热电式红外传感器原理及说明

热电式红外传感器是被动式的红外传感器，其内部核心芯片为Biss0001。

下面对biss0001做重点介绍：

Biss0001有如下特点：

.CMOS工艺

.数模混合

.具有独立的高输入阻抗运算放大器

.内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰

.内设延迟时间定时器和封锁时间定时器

.采用16脚DIP封装

图3-1B ISS0001引脚图

表3.1 BIS0001引脚及其功能介绍

引脚 名称 I/O 功能说明

1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发

2 VO O 控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。

3 RR1 -- 输出延迟时间Tx的调节端

4 RC1 -- 输出延迟时间Tx的调节端

5 RC2 -- 触发封锁时间Ti的调节端

6 RR2 -- 触发封锁时间Ti的调节端

7 VSS -- 工作电源负端

8 VRF I 参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位

9 VC I 触发禁止端。当Vc时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR≈0.2VDD)

10 IB -- 运算放大器偏置电流设置端

11 VDD -- 工作电源正端

12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端

13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端

14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端

15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端

16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端

工作原理

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

图3-2 BISS0001接线图

采用热释电传感器的优势是成本低, 不需要用红外线或电磁波等发射源, 隐蔽性好, 可流动安装, 灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应, 能以非接触形式检测出人体辐射的红外线, 并将其转变为电压信号同时, 它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。实际使用中, 热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上, 同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区, 以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性, 这样可大大提高接收灵敏度, 增加检测距离及范围。实验证明, 热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜, 则其检测距离仅为2M左右（检测人体走过）而配上菲涅尔透镜后, 其检测距离可增加到10M以上, 甚至可达20M以上。

不可重复触发由于PIR信号变化缓慢、幅值小, 针对该特点, 专用信号处理器一般分为3步处理滤波放大、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它采用CMOS工艺、数模混合, 具有独立的高输人阻抗运算放大器, 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式供选择, 通过将引脚A置1或0。可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感信号进行预处理后, 通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号Vs。由于选择的是可重复触发方式, Vs可重复触发VO为有效状态, 并可促使VO在延时周期Tx内一直保持有效状态。延时周期的大小可通过R1和C1调节。在Tx时间内, 只要Vs发生上跳变, VO就会从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期;若Vs保持为“ 0”状态, 则VO一直保持有效状态;若保持为“0”状态, 则在周期Tx结束后VO恢复为无效状态, 并且在封锁时间Ti时间内,任何Vs的变化都不能触发VO为有效状态。工作方式：

利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压Vc≈0.2VDD)时，COP3输出为低电平封住了与门U2,禁止触发信号Vs向下级传递；而当Vc>VR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。 当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。[18]

3.1.2 气体传感器的选取

气体传感器选择的是MC1468.

MC系列芯片MC14468为离子型熘雾检测报警芯片，是目前市场上很流行的集火灾检测与报警于一体的智能传感器。当检测到烟雾颗粒时，它能驱动其外围连接的压电陶瓷蜂鸣器或压电式扬声器发出报警声．与此同时 还驱动发光二扳管(LED)以lHz的频率闪烁发光，利用声光报警达到烟雾报警的最佳效果。MC14468的1脚(检测输出端)直接联接单片机的INT0．当检测到烟雾时．其输出的高电平通过INT0控制单片机内部定时器TO工作，定时90ms，TO溢出中断 进入中断服务程序，通过串口发送数据(房间号或之前对该系统的有意义编码)给单片射频收发器cc2430。在检测到烟雾时，MC14468自身的100 mV的滞后电压会防止其他井界因素(如飞虫)造成的误报警。辅以单片机产生90 ms的延时．更能提高系统的可靠性。其构成的烟雾检测电路如图所示。

