激光入侵报警系统设计.docx
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激光入侵报警系统设计
湖南科技大学
毕业设计（论文）
题目
激光入侵报警系统设计
作者
廖志强
学院
物理学院
专业
电子信息科学与技术
学号
指导教师
罗韩君
摘要
设计一种基于激光入侵探测器的安全防护系统，在房屋四周、屋内、防护空间和实物目标等地方单独或组合构建激光安全网阵，当激光光束被遮挡时，接收机发送信号给报警系统（AT89S52）,发出警报，同时利用GSM网络通知主人或保安，达到远程监控的效果。
重点介绍了激光入侵探器的原理、AT89S52的性能和GSM模块优势及系统软件设计的实现。
关键词:
激光入侵探测器，报警器，AT89S52,GSM模块，安全防护。
Abstract
Designalaser-basedintrusiondetectorsecuritysystem,housingaroundthehouse,spaceandphysicalprotectionobjectivesindividuallyorincombinationwherethesafetynetbuiltlaserarray,whenthelaserbeamisblocked,thereceiversendsasignaltothealarmsystem（AT89S52）,alarm,andnotifytheownerusingGSMnetworkorsecurity,totheeffectofremotemonitoring.Focusedonthelasersensorandtheprincipleofinvasion,AT89S52performanceandadvantagesofGSMmoduleandsystemsoftwaredesignimplementation.
Keywords:
laserintrusiondetectors,alarms,AT89S52,GSMmodule,securityprotection.
参考文献……………………………………………………………………………17
前言
在当今工作节奏日益紧凑的社会情况下,城市里面的家庭在白天一般都是处于无人的状态,而家里面一般都会有价值不菲的家电和其他贵重物品,自然而然,自己家里面的状况成为人们最关心和担心的事情。
虽说当今社会总体是比较和谐和安全的,但是个别和偶尔的偷盗事件还是屡见不鲜。
因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。
了保障自家的财产安全，许多楼房住户都在自家地下室和住房的门、窗上安装了防盗门和防护栏等。
然而，这些设备在防盗的同时，也带来了许多弊端：
如，若防盗门钥匙丢失，会给户主带来很大的麻烦；家中遇到紧急情况，这些防盗设备也会给逃生及消防救援带来诸多不便。
激光对射形成的安全网能对家居防护起到完美的效果，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，并能给触发激光束线的入侵者以强烈的声光阻吓，重要的是能通过GSM网络进行远程监控。
该系统的前端设备为先进的激光入侵探测器（传感器），采用最新的AT89S52做为报警控制系统，充分利用GSM网络覆盖范围广、操作简便、使用费用低等优势，结构简单、安装调试简单、使用方便，应用前景很好。
系统利用激光传感器对防区实时监视，单片机是整个系统的核心控制部件，传感器触发的开关报警信号经过信号处理电路后输入到单片机；单片机对信号加以判断，然后发出命令，通过执行机构使系统按照一定的顺序进行工作。
这里包括：
当智能检测器发现异常情况时，一方面采用现场声、光、电报警，以威慑犯罪分子，另一方面，引入先进的GSM通讯技术，利用GSM无线通讯网络，将家中的情况传递给户主，户主在得到信息后，可以立即采取有效的应急措施，如，打电话给当地物业、110求救中心等，对事故进行紧急处理；另外，本系统可通过加密和解密以切换布防和撤防状态。
系统组成的框图为图1
激光传感器
信号处理器电路
AT89S52
单片机
加密解密电路
声光电报警电路
GSM通讯
用户手机
电源管理
图1
该系统的特点是：
（一）性能稳定——利用激光作发射光源，采用先进的芯片和优化的电路设计，使结构更简单，性能更稳定，技术更先进，真正实现无误报。
