沈阳理工大学 3 检测信号放大电路设计
红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，他在各领域都得到广泛的应用。由于他是不可见光，因此用他做防盗报警监控器，具有良好的隐蔽性，白天黑夜均可使用，而且抗干扰能力强。而本设计输入部分主要是各种各样的传感器，不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为；若更换其他的传感器，该系统还可以用于火灾报警、煤气泄漏等报警。
本章节主要介绍几种不同的利用红外线检测报警的电路，并由此得出检测信号放大电路。
3.1 热释红外线传感器典型电路
热释红外线传感器由于具有独特的优异功能，被广泛应用在国防和民用领域，作遥控、遥测、防盗、警戒、放火及自动化设施，其原理及典型应用电路如图3.1所示。 热释红外线传感器主要由高热系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成，它能以非接触形式，检测出物体放射出来的红外能量变化，并将其转换成电信号输出[5]。
金属、塑料封装热释红外传感器，内装有变换阻抗用的场效应晶体管，输出阻抗一般为10～47kΩ，顶端或侧面装有滤光镜片，用来选择接收不同波长的热释红外线。人体辐射的红外线中心波长为9～10μm,而这种探测元件的波长灵敏度特性在0.2～20μm,范围几乎是稳定不变的.在硅片表面上截止波长7～10μm的滤光片,使波长超过7～10μm的红外线通过,而小于7μm的红外线被吸收,于是就得到只对人体敏感的热释红外线。如果用菲涅耳透镜配合放大电路，将检测出来的红外信号放大60～70dB，则可检测出10～20m处人的行动。热释红外线传感器的文字符号为AT。
图3.3为热释红外线传感器的典型应用电路。若AT为双元件热释红外线传感器其内部电路见图3.1，其接收波长为6.5~14μm，适用于防盗报警系统，输出阻抗为10kΩ;若AT为单元件热释红外线传感器其内部电路如图3.2所示，接收波长为1~20μm，适用于温度遥测，但同样亦可用于防盗及自动控制系统。
在这例电路中，当AT接收到人体信号时，输出一个微弱的低频信号，其频率约为0.3～3Hz。经晶体管VT1和运算放大器A1组成的两级放大器将信号放大至70～75dB。由A2等组成的电压比较器，设定一个参考电压。在无目标进入时，末级无输出；一旦
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沈阳理工大学 有目标进入探测范围，AT则有信号输出，经放大后，电压高于比较器设定电压时，A2输出高电位，VT2导通，继电器K吸合，其触点接通报警电路或控制电路，实现热释红外线探测之目的。
D电源+D地－＋S输出S输出－E地E地
图3.1 双元件热释红外线传感器 图3.2 单元件热释红外线传感器
图3.3 热释红外线传感器典型电路
3.2 红外线探测信号放大电路设计
红外线探测信号放大电路设计中红外线探测器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。
该设计电路原理见图3.4。由红外线传感器、晶体三极管、运算放大器、电压比较
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沈阳理工大学 器、V/I转换器等组成。
+6VR31KC2+8R4100K8R910KU3AC5124+R1110KU3B7R12R13R14100K470K100K8R64.7K5643VD3IN4001U4A1R1612.5KLM393+10VR1750KR181KU523-+OP273U628676-INV-NCSenseV+Output+INRefINA10514~20mA5R2050.14R1950.1234U2DSEQ7412C1+R21MVT1901447u22u/16VLM358R10100KVD2IN4001RP1R8300KC40.01LM358347u/16VR147KR5R7100K10KR15300K热释电红外线传感器A+C322u/16V100K图3.4 微弱信号放大电路
(1) 检测部分
传感器采用带菲涅耳透镜的热释电红外线传感器。 U2-热释电红外线传感器
U3-低功耗双运算放大电路LM358 U4-电压比较器LM393
U5-低漂移高增益运算放大器OP27 U6-V/I转换器芯片INA105
红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由U2的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器U3中进行高增益、低噪声放大，此时由U3的7脚输出的信号已足够强。U3作电压比较器，它的第⑤脚由R9、VD2提供基准电压，当U3的1脚输出的信号电压到达U3的5脚时，两个输入端的电压进行比较，此时U4的1脚由原来的高电平变为低电平。此时LM393的1脚输出的是一个方波信号，然后将之输入到一个V/I转换器INA105,它的输出将是一个4~20mA的电流信号，以便于远距离传输。
U2采用进口器件Q74，波长为9－10um。U3采用运放LM358，具有高增益、低功耗。U4为双电压比较器LM393，低功耗、低失调电压。其中C2、C5一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。RP1是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度
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沈阳理工大学 密封型。
制作时，在U2传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体活动频率范围为0.1－10Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。 （2）单片机系统部分
检测信号入单片机接口图如图3.5所示。
红外线探测放大电路与单片机的具体连接见附录总图。
单片机的P3.6口用来检测热释电红外传感器的返回信号，传感器传过来的是一个4~20mA的电流信号，接一个250欧姆的电阻使其转换成1V~5V的电压信号，此电路中只可能为1V和5V两种情况，再通过一个电压比较器LM393,当LM393的2脚为5V时，输出为高电平，光电耦合器导通，单片机P3.6的输入口将为低电平（其余时刻为高电平），表示检测到有人。
P3.6
图3.5 检测信号与单片机接口图
3.2.1 集成电路运算放大器
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多极直接耦合器放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，图3.6表示集成运放的内部电路组成框图。输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成，输出级一般由电压跟随放大器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此
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沈阳理工大学 外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等3.2.2 精密多功能运算放大器INA105
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INA105精密多功能运算放大器是集成运放与外围元件有机结合、并利用集成工艺与激光调阻技术相结合所形成的不同于常规集成运放的放大器件。利用这种新器件的不同组合连结，可以组成各种很有特色的精密应用电路。
该器件核心部分是一个精密运算放大器，其失调电压典型值仅为50μV，失调电压漂移5μV/℃，共模抑制比大大于86dB。与常规集成运放不同的是，它在芯片上同时制作了四个电阻，分别连接运放的两个输入端，如图3.7所示。这四个电阻通过激光调阻技术将它精确到25KΩ。这样利用四个电阻的不同连接，就能组成很有特色的应用电路，而且一般无需再外接精密电阻。
图3.6 集成电路运放大器内部组成原理框图
由于激光调阻值精度极高，用它组成增益为1的电压跟随器（缓冲器）时，其增益误差小于0.01%,非线性误差小于0.001%。该器件最大工作电压为±18V，工作温度范围为0～70℃(后缀为P及U)及－25～＋85℃(后缀为M)。
1、具有差动输入的电压－电流变换器电路
图3.8是具有差动输入的电压－电流变换器电路.输入的差动电压分别为V1 、V2。
1??1输出的电流I0??V1-V2??K??。
R??25式中R为外接电阻，改变不同的R值可获得不同的I0值。 2、精密4～20MA电流变送器电路
图3.9是一种由0～10V变化的电压（由传感器经放大器输出的电压）经本电路转变为4～20mA的变换器电路。电路设计成在0V时为4mA电流，而在10V为20mA电流的电压-电流变换电路。其中REF为10V的基准电源。
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