图3-3 设计原理图

上图是我们用MC14468设计的TA—JY一9708型家用火灾自动探测报警器的原理图，图中离子室中的离子电流随着探测现场的烟雾变化而变化，从而产生微弱的电压变化传到检测端l5，由MC14468内部的逻辑处理电路处理后，启动蜂鸣器驱动电路，蜂呜器驱动电路经外接的C10、R10和R9形成调制的变顿输出．从而推动蜂鸣器发出报警声。通过报警声音和发光二极管Vl的田烁等来判定所处的各种状态。当Vl发光二极管田亮，并且蜂鸣器发出刺耳的音频报警声时为奉处有火灾报警信号，当只有刺耳的报警声，而发光二极管不闪亮时．为本区域探测网中其他地方报警，提醒用户注意危险。当为一短促的嘟嘟声，且v1发光二极管闪亮时．为电池欠压告警，提醒用户更换电池。当为一短促的嘟啷声，且Vl发光二极管不亮则为探测报警器的灵敏度级别有所降低，提醒用户进行适当的维护，以提高其探测灵敏度。同时不同状态的闪亮频率还有所区别。蜂鸣器X1共有三个极，分别为B极、s极、F极，系美国进口．由中美合资合肥天安电子有限公司经销 B1为9V叠层电池，探测报警器处于监控状态时电流只有10 A左右+所以一般情况下电池至少可以使用一年以上 图中R8用来设置电池欠压告警值，可以根据需要来进行调整，R7用来设置探测灵敏度，R4定时电阻一般选用8．2M 。V1可选用目前市场上晟新推出的高亮度发光二极管，以减少损耗 R1，R2和V2，V3是当接成区域报警网时用来保护芯片免遭意外干扰或静电等造成损坏。离子室所用放射源可选用镅241(Am241)．强度约0．8徽居里左右即可。探测报警器安装后一般每一十月要自检一次，检查其报警等各种功能是否正常。为此设置了一自检按钮，安装在壳体的外部，以供用户自检使用。整个装置为全塑乳白色外壳，美观大方，内设有金属屏蔽层，可防止外部各种信号干扰，结构紧凑．为吊顼式安装。内置的离子源强度较小．不会对环境造成污染，不会对人体造成伤害．符合有关规范要求。类似MC14467—1和MC14468的芯片还有摩托罗拉公司生产的MC1 4578MC14570．它们的基本工作原理相同．只是因其内部无电池欠压告警电路，只能通过外接集中供电电源来实现，比较实用于一个较大的住宅小区，采用统一的电源而在布线时引至每一安装此装置的居民家中即可。

检测输入端的邻近脚均设置有隔离保护，这三个脚的输入端电压必须在lO0mV以内，以维持其泄漏电流最小化，提高其测量精度，15脚检测输入端内部设置有保护二极管，防止静电干扰等引起场效应管损坏。烟雾探测的灵敏度和电池欠压告警值可通过外接电阻来设置，它们共用一个电阻分压网络，通过3脚将电阻接到VDD，可设置电池欠压告警电压值，通过13脚将一电阻接至Vss可设置灵敏度级别；灵敏度级别的设置也可以通过改变离子室的结构或离子源的强度。电池欠压告警值一般设置为7．OV左右。Mc14468还可工作于一种自检模式，用来检测装置的工作状态，将1脚接至VDD可模拟检测出有烟等情况MC14468还具有一个i／o脚，可将约40个稔测单元构成一个多点探测区域，在得电后的三个振荡器周期内，1／o引脚处于无效状态． 消除其它单元的意外变化引起的误报警等，为提高噪声抑制能力，它同其它单元信息交换主要采用电流传输方式。

3.1.3 燃气泄露传感器

燃气泄露传感器选择的是电化学传感器，下面简单介绍一下电化学传感器的原理并给出其用于气体检测的电路图。

电化学传感器原理：化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。 识别系统反待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。

图3-4气体检测电路图

.电位差

.由于 IC1 的负反馈调节作用，参比电极被控制为零电位（虚地）

为保持参比电极为零电位，Counter 和 Sensing 的电位都必须随溶液成分变化时调节，这样输出电压就能反应溶液成分。

.Rload控制反应时间，ic2上方的反馈电阻控制放大倍数，建议采用惯性电路增强稳定性

3.1.4 温度传感器

美国DALLAS公司生产的 DS18B20具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

特性

• 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯

• 简单的多点分布应用

• 无需外部器件

• 可通过数据线供电

• 零待机功耗

• 测温范围-55~+125℃，以0.5℃递增。华氏器件-67~+2570F，以0.90F 递增

• 温度以9 位数字量读出

• 温度数字量转换时间200ms（典型值）

• 用户可定义的非易失性温度报警设置

• 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件

• 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统

3.2 ZigBee模块介绍

ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。[22]

ZigBee技术特点

.低功耗；

.低成本；

.低速率；

.近距离；

.短时延；

.高容量；

.高安全；

.免执照频段。

各类传感器原理及说明