（二）抗干扰强——利用激光穿透力强的特性和直接对激光束的编解码以及抗高频磁干扰电路设计，能有效防止各种杂光干扰（包括太阳光），适应各种强电磁环境下使用。
（三）能耗极低——通过独有的专利设计和采用微耗检测芯片，使能耗极低，仅为红外对射和红外栅栏的几分之一。
24小时不间断使用节能效果显著。
（四）警示威慑——能发出红色光束线的氦氖激光在夜晚具有给人警示阻挡的威慑作用，可以达到阻止入侵的目的。
（五）安装简便——激光扩散角小，校准简便，无需聚焦调整安装。
只需串接使用即可。
由于能耗低和自带编码功能，可以采用总线制安装，节省成本。
（六）使用方便——借助最可靠、最成熟的GSM报警通讯方式，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上网络布防。
因此可远程监控，即使远离住地也能对住所直接实行远程监控。
包括布防、撤防，远程监听、远程喊话、状态查询等功能。
同时也可设置多路报警模式，连接至保安值班室
第一章激光报警概述
1.1激光
激光发射器（Laser）主要由工作物质、光谐振腔和激励源组成。
工作物质是激光器的核心部分，其中分布着大量的可以发射激光的原子、分子或离子。
激励（泵浦）源是产生激光的能量来源，激光工作物质不同，采用的激励方法和激励源的形式也不同。
光谐振腔是实现受激辐射光往返振荡，并对输出光束的方向和波长进行选择和限制的器件。
用光或电等激励源，使激光工作物质的能级实现粒子束反转，受激辐射的光子流沿光谐振腔轴向不断放大，就可以在其一端发射出很强的激光束来，它的亮度极高、方向性好、频率单一、相位一致，是其它光源无可比拟的。
激光光束发散角小，方向性好，光束集中，功率密度大，光线穿透力强，不受太阳光、灯光、雨、雾、雪、沙尘、电磁、雷电、电波等干扰。
激光光束只在一个圆锥角里传输，激光对射到100m远时，激光的光斑直径只有25Cm大小。
而红外光对射到100m远时光斑直径就达2-4m。
所以激光光束的功率密度是红外对射的数千倍。
因此，作为一种用作对射的光源，探测监控范围可以无限扩展，无限串接使用，激光具有无比的优越性。
1.2激光入侵传感器
激光入侵传感器属于主动入侵探测器类，主要由激光发射机和激光接收机组成。
激光发射机由激光发射器、调制激励电源及相应的方向调整机构组成；激光接收机由激光接收器、光电信号处理器以及相应的支撑机构组成。
该系统是在防护区域的始端设置激光发射机，将其发射出的定向强激光束直接（或通过光学反射器／激光中继器转折）射向接收端（如图2）。
在接收机通过光电器件将接收到的光信号转换成开关量信号，并经鉴别器处理。
从而实现对激光束所经过的全路程或转折所形成围框的监控，由报警控制主机发出声光报警和控制动作，并通过有线或无线方式通知有关部门。
激光发射器
激光接收器
图1激光束形成警戒区域示意图
在很多科幻电影中，受特别保护的物品往往被置入一个布满红色激光网阵的环境中，这个激光网阵成为最后一个难以被攻克的防护系统。
1.3激光告警的特点
1、适于远距离工作。
激光束的方向性极好，因此光能集中，传输效率高。
在发射功率相同的条件下，距离100m或200m时激光功率密度是红外对射探测器功率密度的数百倍，因而传输距离更远、穿透雨雾雪的能力更强，从而保证远距离的正常工作和减少恶劣天气时的误报率；
2、闭路传输，无相互干扰。
激光束属于闭路传输，因而不存在红外对射探测器在直线上连续布设或者邻近系统互相干扰的问题，可以长大距离连续直线布设或近距离交叉布设。
同样也不存在红外光漏泄干扰周围其它敏感红外设备的问题；
3、抗外界杂散光和电磁干扰的能力强。
合理的光接收器和高功率密度发射器使得该系统具有很强的抗干扰能力。
利用激光束的单色性极好、光斑大小可控的优势，可以使系统在严重干扰的环境下正常工作；
4、综合布设，适应范围广泛。
此类产品可称为激光综合空间布设系统。
发射光束可以对射、反射后原处接收、转折后返回；也可以形成平面、立体布设。
可以十分隐蔽地固定设防，也可以临时流动设防或动态设防；
5、现场调试快捷，检修方便。
此类产品若配套专用激光定位仪，可以随时检测各处光斑的位置。
传播过程中何处有树枝、叶子等障碍物遮挡，转折或接收处光斑偏离中心的方向和远近，都可以直接判定，因而能够准确迅速地指导调整工作；
6、使用寿命长，维护成本低。
充分利用激光系统的特点，可降低购置设备的费用，减少施工量及对环境美观的影响；激光管的更换很方便，维护成本低。
1.4器件说明
