第9章 智能家居环境监测系统传感器设计

实用传感器技术教程

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第9章 智能家居环境监测系统传感器设计

9.1 1.2 9.2 9.3 9.4

智能家居安防系统传感器设计 家居有害气体检测报警系统设计 火灾报警系统传感器选择与设计

家居温湿度检测传感器系统设计

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传感器在原理与结构上千差万别，同一个物理量，可

具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在具体场合进行某个量的测量时首先要解 决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方 法和测量设备也随之确定，因而测量结果的成败，在 很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 智能家居环境监测系统既有温湿度检测、有害气体检 测等检测功能，又有火灾报警和防盗报警等控制功能， 是一个典型的多传感器的测控系统。本章以智能家居 环境监测系统传感器设计作为传感器综合设计实例， 介绍传感器应用系统设计过程中的如何选择、计算以 及安装传感器，同时给出各种传感器的实际应用电路。2014-5-24 3

以有多种不同测量原理的传感器可供选择，同一种传 感器，也可以用来测量多种不同的物理量。如何根据

9.1 智能家居安防系统传感器设计 智能家居指的是一个居住环境，是指以住宅为平台安 装有智能家居系统的居住环境，又称智能住宅。通俗 地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统 和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系 统，本节重点介绍家庭安防系统和环境控制系统传感 器的选择和使用。

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9.1.1家居防盗报警系统传感器设计 防盗报警系统是指在防范现场探测到有入侵者时能发出相应报 警信号的专用电子系统。它通过相关信号探测传感器器，在建 筑物中进行周界或定方位的探测和保护。

1.常用防盗报警器的种类及特点 (1)门磁传感器：门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系 统中常用的器件，其优点是体积小，工作可靠，可以通过无线 工作，使用起来非常方便。门磁是接近开关的一种，可以是光 电的，也可以是永磁的。门磁传感器通常安装在居室门窗上， 当门窗紧闭时，门磁传感器不报警，当门窗无论何种原因被打 开时，门磁传感器立即报警。2014-5-24 5

常用防盗报警器的种类及特点 (2)超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特 性研制而成的传感器，超声波报警装置的有效性取决 于能量在保安区域内多次反射后的能量大小，像墙壁、 桌子和文件柜等硬表面物体对声波有很好的反射作用， 而地毯、窗帘和布等软质材料则是声波的不良反射体。 因此在充满软质材料的区域应该避免使用超声波传感

器。

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常用防盗报警器的种类及特点 (3)微波雷达传感器：微波雷达探测器是一种将微波 收、发设备合置的探测器，采用多普勒雷达的原理， 将微波发射天线与接受天线装在一起，通过检测活动 目标产生的反射波频差进行报警。微波入侵探测器的 主要缺点是安装要求高，微波段的电磁波由于波长较 短，故穿透力强，所以在安装时不要面对室外。另外 金属物体对微波反射较强，因而在探测器防范区域内 不要有大面积(或体积较大)物体存在，如铁柜等， 否则其后面的阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏 洞。其另一个缺点是会发出对人体有害的微量能量， 因此使用时必须将能量控制在对人体无害的水平。

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常用防盗报警器的种类及特点

( 4 )玻璃破碎探测器：利用压电陶瓷片的压电效应 (压电陶瓷片在外力作用下产生变形时将会在其表面 产生电荷),可以制成玻璃破碎入侵探测器。对高频 的玻璃破碎声音( 10k ~ 15kHZ )进行有效检测，而对 10kHZ以下的声音信号(如说话、走路声)则有较强的 抑制作用。但该产品灵敏度非常难调，灵敏度过高， 则室外的风吹雨打所也能导致报警；灵敏度过低，则 会因盗贼轻轻拉开窗户力度过轻而未感测到振动而产 生漏报警。

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常用防盗报警器的种类及特点 (5)主动式红外发射/接收传感器：主动式红外发射 /接收传感器由主动红外光发射器和接收器两部分组 成。红外光在人眼看不见的光谱范围，经过光束聚焦， 在收发器之间形成红外光束，当有人经过这条无形的 封锁线时，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端由 于红外光束产生变化将自动识别是否报警。

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常用防盗报警器的种类及特点(6)被动式热释电红外传感器 被动式红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测移 动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四 周辐射红外线，被动式热释电红外传感器利用移动目标 (如人、畜、车)自身辐射的红外线进行探测。

