毕业设计（论文）-基于热释电传感器的红外报警装置.doc

密级公开学号201340506001衡水学院衡水学院毕业论文（设计）毕业论文（设计）基于热释电传感器的红外报警装置论文作者：指导教师：系别物理与电子信息系专业：电子信息工程年级：2013级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日毕业论文（设计）学术承诺毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名：日期：毕业论文（设计）使用授权的说明毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名：指导教师签名：日期：日期：2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）I论文题目：基于热释电传感器的红外报警装置摘要：随着社会的高速发展，科技越来越发达，人们的安全防范意识也越来越高，人们越来越重视自身环境的安全性。如今，绝大部分小区都有安保措施，但是既不美观，而且不符合防火的标准，再加上偷盗者技术的层出不穷，并不能有效的防范入侵者。现在市面上主要有的报警器大都有一些缺陷，会给犯罪分子以可乘之机。本文介绍的是一种热释电红外报警器，这种报警器制作简单，价格低廉，安装简便，防盗性能稳定，抗干扰能力较强，灵敏度较高，安全可靠，适合家庭使用，而且，这种报警器隐秘性较好，不容易被入侵者发现，有较高的实际的应用价值。关键词：热释电传感器：HC-SR501；AT89S51芯片TITLE：BASEDONTHEPYROELECTRICSENSOROF曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置IIINFRAREDALARMDEVICEAbstract:Withtherapiddevelopmentofsocietyscienceandtechnologymoreandmoredevelopedpeoplesawarenessofsecurityisalsogettinghigherandhigherpeoplepaymoreandmoreattentiontothesafetyoftheirownenvironment.Whenthefamilyisonlytheelderlyandthechildrentheydonothaveenoughabilitytoprotectthemselvesandfamilyproperty.Todaythevastmajorityofthedistricthassecuritymeasuressuchassecuritymonitoringetc.everyhouseholdisanti-theftdooranti-theftwindowbutthisisneitherbeautifulanddoesnotmeetthefirestandardscoupledwiththetechnologyofstealingEffectiveagainstintruders.Nowtherearesomeofthemainalarmonthemarketisdividedintosuchcategoriessuchas:switchelectronicburglaralarmpressure-triggeredanti-theftalarmetc.buttheexistingalarmhassomeflawswillgivecriminalsmachine.Thisarticledescribesapyroelectricinfraredalarmthisalarmissimpleinexpensiveeasytoinstallanti-theftperanceisstablestronganti-interferenceabilityhighsensitivitysafeandreliablesuitableforhomeuseandthisKindofalarmsecretivebetternoteasilyfoundbytheintruderahigherpracticalvalue.Keywords:PyroelectricSensors:HC-SR501AT89S51Chip目录2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）III摘要.IAbstract:.II1绪论.11.1课题研究目的.11.2课题的研究现状与研究内容.11.3课题研究的主要内容.22基于热释电传感器的红外报警装置工作原理及硬件选择.32.1基于热释电传感器的红外报警装置的工作原理.32.2热释电传感器工作原理.32.3单片机控制芯片.43硬件设计.53.1单片机最小系统模块.53.2热释电传感器模块.53.3报警电路.63.4控制按钮模块.74软件设计.85各硬件单元的焊接及系统整体测试与调整.95.1系统硬件的调试.95.2系统软件调整.95.3功能测试.105.4安装注意事项.10结语.11参考文献.12致谢.13IV2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第1页共13页1绪论1.1课题研究目的随着时代的发展，科技的更新，人们的意识也越来越前卫，对环境的关注越来越多，首先是生活环境，例如在一些商店等场所的财产安全，人们不得不防止一些恶意入侵的入侵者。