如图3，激光传感器由两部分构成，一部分为发射部分，一部分为接收部分。
发射部分由一个振荡管发出180KHz频率的振荡波后，经三极管放大，激光管发光；接收部分由一个相匹配180KHz接收管接收返回的光强，经电容滤波后直接接入S12单片机**接口，检测返回电压的高低。
由于激光传感器使用了调制处理，接收管只接收相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反激光的影响。
电路图说明：
1、L11和R15之间可加上电位器；
2、C11为47UF的胆电容，加在接收管的1和3脚之间，起滤波作用；如果不行，可以试一下1UF的电解电容，或者0.1UF，0.01UF。
3、IN为信号输入单片机，OUT为单片机I/O口控制发光；
4、接收到黑色为1，接收到白色为0；
5、当照射在黑色时，L12指示灯应该为灭；
图3激光传感器原理图
1.5器件性能指标
工作电流：
接收机待机时工作电流<40mA,，报警时工作电流<100mA，发射机工作时<40mA
发射机的射束角度：
12°
接收机的接收角度：
12°
有效射束宽度：
40mm,波长为0.908μm～1050μm光谱之间可选（非可见光）
探测距离：
>100米
报警时间：
标准2s±1s（1s～30s可选）
响应时间：
标准50ms（5ms～500ms可选）
报警输出:
一组常开/常闭触点，触点容量：
AC120V/DC24V,MAX1A
光发射功率：
>25Mw
机体尺寸：
155mm长×130mm高×82mm宽
安装转接板尺寸：
93mm长×123mm宽
安装转接板定位孔尺寸：
60mm长×102mm宽
工作温度：
-40℃～+70℃
储存温度：
-50°C～+85°C
MTBF：
>100,000小时
第二章系统工作原理
2.1系统网络描述
整个系统由GSM报警主机、激光对射探测器、高音喇叭、LED显示屏（选配）、紧急按钮等组成。
激光对射由发射器、接受器组成，两者之间形成多束警戒线，在需要布防的部位设置多束、多层激光网阵，运用遮挡激光束报警的方式对防范区域进行警戒布防，通过警戒光束线给企图入侵者以高挑战。
在布防状态下，当激光束被遮挡时，激光接收器给报警主机发出带位置编码的报警信号，报警主机立即联动高声响报警喇叭，给入侵者发出强烈警示的声光信号，达到阻吓入侵的目的。
并在LED显示屏显示警情位置，同时向预设的主人、保安值勤室发出语音和文字报警信号。
主人如果在外地可以通过手机监听室内情况、双向通话或远程喊话阻吓。
系统根据家居结构形成防区，防区可撤、布防，适合于主人进行不同等级和活动环境要求的布防操作。
房屋防区是对所有的门窗和可能入侵点以及贵重物品室通过激光对射探测器进行布防，并在室内设置一个在紧急状态下使用的按纽。
院落防区是在没有围墙或围墙过于低矮的情况下在院内设置互相交织的立体激光网阵进行布防。
围墙防区是在围墙上安装激光对射探测器和部分区段围墙不能设防可能遭入侵的院内设置不可见的陷阱式隐形激光对射探测器进行布防。
对围墙设防时人员可以在院内和别墅空间内活动
2.2系统工作流程
激光传感器
信号处理器电路
AT89S52
单片机
加密解密电路
声光电报警电路
GSM通讯
用户手机
电源管理
当主人对系统进行布防后，系统各分部即全面进入自动布防状态，并对整个周界围墙或房屋、院落防区设备进行自动检索。
本系统采用了目前先进的数字编码和数字电路的解码技术，一旦有非法入侵者翻越围墙、入侵室内，系统立即在2秒钟内完成如下报警程序：
1、识别并向主人／保安值班室报警，在控制中心图形界面上显示被入侵的具体报警位置；
2、系统同时将报警信息以手机短信或电话的方式同步发送到主要家庭成员的手机上，确保报警的及时性，以便都能及时同步了解报警情况，提高快速反应能力；
3、系统自动打开摄像机，及时捕捉图像并存贮资料。
4、系统自动打开照明灯光及报警喇叭，对入侵者予以警示和吓阻；
5、主人可远程监听现场声响情况确认是否遭到侵袭，或通过远程喊话进行吓阻。
6、完成接警后，系统会自动恢复工作状态，无需对该系统进行调整。
2.3电路实现
2.3.1控制电路
控制电路如图2所示，采用AT89S52为控制芯片。
当盗情存在时，三极管Q1基极接收到盗情电路发送来的信号，从而推动Q1导通，并使继电器RE1电路接通，继电器动合触点闭合。
P2.0口接收到5V信号后，将P1.0口置高，蜂鸣器报警，将P1.1口置低，发光管亮，在3s内两次使P1.3口置高，实现手机报警，并通过控制P1.4口置低，控制语音报警电路发出相应的示警语音。