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与其它类型的保安设备相比，被动式红外入侵探测器具 有以下特点： 1) 不需要在保安区域内安装任何设备，可实现远距离 控制； 2) 由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射，故保 密性强，能有效执行保安任务； 3) 与环境照度无关，可以昼夜工作，特别适宜在夜间 或黑暗条件下工作； 4) 由于无能量发射，没有容易磨损的活动部件，因而 功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。2014-5-24 11

2. 基于分离元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计 (1)被动式热释电红外传感器的

结构原理

待测 目标

光学系统 菲涅尔透镜

热释电红 外传感器

信号 处理

报警 电路

图9-1 报警器结构框图

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1)光学系统：主要由菲涅耳透镜构成，菲涅耳透镜是根据 菲涅耳原理制成，其作用主要有两个：一是聚焦作用，即将 探测空间内的红外线有效地集中到热释电传感器上。二是将 探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动 物体能以温度不断变化的形式在热释电红外传感器上产生变 化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就可以产生相应 的控制信号，图9-2为菲涅耳透镜外观图。

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2)热释电传感器：热释电红外传感器是报警器的核心器 件，它可以把人体的红外线信号转换为电信号以供信号处 理部分使用。 热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，3个引脚分别 为电源端(内部开关管D极),信号输出端(内部开关管S 极),接地端(GROUND),其外形及引脚见图9-3:

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双元热释电红外检测元件 LHI968内部电路图如图9-4所 示:

光学滤镜 场效应管

EMI电阻

D S

双热释 电元件

+ - 偏置 - 电阻 +

EMI + 电容

GND 外壳

图9-4 双探测元热释电红外传感器

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+5V

3)信号处理 电路：信号处 理主要是把热 释电传感器输 出的微弱电信 号进行放大、 滤波、延迟和 比较，为报警 功能的实现打 下基础。如图 9-5所示

C4 0.01uF 1 2 3 LHI968 R1 1M 1uF C2 + 0.01uF +C 1

R7 10K +

R9 C6 0.01uF 4.7K R6LM324

+

VD1 IN4001

2M C5 3 4 R4 R5 + + LM324 1 2 10K 10uF 11R 3 47K R21M C3 47uF

-

41M

LM324

-

R10 10K LM324

+

VD2 IN4001 R12 1M + C7 10uF CLR B A Q VT1 9013 R16 51 C RC Q

R8 10K

-

4.7K R11

R17

SW 4 1 R15 51 2 3 VT2 9013 C8 + 10uF

240K 5 6 BELL

HEF4538B

KD9561

51 R13

图9-5 报警器的工作电路图2014-5-24 16

3. 基于集成元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计(1)BISS0001介绍1 6 1 VO 2 5 1 RR1 3 4 1 RC1 4 3 BISS0001 1 RC2 5 2 1 RR2 6 1 1 VSS 7 0 VRF/ 9 RESET 8 A 1 1OUT 1IN1IN+ 2IN2OUT VDD IB VC

图9-6 BISS0001管脚功能图

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(2)由BISS0001组成的热释电传感器信号处理电路 5V 12V

R29 10 C2 10nF 11 R6 R5 12 C3 13 1M 10k 14 10uF R7 2M 15 16 R4 R1 RG3 R8 1M C4 10nF 47k 47k C5 47uF 8 7 6 5 4 3 2 1

R9VD1

J1

D S G

BISS0001

R10R11SW1 1 2 C6 C7

VT1

C1 10nF

图9-8 热释电红外开关电路原理图

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A 1IN+ 1IN1OUT

1 11 14 15 16 VL + OP2 + OP1 VH U1 2 3 COP2 + COP1 10 VDD IB VO RR1 RC1

2IN2OUT VC VRF /RESET

VM 13 12 9

+

状态控 制器+ VR COP3 U2

延迟时间 定时器Tx

4

封锁时间 定时器Ti

6 5

RR2 RC2

8 VH VM VL VR

7

VSS

图9-7 BISS0001原理框图2014-5-24 19

4.热释电传感器应用领域及常用型号

参数目前市场上常见的产品主要有：日本KDS产品：KDS209S, PIS-204S;尼赛拉产品：RE200B,RE03B,PD632;德国 海曼产品：LHI958,LH1954,LHI1448,LHI878, LHI778,上海产的SD02、PH5324,美国HAMAMATSU公司 产的P2288,日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、 RS02D等。虽然生产厂商众多，但因其结构、外型和基 本参数大致相同，大部分可以互换使用。

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