现在安装了监控装置，绝大多数社区保卫人员昼夜巡逻，大大提高了生活环境的安全系数，但也有一些漏洞，给予犯罪分子机会。现在常见的报警是如此之少：开关电子报警，压力触发报警等，但有一些缺点或多或少。本文介绍了一种新型报警器热电红外报警器。由于红外线不可见，所以具有非常好的保密性，所以在安全性上，警戒安全性在系统中得到广泛应用。而且由于它的稳定性可靠，制作工艺简单，技术成熟的优点，使得许多行业的专家和普通的用户对它也是情有独钟。热释电传感器是基于一种名叫热电效应的原理，能够进行热变化信号向电荷变化信号的转化，当变化的红外信号照射到热电晶体的表面上时，晶体的温度会迅速发生变化，电荷也会向两极移动，形成微弱的电流，从而在两极之间形成一个弱电场，由于电流很微弱，不容易被检测到，所以需要用电阻将电流转变成为电压信号，以便于观察。由于电阻阻抗较高，可达到104M，因此需要使用N沟道结场效应管进行阻抗变换。热电元件是一种非常典型的传感器，常用于检测外界及其活动。1.2课题的研究现状与研究内容现如今，市面上有各种各样的防盗系统，这些防盗系统大同小异，都是依靠主动向外发射红外线或者超声波等信号为基础，缺乏创新，相比较而言，犯罪分子的犯罪手段层出不穷，相比之下现有的防盗技术就显得有些捉襟见肘了，所以本文介绍了一种新型的报警系统，这是一种被动式的接收红外线的传感器-热释电传感器。它在不需要接触人体和主动发射红外线的情况下，检测到人体发射出来的红外信号，而且还能分辨出运动的是生物还是非生物。热释电传感器的应用范围十分广泛，不仅仅是防盗报警系统，在遥感等探测领域的应用也十分的广泛。热释电传感器和现存的防盗报警系统具有以下特点：1.能耗低，不需要主动发射信号。2.高灵敏度，更好控制。3.可用于隐蔽流动安装。三大突出特点，使得热释电报警器已经融入了一批安防系统的开发中，随着技术的成熟，价格逐渐降低，热释电报警装置将越来越受欢迎，我们有理由相信，这种新的报警装置对保护居民的财产将起到积极的作用。曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第2页共13页1.3课题研究的主要内容基于热电传感器的安全报警系统，主要应用HC-SR501作为红外检测单元，用来采集人体发射出来的红外信号并将其转换为电信号，经信号处理电路将收集的电信号进行处理，以达到应用需求，最后，报警电路会根据电信号发出报警等现象。HC-SR501红外传感器具有测量精度高、硬件电路简单的特点。在第二章的设计中，详细介绍了热电传感器报警装置的工作原理，并给出HC-SR501红外传感器原理图。并选用主要电子元器件。在第三章，对系统硬件进行了设计。包括主程序，布置布，程序和手动报警等。第四章对软件程序进行了具体分析，给出了系统流程图。第五章焊接和调试硬件，解决了焊接中的一些问题，并且改进了软件程序，使得该程序可以正常稳定运行。2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第3页共13页2基于热释电传感器的红外报警装置工作原理及硬件选择2.1基于热释电传感器的红外报警装置的工作原理热释电传感器是一种由压电晶体或陶瓷氧化物组成的感温传感器，需要对表面电镀金属电极组件进行极化才能进行使用，当在监控范围内，红外信号变化时，热电晶体表面的温度也会发生急剧变化，两极之间会产生温差，由于热电效应，电荷将移动到两极并产生电荷差q，也就是产生弱电压v。由于输出阻抗非常高，所以需要使用效应阻抗匹配装置进行阻抗转换，当检测温度区域稳定时，不产生温差，也就不会产生电压，传感器也就没有了输出，当人体进入到检测区域时，由于人体和环境温度不同，所以会产生温差，两极之间也就可以产生v输出电压，从而触发报警电路。当人们站在测试区域时，温度不变，传感器不会产生输出。因此，这种传感器能够对运动的物体进行检测对静止的物体检测不到，如人体或动物在监测区域内有效。系统工作原理如图2-1所示。图2-1基于热释电传感器的报警装置工作原理图2.2热释电传感器工作原理热电红外传感器是一种从1980年起出现的一种新型高灵敏度检测元件，对于热电元件而言，输出信号是非常弱的电荷，不方便直接使用，所以用高阻抗电阻来进行转换，使电荷信号转变成电压信号，热电红外传感器采用N沟道结场效应管完成阻抗变换。热电红外传感器由检测头，干涉滤波器和场效应管阻抗匹配器三部分组成，检测头是指将热敏晶体制作成具有一定厚度的片状，然后在晶片两侧电镀金属电极，然后通电极化，用来接收红外信号，探头可以在不接触的情况下接收到人体红外信号的变化，然后转换为电信号输出，信号放大，用于驱动各种控制电路。