无线红外探测器02-硬件设计

Posted 2021-08-05 无际单片机编程

一、红外探测器的工作原理

我们今天给大家介绍的是一款被动红外传感器。

在室温条件下，任何物品均有辐射。不同温度的物体释放的红外的能量波长不同，温度越高的物体，红外辐射越强。

人体有恒定的体温，与周围环境温度存在差别。当人体移动时这种差别的变化通过菲涅尔透镜被热释电传感器检测到，经过电路处理，输出报警信号。

以下是红外传感器的原理图解:

热释电红外传感器的实物图:

菲涅尔透镜实物图:

二、红外探测器硬件原理图设计：

原理图设计共包括4部分，分别是电源设计、被动红外探测设计、MCU主控设计、电池低压检测设计、无线发射设计。

1.电源设计:

从产品的规格书知道，本产品的供电电源是一颗DC9V电池。 单片机和系统的供电电压是3V， 需要使用一个稳压芯片HT7530将9V转换成3V，具体的电路设计见下图：

J3：电池夹，连接9V电池

J4: 波动开关， 电源开关。控制红外传感器的开关

C11 C12 :  稳压前端滤波电容

C13 C15:  稳压后端滤波电容

HT7530： 稳压芯片，封装SOT-89  可以提供100MA的输出电流

2. 被动红外探测设计

本产品我们选在的是一款热释电红外传感器的专用芯片BISS0001。

芯片的脚位图如下:

脚位功能说明:

VDD —  工作电源正端。范围为 3~5V。

VSS —  工作电源负端。一般接 0V。

1B —  运算放大器偏置电流设置端。经 RB 接 VSS 端，RB 取值为 1MΩ 左右。

1IN- —  第一级运算放大器的反相输入端。

1IN+ —  第一级运算放大器的同相输入端。

1OUT —  第一级运算放大器的输出端。

2IN- —  第二级运算放大器的反相输入端。

2OUT —  第二级运算放大器的输出端。

VC —  触发禁止端。当 VC <VR 时禁止触发；当 VC>VR 允许触发。VR ≈ 0.2VDD。

VRF —  参考电压及复位输入端。一般接 VDD，接“0”时可使用定时器复位。

A —  可重复触发和不可重复触发端。当 A = “1”时，允许重复触发，当 A = “0”时。不可重复触发。

VO —  控制信号输出端，由 V5 的上跳变沿触发使 VO 从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延迟时间 TX 之处和无 V5 上跳变时 VO 为低电平状态。

RR1RC1 —  输出延迟时间 TX 的调节端。TX ≈ 49152R1C1。

RR2RC2 —  触发封锁时间 TI 的调节端。TI ≈ 24R2C2。

芯片的内部结构框图:

从内部接口可以看出：BISS0001可使用的有两路运算放大器OP1 和OP2.   输入的芯片在合理的电路设计下，可以经过两级放大，把微弱的信号放到到单片机可以处理的信号范围内。

被动红外传感器的原理图设计:

BISS0001 的厂商提供了针对被动红外传感器的参考电路。我们可以直接参考 参考电路来设计我们的原理图：

本产品的原理图设计如下：

触发封锁时间 TI 的调节端

触发锁定时间就是 红外探测的间隔时间，内部有一个定时器。 间隔时间可以有外部的电路来调整。

如上图R15 R16 C3 J2 连接BISS0001的5,6脚来实现了触发锁定时间的定时。J2的1脚和3脚连接，间隔时间是5秒，J2的1脚和2脚连接，定时时间是5分钟。

 锁定时间 ≈ 24*R15*C3  或24*R6*C3

红外热释电路分析

PIR1是热释电红外传感器。

电源输入:   1脚是电源输入，分别由C13、R30、 C17、C18、R31组成了电源电路.  因为热释电红外传感器是一个非常敏感的器件，电源的纹波要求比较搞，为了防止红外的误报，我们在电源输入脚，加了多重滤波。包括R30 R31在这里都是滤波功能。

