红外探测报警电路的设计.doc
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摘要
随着社会经济的日益发展，防盗成了人们越来越关心的问题。
铁门铁窗等已经不能给人们带来太多的安全感，社会对报警器材的需求日益迫切。
智能防盗系统，是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统。
它包括以现代物理和电子技术及时发现侵入破坏行为、产生声光报警以及提醒值班人员采取恰当的防范措施。
室内防盗智能控制系统作为一种新型的电子防盗设备广泛应用于家庭住宅区。
目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗器进一步完善和提高。
这是一种基于单片机信号处理技术的防盗检测器的软硬件设计方法。
应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。
本系统利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理，设计的新型探测器，测量范围广,响应速度快,灵敏度高，抗干扰能力强，安全可靠。
并采用单片机89C51作为人体探测系统的核心，以热释电红外线为数据采集部件，经过比较放大之后，输入单片机进行数据判断及处理。
当检测到有被测物体进入测量范围时，系统自动发出声光报警信号，等待一段延迟时间后自动消除报警信号，并可手动解除报警信号。
当有主人在家系统无需报警时,可开启楼道灯控制系统，即传感器探测到有人经过时照明灯亮,等待一段延迟时间后自动熄灭,并可手动来控制延迟时间的长短。
系统使用单片机与PC机通信原理，把采集到的数据传输给计算机统一处理。
关键词:
热释电传感器单片机声光报警
目录
第一章绪论…………………………………………………………1
第二章应用元件的介绍………………………………………………2
2．1热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构…………………2
2．2红外测温原理…………………………………………………………2
2．3热释红外传感器的结构……………………………3
2．4菲涅尔透镜……………………………………5
第三章总体电路设计………………………………6
3．1系统组成…………………………………………6
3．2单片机系统………………………………………7
3．3热释电传感器的基本电路分析及设计…………………8
3.3.1高低通放大器………………………………………………8
3.3.2电压比较器…………………………………………9
3.3.3开关电路……………………………………………10
3.3.4延时电路……………………………………10
3．4执行电路…………………………………………………10
3．5键盘控制电路设计……………………………………10
第四章软件设计……………………………………………14
4．1主控程序……………………………………………15
4．2键盘扫描程序……………………………………16
4．3动态显示程序设计………………………………………17
4．4系统的总程序…………………………………………18
结论………………………………………………………………25
参考文献………………………………………………………26
致谢…………………………………………………………27
附录1……………………………………………………28
附录2……………………………………………………………29
第一章绪论
随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，人们私有财产也不断地增多，因而也对防盗措施提出了新的要求。
从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。
本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。
它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。
不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。
目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点：
（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，主人在家走动时，都很容易失报和误报，其可靠性低。
（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。
（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。
再者，就闭路监控电路防盗系统而言：
它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。
综合以上报警器的不足，本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。
这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。
同时它的信号经过单片机系统处理后利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。
第二章应用元件的介绍
2．1热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构
热释电传感器是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的,红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。
非接触红外测温有以下几点优点：
（1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。
（2）测温范围宽。
（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。
（4）不必接触被测物体，操作方便。
（5）可以确定微小目标的温度。
非接触测温技术的意义是显而易见的。
随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。
在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。
通常将电磁波谱间隔在0.76～1000μm的区域称为红外光谱区，红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。
热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化ΔP的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。
有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电——铁电体。
例如：
LiTaO2（钽酸锂）、BaTiO2（钛酸钡）和TGS（硫酸三甘酞）等。
为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器
2．2红外测温原理
红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（－273.15℃）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。
据斯蒂芬－波兹曼常数，绝对黑体其温度T于与辐射能之间的关系为：
其中：
σ为蒂芬－波兹曼常数，其值为5.6697×10-12w/cm2，k4为黑体的温度；E0为黑体辐射能。