干涉滤光片是将多层滤曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第4页共13页膜涂在玻璃上，允许通过的红外波长为7.0-14微米，而体温正常的人，最强的红外辐射中心值为9.65微米，正好在滤光片窗口响应波长的中间值。所以过滤器可以有效地使人体发出的红外信号通过窗口，并且最大限度地遮阳，用以去除干扰源，如阳光等。场效应管阻抗匹配器是一种驱动电平元件，栅极和漏极之间的电流非常小，具有特别高的阻抗。通常安装在传感器内部，用于减少外界的干扰。被动红外传感器的原理是：被动热电传感器本身不会向外发射任何形式的能量，被动接收外界的能量，以达到检测的目的。因此，温度传感器只能移动或运动的人体或物体起到类似于人体的作用。2.3单片机控制芯片本次设计可编程，还可以使用传统的编程。芯片有8位CPU和系统可编Flash的特性，所以在AT89S51单片机芯片在嵌入式控制系统中有着非常广泛的应AT89S51芯片功能如图2-2所示。图2-2AT89S51功能方块图振荡器和时序OSC程序存储器4KBROM数据存储器256BRAMSFR定时器计数器216AT89S51CPU64KB总线扩展控制器可编程IO可编程全双工串行口内中断2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第5页共13页3硬件设计3.1单片机最小系统模块最小系统，顾名思义指的就是用最少的元器件组成的单片机可以正常工作的系统。最小系统具有系统资源完全开放，可以配合其他模块自行搭建用户电路用来实现任意的实验功能，接口灵活，使用方便，电路简洁的特点。由四部分组成：晶振、复位电路、电源、程序烧制接口。晶振主要是用来产生单片机内部时钟周期，本文使用的晶振是12MHZ的，因为一个机器周期包含6个状态周期，而每个状态周期包含2个振荡周期，则每个机械周期是1us，与两个电容并联来进行工作，晶振的大小决定了电容的大小，一般都采用22pF。复位电路主要是用来让系统重新运行。电源模块主要是用来给系统供电。程序烧制接口主要是用来烧制程序的，通过开发板和电脑相连，将程序烧录到单片机中根据单片机种类的不同可采用串口输入和并口输入等方式。电路图如图3-1所示。图3-1最小系统模块曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第6页共13页3.2热释电传感器模块通常，场效应管阻抗匹配器会被封装在传感器内部，以减少外界干扰，传感器模块的主要目的是收集红外信号的变化，然后通过场效应管转变成电压信号，通过驱动电路将电压信号传递到单片机，经过程序处理后再传递给控制电路进行信号的输出。热释电传感器模块如图3-2所示。图3-2热释电传感器模块3.3报警电路本次设计采用的是声音和灯光双重报警的设计，当有人触发报警装置后，单片机会接收到传感器的信号，然后经过PNP三极管放大后，驱动蜂鸣器发出警报，同时状态指示灯模块的红灯闪烁，以达到报警的目的。报警电路设计如图3-3所示，状态指示灯模块如图3-4所示。图3-3报警电路原理图2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第7页共13页图3-4状态指示灯电路3.4控制按钮模块按钮模块主要是用来对系统进行控制的，电路设计如图3-5所示。这个模块包括设置布防、复位、手动报警三个按钮，当接通电源单片机上电之后，打开电源开关，按下布防按钮，绿灯闪烁，说明正在布防，本次设计所设置的时间是30秒，布防成功后，在可探测范围内，当有人经过的时候会接收到人体发出的红外信号，把信号反馈给单片机芯片，经过程序的处理后，蜂鸣器会发出警报，对应的警报灯会闪烁，按下复位键或者第三个按钮，会重新开始，按下第一个按钮会重新开始。图3-5键盘控制电路曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第8页共13页4软件设计大体的工作流程是：当通电并按下开关后，单片机开始工作，本文程序中设定的布放时间为30秒，绿灯会一直闪烁，当布放完毕绿灯常亮，不再闪烁。当有人进入时红外传感器将接收到人体散发出的红外信号转化为电信号，在电平转换电路中传感器出来的高电平与三极管集电极的高电平相抵消得到单片机识别的低电平，经过单片机处理，状态指示模块与蜂鸣器分别收到信号，此时红灯亮，蜂鸣器收到低电平信号并报警。当单片机一直处于低电平状态时，报警会一直持续，红灯依旧显示，直到传感器没有接收到信号，单片机恢复到高电平状态报警停止。本文采用的处理器是AT89S51单片机，将程序烧录进去通电后，会在程序的控制下进行工作。布放之后，当有人经过探测区时，人体发出的红外线照射到红外探头上，热感晶体两电极间会产生电荷的移动，形成电压，经过N沟道结型场效应管来进行阻抗之间的变换。电压信号会传递到单片机，经程序处理后会产生控制信号，分别传递给报警模块和状态指示灯模块，报警模块发出警报，状态指示灯模块红灯闪烁。按下复位按钮，可解除警报。处理器采用的是51系列中的AT89S51单片机，在软件控制下进行工作。人体发2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第9页共13页出的红外信号照射到红外探头上时，转变成电信号，经过放大电路会输出高电平到AT89S51单片机，在单片机中经过系统的处理之后会实时的发出控制信号，驱动电路会将控制信号放大并使声光报警系统发出警报。