热释电红外防盗报警器-物联网课程设计.doc

石家庄铁道大学物联网技术课程作业 2016 年 春 季学期学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 课 程 名 称： 物联网技术 学 生 姓 名： 刘正艺 学 号： 20132620 指 导 教 师： 王伟明 完 成 日 期： 2016.5.21 课程作业任务书1、 作业目的 红外线防盗报警器是当前使用比较普遍的报警器之一，它以其灵敏度高、价格实惠，受到了广大用户的欢迎。但是使用每一种红外线传感器都有其不足之处，如抗干扰能力弱、误报漏报现象严重等，可靠性不够高。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。因此，设计一种基于单片机和物联网简易的红外报警器，设计的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方便和PC机通信，便于时时更新报警的设置。2、 作业内容及要求该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路，报警电路组成。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，从而实现报警功能。具体要求：1、有四个控制按键，一个按键布防，一个按键是遇到紧急情况紧急报警，一个是撤防和一个单片机的上电复位按键。2、按下布防按键后， 20秒后进入监控状态（此时有人靠近不报警），20秒后当有人靠近时，热释红外感应到信号，传回给单片机，单片机控制蜂鸣器进行报警，按下撤防按键解除布防。3、当遇到特殊紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。3、 作业成果形式及提交要求作业成果形式：实物设计和设计论文提交要求：实物演示讲解。四、参考文献1 房汉雄，王艳春.基于51系列单片机的被动式热释电型红外防盗报警器的设计J,齐齐哈尔大学学报.2008,1(24):41 2 陆尚炳，王海波，魏晋忠.基于热释电红外检测技术的防盗报警器设计J.企业技术开发,2009,3(28):47 3 罗晴兰.RS-485总线通信技术在红外线报警系统中的应用J.电工电气,2005,5:27 4 宋文绪. 传感器与检测技术. 北京: 高等教育出版社，2004. 5 何希才.传感器及其应用实例.北京：机械工业出版社，2004. 热释电人体感应红外报警器摘要：本课程设计研究的是热释红外报警系统，根据物理学知识，凡是温度大于绝对零度的物体都会发出红外线。不同的物体发出的红外线频率也不相同，因此用热释电红外传感器可以探测出监控环境中的某些特定范围的波长的红外线，达到报警的效果。该热释红外的报警系统由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括单片机系统，热释电红外传感器探头、按键电路、LED显示电路，蜂鸣器报警电路等部分；软件部分主要包括热释电传感器输出信号的采样、数据分析模块，其中，系统主程序，红外热释电传感器子程序，报警子程序和按键子程序，均采用51系列C语言编程实现。关键词：热释电红外传感器；c语言；单片机2525目 录1 绪论31.1、设计背景31.2、设计概述32 方案的设计与选定42.1 方案设计42.2选定方案53 热释电传感器概述63.1、热释电红外传感器63.2菲涅尔透镜84、系统硬件模块设计104.1单片机最小系统104.2按键控制电路104.3 发光二极管报警电路114.4蜂鸣器报警电路125、系统软件模块设计12 5.1程序设计思 5.2程序设计5 系统总电路图13总结与展望14总结14展望141 绪论1.1、设计背景随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。这里所设计的被动式红外报警器则采用的传感元件是热释电红外传感器。这种热释电红外传感器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它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装。1.2、设计概述随着电子技术的发展，人类不断研究，不断创新纪录，人们自身的安防意识也在逐渐增强。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。本设计是利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。内容广泛，灵活应用。2 方案的设计与选定2.1 方案设计方案一：利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。系统主要有红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10m左右的红外线，被动红外报警器就是靠探测人体发射的10m左右的红外线而进行工作的。人体发射的10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。方案二：利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。主要由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成。接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在0.80.95微米之间)，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远，能达到被动红外的十倍以上探测距离。2.2选定方案方案二的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案一较为复杂。由于是系统要求有节能的特点，并且要在电路元件和模块的选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。综上所述选择方案一：由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。主要由电路由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。组成框图如下：红外线传感器信号放大延时电路音响报警电压比较开机延时电源电路图1 人体红外线感应报警器组成框图3 热释电传感器概述3.1、热释电红外传感器一、热释电效应及传感器结构热释电元件和压电陶瓷一样，都是铁电体，除具有压电效应外，当其表面温度发生变化，也将引起表面电荷的变化，这种现象就是热释电效应，用具有这种效应的介质制成的元器件称为热释电元件。热释电辐射传感器由滤光片，热释电元件，高输入阻抗放大器等组成。由于热释电元件的内阻抗极高，需要场效应管做阻抗变换，制作中把热释电元件和场效应管封装在同一壳体里，为防止可见光对热释电元件的干扰，还得在其表面安装一个滤光片。滤光片的波段范围应选择与被测物体的红外辐射波长一致，例如，作为人体红外探测，滤光片应选取7.514m波段，因外人体温度为37时，辐射的红外线在9.4m处最强。 由于热释电元件不像其他光敏元件那样可连续接受光照，因为极化电荷在元器件表面停留过久就会与环境中的电荷中和或者泄露，即表面温度只有变化过程中才会有信号输出，但大部分物体的红外辐射都是恒定的。