实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：
E=εE0
其中：
E为物体在一定温度下的辐射能力；E0为与E在同一温度下的黑体辐射能力;ε为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在0～1之间。
由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。
所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。
2．3热释红外传感器的结构
图1热释电传感器的结构图
与电路图
红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。
它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：
其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。
常用的热释电探测器如：
LiTaO2（钽酸锂）探测器、BaTiO2（钛酸钡）探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。
如图1为热释电红外传感器的结构图、电路图。
传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。
它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。
在管壳的顶部设有虑光镜（TO－5封装）。
热释电体的自发极化强度与温度有关。
随着温度升高，自发极化强度下降。
温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。
温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。
由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。
但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。
因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约10－12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。
图2热释电传感器的电路连接
如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为：
Q=APS
当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。
如图2所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。
若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。
因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。
所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。
如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化。
如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。
如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is通过负载。
热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图3所示。
图3热释电传感器等效电路图
电流源的电流强度为Is为：
式中:
p一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数，
2．4菲涅尔透镜
目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。
热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。
加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。
菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区（如图4所示）。
这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。
菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，
而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右
菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳
白色半透明状。
需要说明的是:
在每次接通电源时，传感
器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这
图4菲涅尔透镜外形图
段时期内该传感器不起作用。
第三章总体电路设计
3．1系统组成
系统组成如图5所示。
整个系统是在系统软件控制下工作的。
设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经测量放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出下TTL电平至89C51单片机.在单片机内，经软件查询，统计平均及识别判决等环节实时发出人侵报警状态控制信号。
驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成。
相应动作，当报警延迟一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号。
然后通过LED显示报警次数。
同时,还可把整个系统变为自动开关灯系统,当有主人在时,可用手动解除报警功能,并且可以开启开关灯执行电路,在探测头感应到有人时执行电路执行开灯。
同时系统还可以使用在一些大型的公共场合，作为检测人数个数和人数的最大容量控制。
如下图6为系统总体电路图
图6系统总体电路图
3．2单片机系统
本系统采用了89C51,由P3.4进行数据采集，并通过P0传输数据到LED显示，同时用P2.2～P2.7进行动态扫描控制。
键盘通过P1.3和P1.4控制最大报警人数。
如图7所示。
图7单片机系统的电路图
3．3热释电传感器的基本电路分析及设计
3.3.1高低通放大器
IC1使用廉价的通用四运放LM324,用其中两个运放组成高、低通放大器。
按图8所示参数计算得到,第一级放大增益为:
AＶ1=R6/R4=220,第二级放大增益为:
AＶ2=R10/R9=270,总放大增益为:
AＶ=220×270=59400=95.5dB。
我们知道,在运算放大电路中,放大倍数一般不宜取的太大,否则容易引起输出端波形失真且导致电路自激振荡。
故将R6改为200ｋΩ,将R10改为1MΩ,此时的总增益为AＶ=20×100=2000=66dB,比较符合实际应用,能保证电路工作可靠。
图8热释电传感器的基本电路图
3.3.2电压比较器
LM324另外两个运放组成电压比较检测窗口,由R3、R5和R7、R8将高、低通放大器的⑶脚和⑸脚均设置为1/2Vcc,即2.5V。
当红外传感器检测到人体的活动,其产生的微弱电压信号经过放大,传送到LM324的⑽、⒀脚时,用示波器可以检测到峰值约为5V的正弦波,那么无论是信号的正半周还是负半周,两个比较器中必有一个输出为低电平,使IC2的⑵脚由高电平跳成低电平,以便控制延时电路工作。