。
此外，用户通过操作系统，可以控制三极管Q3导通，当Q3导通时，继电器RE3电路接通，继电器动合触点闭合，单片机P1.5口接收到高电平信号后，便启动安全报警系统。
利用无线发射电路各传感器信号，即可实现对系统的设防和撤防、各类报警信息的处理以及系统的报警、示警等功能。
2.3.2电源电路设计
电源电路为一个多功能自动充电电路。
电路中的多数元件为分立元件，简单实用。
系统接入220V的交流电源，通过整流，并经LM7812降压，输出12V电压维持系统的正常工作，电路中设有12V可充电蓄电池，在正常由外界提供电源时，处于充电状态；在外界断电时，将自行向本系统用电设备供电。
电源电路如图3所示。
2.3.3盗情报警电路设计
盗情报警电路采用CS9803GP芯片，该芯片采用CMOS工艺制造，体积小、成本低、调试时间短，采用该芯片设计的电路，能够提高整机的可靠性。
盗情报警电路中采用红外传感器监测有人无人，盗情报警电路如图4所示，其中C6为红外探测器，若探测到有红外物体，则将信号输给CS9803，该芯片得到信号后，立即从11脚输出控制信号至无线发射器，无线发射器发出无线报警信号，通知控制电路，从而实现盗情报警的功能
盗情报警电路图
2.3.4语音报警电路设计
语音报警电路采用APR9600芯片，该芯片可以直接用普通驻极体话筒录音，直接推动8~16Ω喇叭放音，可以通过“OSCR”端的电阻设置调节录放音的时间长度和音质效果，通过拨码开关来选择分段控制方式，通过置拨码开关来选择录／放音状态，可以通过按键来实现开始、循环、停止录放语音等功能。
语音报警电路图
2.3.5监测电路设计
这一部分为整个系统的动作核心。
当接收器接收到入侵信号，由于该信号非常微弱且夹杂有干扰信号，因此设计了特殊的信号处理电路（采用运算放大器，配合周边电路形成具有带通滤波器功能的放大电路）分离出电信号，并将其放大数千倍；通过参数的优化设计，配合比较器电路进一步消除流动热空气造成的干扰。
然后对两级放大后分离出的热电信号进行分析判断。
为防误动作，信号将与门限电平进行比较，产生高电平信号输出。
最后将不同探头产生的信号通过或非门引入到单片机的INT1口，待中断以执行相应的动作；当没有中断时，系统处于待机状态，这样可以降低系统功耗。
电路结构见图2。
若干传感器信号
滤波、放大电路
双向比较电路
或非门电路
单片机外部中断1
报警
图2检测信号电路结构图
2.3.6声光电报警系统设计
当单片机监测到有人进入防区里时，智能报警系统便通过蜂鸣器进行声音报警，同时发红光二极管进行闪烁，起到威慑犯罪分子的作用。
本设计中也引入了高压发生器，当连接的继电器常开触点闭合后，经升压可使次级输出高压，将其引至报警装置外壳，如果作案者意图破坏报警装置，在接触到其外壳时，即便带有手套，高压也能击穿手套通过人体放电，这将有效阻止犯罪分子的进一步作案，但也不会对其造成永久性的伤害。
2.3.7GSM通讯系统设计
单片机和TC35的通讯，一般采用串行工作方式1，数据格式为10位。
其中，1个起始位（0），8个数据位（最低位在前），1个停止位
（1）[3]。
其波特率的值取决于定时器T1的溢出率和特殊功能寄存器PCON中的SMOD位的值。
由于单片机的TXD和RXD电平为TTL电平，而TC35进行通讯时经过RS-232接口，TTL电平和RS-232电平互不兼容，所以两者接口时，必须进行电平转换，在此使用MAX232芯片。
图3电平转换电路图
2.3.8布防和撤防状态的切换
通过对系统加密、解密的方法，进行布防和撤防状态的切换。
系统初始化过程中，在单片机里设置了特定的密码。
当家人回到家时，可通过正确输入该密码以撤防。
此时，在室内自由活动将不会产生报警。
外出时，可操作键盘使系统重新进入设防状态。
需要注意的是：
在布防状态下，检测到报警信号后系统需经过一段延时后，再次核查该信号是否存在，若存在，而又没有撤防，则产生相应的警报（声光电效果和短信息告知户主）。
这个延时非常必要，由于主人离开自设的防区需要一段时间，若没有这个延时，那么主人自己经过防区时，也会产生误报警。
第三章硬件实现
3.1AT89S52
AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，
且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。
