一）LM324的引脚及功能特点
本实验用到的主要芯片LM324引脚图如图5——1所示，通用型低功耗集成四运放LM324。 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图5——1所示。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。，既可接单电源使用 (3～30 V)，也可接双电源使用(±1.5～±15 V)，驱动功耗低，可与TTL 逻辑电路相容。
LM324 的功能特点：
(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
图 5——1 LM324引脚图
（二）热释电人体红外传感器结构和原理
热释电红外(PIR)传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国Perkinelmer 公司的LHi954、LHi958，美国Hamastsu 公司的P2288，日本Nippon Ceramic 公司的SCA02-1、RS02D 等。虽然它们的型 号不一样，但其结构、外型和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。
图 5——2热释电传感器实物图
热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图5——2所示。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3 制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相 反串联的。
当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。
当人体静止在传感器的检测区域 内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。
图 5——3双探测元热释电红外传感器
当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤7.0~14um波长以外的红外线。人体的正常体温为36~37.5℃，309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um ，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。
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。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M Ω，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D 端接电源正极，G 端接电源负极，S 端为信号输出。
对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低(一般为0.1~10Hz)，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般5~15um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。
被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图5——3所示。图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”
，以提
高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；其电目标检测流程图图如图5——4所示；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。
图5
——4
六．确定元器件及参数
本电路实验使用的元器件名称及参数如表
5——
1所示：
表
5——
1 元器件参数
七．电路焊接及调试过程中遇到的问题及解决办法
在焊接电路开始时遇到的最大问题就是，面对原理图焊接时，由元器件摆放够合理，出现了许多特长的线，不但影响布线速度，而且也给后来的调试带来了不比要的麻烦。弄得板子正面导线非常的乱，也不够美观。其次在布线时，因为不准交叉布线，且横平竖直，在保证连通的情况我将原理图改画成了连图这样布线的问题就得到了较好的解决。
八．分析与心得
通过这次实训我了解热释人体红外传感器的结构和基本原理和了解热释人体红外传感器的应用，并且还基本熟悉运算放大器的线性电路的应用。从理论到实践可以说苦
多于甜。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了2天的奋战，紧张而又充实的课程设计终于落下了帷幕。
2周设计对热释人体红外线传感器的设计，大大提升了自己的能力，对自己知识面的扩展都有了很大的提高，我也深深的体会到，实践必须在充分理解电路原理的基础上，才能做到目标明确，操作准确。我也将许多遗忘的知识又给温习了。
参考文献
【1】 吴中俊，黄永红. 可编程控制器原理及应用（第2版） 机械工业出版社，2005
【2】 刘全忠 刘艳莉. 电工技术（电工学Ⅱ）（第三版） 高等教育出版社
【3】 童 诗 白 .模拟电子技术，第二版[M].北京：高等教育出版社，1999.
【4】 翟贵荣. 双敏感元件——热释电红外传感器及应用[J].Electronics DIY, 2001, (11):15-16.
【5】 孙俊人. 新编电子电路大全，合订本（IV-37）[M].北京：中国计量出版社，2001.
【6】 樊尚春. 传感器技术新发展[J].世界电子元器件，2002，（12）：26-27.
课程论文(设计) 指导教师评阅表
课程论文（设计）题目
学生姓名 学院 机电学院 专业 机械设计制造及其自动化 班级 学号