而当红外传感器没有检测到人活动时,由静态电路可知,该5V直流信号同时加到LM324的⑽、⒀脚,又知道R11、R12、R13将窗口电压上、下限设置为2.8V和2.2V,即⑼脚偏置为2.8V,⑿脚偏置为2.2V。
此时,电压比较器输出端⑻、⒁均为低电平;而IC2的⑵脚原来经R14上拉电阻设置为高电平,则VD1、VD2都导通,将IC2的⑵脚钳位成低电平。
在图8电路中,NE555为单稳态触发器,⑵脚一旦有下降沿脉冲触发,则定时器就工作,③脚就输出高电平。
若检测到人体活动,而③脚就输出高电平,驱动后级的继电器等电路单元工作。
电压比较器部分电路如图9所示。
将两个二极管连接，在其后加一个开关三极管，以它的输出来控制延时电路。
静态时,LM324的⑻、⒁均为低电平，开关管截止，IC2的⑵脚仍为高电平，延时电路不工作。
当红外传感器检测到人的活动，在输入信号的正半周时,⒀脚的电平高于⑿脚所加的2.2V比较电压,比较器由⒁脚输出低电平，VD2截止；此时由于⑽脚电平高于⑼脚，比较器输出高电平，VD1导通，其高电平使得开关管饱和导通，将IC2的⑵脚拉成低电平，致使延时电路工作。
在信号负半周时，上、下比较器输出电平刚好相反，即⑻脚输出低电平，⒁脚输出高电平，VD2导通。
可见,只要传感器检测到人体活动，无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为高电平，通过开关三极管从而控制延时电路工作。
图9电压比较电路图
3.3.3开关电路
如图9所示,在比较器后加上开关管2N3904,整个电路不但工作可靠,且输出电流大,能驱动后级的执行电器工作。
3.3.4延时电路
延时电路IC2使用单时基电路NE555,延时时间ｔ=1.1R16×C8≈60ｓ。
其作用有二：
一是为自己离开检测区时提供一段非报警延迟时间；二是在自己进入检测区后提供关断检测器所需的时间。
延时电路工作时,输出的高电平或接通报警器电源进行报警。
同时使继电器吸合。
继电器工作后可控制较大的继电器以接通电灯。
3．4执行电路
如图10所示,当传感器在无触发信号输入的静态时保持低电平,当有检测信号时,比较器输出一个高电平,经过施密特触发器变为低电平来触发后级的555延迟电路，延迟电路后的三极管饱和导通,发射极变为高电平,继电器动作,常开开关吸合,照明灯接通电源后亮。
图10执行电路
3．5键盘控制电路设计
本系统中键盘控制主要是对最大容量报警人数进行设置，系统的初始化对最大容量报警人数进行了设置，所以外部键盘按钮只需用两个按键分别进行加减设置。
键盘按钮与单片机的接口电路如图11：
图11键盘按钮与单片机的接口电路
键盘电路中每个按钮都是一个常开开关电路，当按钮未被按下时，P1.0--P1.1口输入为高电平，当按钮按下时，P1.0—P1.1口输入为低电平。
通常的按钮所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图12所示。
由于机械触点的弹性作用，一个按钮开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。
因而在断开与闭合的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图12所示。
抖动的时间长短由按钮的机械特性决定，一般为5—10ms。
按钮的稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作所决定的，一般为零点几秒至数秒。
键按下
闭合稳定
键释放
前沿抖动
后沿抖动
释放稳定
图12按键时的抖动
键抖动会引起一次按键误读多次，为了确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动，在键闭合稳定时取键状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。
按钮的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。
本系统采用了软件消除抖动的方法。
第四章软件设计
单片机控制电路采用89C51。
主要实现对人体的检测并计数，报警，键盘设定最大容量报警人数速度，显示人数及最大容量报警人数。
显著特点是用软件简便实现某些硬件功能。
本系统使用单片机汇编语言编程。
通过分析本系统的功能要求，系统程序可以划分为以下几个模块来写：
数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。
本系统的程序巧妙地利用单片机的内部定时/计数器T0来计时，每50ms中断一次，并用该值为基准来计算时间；系统检测到人体的信号经过比较放大之后得到标准的脉冲信号，然后输入单片机的INT0端口，使用外部中断的方式进行计算。
4．1主控程序
主控程序主要是利用单片机内部计数器T0对所采集到的脉冲数进行累加，并存放于RAM的40H中，经过数据转换后显示所采集到的人数。
如图15为指控程序的流程图。
开始
初始化
声光报警
计数
LED显示
扫描端口
是否有人？
N
结束
Y
Y
图15主控程序流程图
4．2键盘扫描程序
在按下某个按键时，被按按键的横片总会有轻微的抖动，这种抖动经常会持续10ms左右时间。
因此，CPU在按键抖动期间扫描键盘必然会得到错误的行值和列值，最好的办法是使CPU在检测到有按下时延迟20ms再进行扫描。
如图16为键盘扫描流程图。
开始
置P1.3和p1.4为高电位
扫描P1.3和P1.4
延迟去抖
N
N
N
Y
Y
Y
Acc.0=0?
R7加1
Acc.1=0?
Acc.2=0?
Acc.3=0?
R7减1
R6加1
R6减1
结束
Y
N
图16键盘控制程序流程图
4．3动态显示程序设计
显示器的扫描，每隔1.25ms轮流点亮一位显示器，对每一位显示器来说每隔6.25ms点亮一次，点亮的时间为1.25ms。
本系统中有六位显示器，在89C51中设置有六个显示缓冲单元，分别放置六位显示器的显示数据。
并通过P2.2～P2.7对LED进行控制。
如图17为显示程序流程图。
开始
R0值百位/十位/个位化
选通LED1/LED2
显示十位/个位
延时
R7值百位/十位/个位化
选通LED3/LED4
显示十位/个位
R6值百位/十位/个位化
选通LED5/LED6
显示十位/个位
结束
图17动态显示程序流程图
结论
本论文完成了软硬件主要功能模块的设计，为进一步设计开发及功能扩展打下了良好的基础。
整个系统主要由AT89C51芯片、热释电传感器、声光报警、键控组成。
性能好，工作稳定，非常适合防盗报警领域！
由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的进一步设计过程中不断完善。
当然防盗报警监控系统的开发是一个实践应用性很强的课题，要使其产品化，能够经受住实际应用的严格考验，还要进行许多深入细致的工作。
而且随着科技水平的不断提高，对智能住宅小区的智能管理系统必然会有不断增长的要求。
为了提高灵敏度，减少误报率，可以采用摄像头作为探测头，将采集到的信号进行图像处理及判断后再决定是否报警。
如果系统接收到报警信号后，保安人员可以通过查询报警记录来确定是否真有人经过。
随着人们对生活质量要求的不断提高，智能住宅小区物业管理系统的功能也将日趋完善。
在新的产品化的管理系统中，人们将会越来越多的体验到现代生活的气息。
致谢
在本次论文设计过程中，我的导师李玉华老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导，使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
参考文献
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北京航空航天大学出版社2008年1月.
[6]《红外线热释电与超声波遥控电路》肖景和等，人民邮电出版社，2003
[7]《传感器及应用
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