3.1.1AT89S52的主要性能
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
3.1.2AT89S52的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52的管脚排列
3.2GSM模块
本设计采用的是西门子公司推出的新一代无线通信GSM模块TC35，该模块的工作电压为3.3～5.5V，可以工作在900MHZ/1800MHZ两个频段，自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯，安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。
其中，由于短消息具有实现简单、通信成本低、保密性好、直接面向用户手机且不受地域限制等特点，是目前利用最为广泛的通讯方式[2]。
在该报警系统中，将用户手机作为接收终端，当家中有警情发生时，手机会自动收到一条来自智能报警系统的报警短信，这样便可实时、可靠、快捷的实现远程报警。
3.2.1HRHGSMMODEM介绍
由于HRHGSMModem内嵌高可靠性的GSM引擎（GSMCellularEngine）和51单片机系统（MCS51），标准串行接口和精简的软件接口协议将用户从繁杂的GSM通信标准解析和调试中解脱出来，使用方便，而且公网的数据传输具有通信范围广（GSM网络基本覆盖全国），传输稳定、可靠等特点。
因此本设计选用HRHGSMModem来进行通信。
3.2.3GSMModem的主要功能
a.收发短信；
b.借助短信实现远程小批量数据传输；
c.语音通话（GSM电话）；
d.数传模式实现无线实时数据通信；
e.无线上网（自动应答型）。
2.2GSMModem的硬件接口
模块要求12V/500mA供电，与计算机或单片机通过串口通信，波特率9600bps，通过
SIM卡座来安装SIM卡。
3.2.3HRHGSMModem的软件协议
a．‘A’表示ASCII字符A，00或00H表示16进制数据00。
b．帧结构：
帧头（固定为0AAH）＋指令码＋数据
3.2.4设置短信中心号
以北京地区为例，短信中心号为：
+00，应向GSMMODEM下发数据帧：
AA092B38363133383030313030353030（16进制数据）
如果设置成功，GSMMODEM应答AA09“+00”，
如果设置不成功，GSMMODEM应答AA09‘ERROR’
短信中心号设置后，保存在SIM卡上，只需设置一次；也可以在手机上把短
信中心号设置好后再装入GSMModem，以后就不用再设置。
3.2.5利用GSMMODEM向普通手机发短信
以向手机发中文信息“测试”为例：
首先计算或查表得到“测试”的UNICODE编码为：
6D4B（测）8BD5（试）；
向GSMMODEM下发数据帧：
AA0231333636313137343630326D4B8BD5
GSMMODEM可能返回于下信息：
AA01‘ERROR’短信未从GSMMODEM送出，可能是未登陆网络或SIM卡故障。
AA01‘OK’短信已从GSMMODEM送出，但未送达短信中心，可能是信号质量差或
天线连接不好。
AA01‘SENDOK’短信已送达短信中心，并且短信中心已经下发给接收方。
AA01‘SUCCESS：
’接收方已经收到短
信（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回；GSMMODEM已设置成短
信自动应答）。
AA01‘FAILURE：
’短信中心未能将短
信送达接收方或接收方已经收到短信，但其给短信中心的回应短信中心没有收到（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回）。
一般情况下，由于短信不保证实时性，所以从发送到对方接收到短信可能有
5-10秒的延时，使用中建议设置短信超时定时器长度在20-30秒左右。
短信发送成功的返回信息：
先返回AA01‘SENDOK’31；
如果接收方手机设置了短信自动应答，则在对方收到后返回
AA01‘SUCCESS：
’。
短信发送失败的几种可能返回信息：
a.AA01‘ERROR’
b
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