电源GND：3脚是GND ，直接接GND

信号输出:  2脚是红外的信号输出脚。C8是滤波功能，R25，R26在这里的作用是，将电源的信号放大作用，R25 和R26的阻值固定，按照电阻分压的原理，热释电红外传感器的2脚和BISS0001的14脚成固定比例。14脚的输入电压比传感器的2脚高。

信号输入及处理电路解析

第一级信号放大:

热释电红外传感器的信号输入到BISS0001的14脚，即芯片内部的OP1的同相输入端，OP1的反向输入脚15脚由R22和C4 和16脚（OP1的输入）相连，构成了一个负反馈电路。 

这部分电路是红外传感器的第一级放大电路，信号由16脚输出。

第二级信号放大:

OP1的信号输出脚经过C14,R29,S3 ，将放大的信号输入到OP2的反向输入端13脚。13脚和R23和C5构成了二级放大，将信号进行耳机放大。

其中，S3是一个10K的温敏电阻。主要的作用是让红外感应可以适应高低温使用。（热释电红外传感器受温度因素较高）

报警信号输出

OV脚是BISS0001的信号输出脚，经过R18和Q5，把信号输给单片机处理。

当感应到红外报警的时候，OV脚输出一个高电平。

高电平保持的时间 是由R17和C2决定的。

保持时间≈ 49152R17C2

其他电路

其他电路请大家参考BISS0001查看，在这里就给大家不再分析了

三、 MCU主控设计

红外探测器我们选择的是STC15W204S单片机。MCU部分的电路设计如下:

• 单片机供电：

单片机的6脚是电源输入脚,C1是电源滤波作用，8脚是GND,直接接地线。

• LED控制电路

R8和LED1是单片机的电源指示灯电路。 其中R8的作用是限流。 LED的负极接GND，单片机的P5.5输出高电平,LED亮，输出低电平，LED灭

• 防拆电路

防拆开关S1和R14 组成了产品的防拆功能。 其中R14是上拉作用。

防拆开关按下去防拆开关的1脚和2脚连接，单片机的P3.3是高电平，如果防拆开关松开，1脚和3脚连接，P3.3编程低电平。

即: 触发防拆开关，P3.3由高电平编程低电平(下降沿触发);

• 其他电路分析

红外感应接收: P3.6是红外感应报警信号输入脚。也是下降沿触发。

无线信号发射: P3.2是OOK无线信号发射输出脚。

K0,K1,K2,K3: OOK 数据码调整控制，再本产品设计中未使用。

Low_vot: 电池低压检测脚。

四、电池低压设计

因产品是电池供电，所以需要设计电池低压检测功能。低压检测电路如下图所示:

+9V 是电池供电电压  VCC是系统供电电压3V.

1. 产品是电池供电，需要做低功耗，所以低压检测电路中电阻值都选择得比较大。

2.R1 和R9的阻值是固定的，根据电阻分压原理，Q1基极的电压（R1和R9之间）和+9V(实际电压是波动的，会随着电池的使用不断的降低)的电压是成正比的。

3.电池低压不断的减低，Q1基极端的电压也会不断的降低。再电池电量未低压的时候Q1基极的电压可以是Q1导通，Q2的基极连接GND，Q2不导通，low_vot端的电平为高电平。

4.随着电池的不断使用，+9V的电压降至6V左右，Q1的基极的电压不足以让Q1导通，Q1的发射极和集电极断开。Q2的基极通过R10的上拉，让Q2导通，low_vot端的电平变为低电平。

5.电池低压检测，low_vot端由高电平变为低电平，即下降沿中断。

五、OOK无线发射电路

无线红外的报警信号是通过无线发送给WIFI报警主机，最终通知用户，或管理处，有人闯入或其他功能。 

以下是无线红外的OOK无线发射设计电路。

目前在市面是可以找到很多类似的发射IC，而且价格比较低廉，关于这部分电路，涉及到另外一个领域的知识，篇幅较长，如果对这块有兴趣的同学，可以找我们无际单片机编程获取支持和资料。

关于本款产品的硬件设计电路的分析到这里就结束了，大家学废了吗？