所以，必须对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变为交变辐射。设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。为了满足这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。 热释电红外传感器的结构如图2所示（其中D接正电源，S为输入，G接地）。其内部由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内冲入氮气封装起来。 图2 内部结构 二、热释电红外线传感器的优缺点优点：本身不发任何类型的辐射。器件功耗很小，隐蔽性好，流动安装。价格低廉。缺点：容易受各种热源、光源干扰。被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。3.2菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。一、菲涅尔透镜的原理菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。图4 菲涅尔透镜的展开图和安装位置图二、菲涅尔透镜作用作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用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变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号图5 菲涅尔透镜检测示意图不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2m，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到lOm三、菲涅尔透镜的主要技术指标外形尺寸，根据传感器和探测摘要来设计和生产不同尺寸的透镜。水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。4、系统硬件模块设计4.1、单片机最小系统 要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图4-1所示。 图4-1信号处理模块 单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。STC89C52 单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。 时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。42、按键控制电路 本电路的设计就是为了控制电路中布防和紧急状态下不同的工作形式，当按下布防按键后， 20秒后进入监控状态，当有人靠近时，热释红外感应到信号，传回给单片机，单片机马上进行报警。当遇到特殊紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。如图3-8所示。 图3-8按键部分4.3、发光二极管报警电路的设计由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用8。图3.2.5所示为发光二极管报警电路。图3.2.5 发光二极管报警电路图4.4、蜂鸣器报警电路在单片机的I/O 里会输出高低电平,在P20、P21和P22分别接上LED指示灯而P23接上蜂鸣器而蜂鸣器外接个8550的三极管起到开关作用，当三极管达到饱和状态下就驱动了蜂鸣器工作了 。图3-9指示灯和报警电路 5、系统软件模块设计5.1程序设计思想首先将子程序进行调试，将功放，串口，数码管显示，数据采集这几部分进行分别调试，将这几部分调试成功以后，再将这几部分进行整合，以得到最后的结果。按键是否按下？程序框图：是检查信号否检查是否有电平变化？否暂停报警产生500hz和1khz交替变化的一个音频信号是上位机显示扬声器报警数码管显示位置 总框图1 扬声器报警模块框图25.2程序设计#include /调用单片机头文件#define uchar unsigned char /无符号字符型 宏定义变量范围0255#define uint unsigned int /无符号整型 宏定义变量范围065535/ 红外热释电传感器 平时为0 有输出为1sbit beep = P25; /蜂鸣器定义sbit red = P01; /红色发光二极管定义sbit green = P04; /绿色发光二极管定义sbit yellow = P07; /黄色发光二极管定义sbit hw = P00; /红外热释传感器定义bit flag_500ms = 0;uchar flag_alarm ; /报警标志位uchar flag_bufang ; /布防标志位uchar flag_bufang_en ; /布防标志位使能uint flag_value; /用做定时器的变量/*1ms延时函数*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j120;j+);/*独立按键程序*/uchar key_can; /按键值void key() /独立按键程序static uchar key_new;key_can = 20; /按键值还原P1 |= 0xff;if(P1 & 0xff) != 0xff)/按键按下delay_1ms(1); /按键消抖动if(P1 & 0xff) != 0xff) & (key_new = 1)/确认是按键按下key_new = 0;switch(P1 & 0xff)case 0xfb: key_can = 1; break; /得到按键值 case 0xf7: key_can = 2; break; /得到按键值 case 0x7f: key_can = 3; break; /得到按键值 else /按键松开key_new = 1;/*对应不同按键处理*/ void key_with()if(key_can = 1) /按键紧急报警flag_alarm = 1; /报警标志位 ; if(key_can = 2) /布防按键flag_bufang_en = 1;if(key_can = 3) /取消报警 把变量清零flag_alarm = 0; flag_bufang = 0; flag_bufang_en = 0;flag_value = 0;beep = 1;red = 1; /关闭红灯green = 1; /关闭绿灯yellow = 1; /关闭黄灯 /*定时器0初始化程序*/void time_init() EA = 1; /开总中断TMOD = 0X01; /定时器0工作方式1ET0 = 1; /开定时器0中断 TR0 = 1; /允许定时器0定时/*红外报警处理*/ void hongwai_dis()if(flag_bufang_en = 1) /准备开始布防green = green; /绿灯闪 if(flag_bufang = 1) /确认布防green = 0; /如果延时布防成功 绿灯长亮if(hw = 1) /红外有输出flag_alarm = 1;if