当警报解除或者手动解除时，复位电路会使系统复位。工作流程图如图4-1所示。图4-1软件编写流程图5各硬件单元的焊接及系统整体测试与调整5.1系统硬件的调试在实物焊接过程中，应保证焊接环境的干净整洁，将不相干的东西都清理干净，其次要注意安全，以免烫伤，焊接的原则应遵循先点焊再线焊的先后顺序，尽量不要跳线，如果需要跳线的话应该尽量避免跳线检查，以免发生短路等情况的发生。焊接的质量会直接影响到电路能否可靠地工作，而且元器件必须保证准确无误的焊接好，而且事先应该对元器件的质量进行检测，防止在调试过程中损坏，从而使得其他元器件发生损坏，导致功亏一篑。其次，在焊接过程中必须焊接牢固，避免虚焊漏焊等情况的发生，最后，要保证焊接的光洁美观，元器件应该合理分布，使整体布局均衡大方。当电路焊接完成之后，不应该直接通电进行测试，而应该必须对整体进行检查。包括元器件的安装情况，焊接处是否牢固可靠，是否存在短路等情况。元器件的安装情况包括元器件是否符合使用标准，确保元器件能够正常工作，还要检查三极管、二极管、电容等元器件的极性有没有接错，还应检查有没有存在短路、虚焊、漏焊的情传感器接收到红外信号场效应管阻抗变换89S51芯片进行处理指示灯模块红灯闪烁通电，进行布放指示灯模块绿灯闪烁报警电路报警按钮模块复位指示灯模块黄灯闪烁手动布放曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第10页共13页况，最后应检查电源和接地端有没有短路的情况，如果存在的话应该进一步检查。以上这些步骤都保证没有差错之后，才可以进行通电进行调试。5.2系统软件调整在程序烧写前，要对AT89S52单片机程序烧写的设备进行了解。汇编语言是用助记符来对机器进行指令的一种符号语言。具有程序执行效率高、占用的资源少的特点。但是对于不同的CPU，汇编语言之间存在着一些差异，不容易进行移植。C语言具有结构简单、灵活方便、运算符丰富、适用范围大、移植性好、数据结构丰富、适用于多种操作系统等特点，它是一种结构式语言，它可以使代码和数据分离开，各模块之间除了必要的信息之间的交流外其他互相不影响。这种结构可以使得程序层次清晰、便于调试、使用和维护等优点。所以本设计采用的汇编语言是C语言。KEILUVISION2是一款优秀的单片机开发软件，界面友好，易学易用，集程序编辑、编译、仿真于一体，还支持C语言，汇编，PLM等程序设计，在程序的调试和仿真方面功能也十分强大，所以本次设计采用了KEILUVISION2这款软件来对程序进行编写和调试。在完成了设计、焊接和软件设计之后。对系统的调整与测试是非常重要的。在测试过程中发现系统的问题，再通过调试来使系统达到最佳运行状态，保证系统的正常运行。在调试过程中，应该先对硬件进行调试，再对软件进行调试。5.3功能测试检查无误后，通电并设置好布放以后，进入探测区，报警模块报警，状态指示灯模块红灯闪烁，按下复位键，程序重新执行，说明系统可以正常工作。热释电传感器模块有两个旋钮，经过查阅资料得知，左边按钮是调节灵敏度的，顺时针调节灵敏度变高，逆时针调节灵敏度变低。右边的按钮是调节延时的，顺时针延时变长，逆时针延时变短。经过反复的测试和计算，我发现探测范围方位角大概是70度到80度左右，探测距离为三米到五米左右。而且由于菲涅尔滤片形成的是敏感区区和盲区相互交替的探测区，所以对横向切割探测区的物体探测比较明显，而对纵向的物体灵敏度会稍微降低一点儿，如图5-1所示。2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第11页共13页图5-1盲区说明5.4安装注意事项因为工作原理是接收红外信号的变化，所以不能安装在温度变化敏感的场所，例如锅炉房，冰箱等场所，会使得传感器误判，而发出警报。其次，不能安装在窗口，以免窗外的流动人群触发警报。最后，为了能最大范围的探测，本装置的安装位置最好应该选在离地2米左右的位置，而且探测区内不应该有大型障碍物的遮挡，如图5-2所示。图5-2安装位置说明结语在本次的设计中，遇到了许许多多的问题，例如蜂鸣器不报警，指示灯不亮，程序不执行等各种各样的问题，经过模块化的多次调试，终于将这些问题一一克服，模块化设计使得调试简单化，避免了线路复杂等方面的麻烦，而且易于维护，当模块发生故障时只需要重新接入另外一个调试好的模块，可以大大的减少工作量，提高工作效率。曹瑞：基于热释电传感器的红外报警装置第12页共13页2013级电子信息工程专业毕业论文(设计)第13页共13页参考文献1廖先芸.电子技术实践与训练M.高等教育出版社，2011.45-95.2赵明.工厂电气控制设备M.机械工业出版，2012.56-68.3何希才.传感器及其应用电路M.电子工业出版社，2013.12-24.4李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计M.哈尔滨工业大学出版社，2011.24-35.5王磊.基于单片机STC90C516的超声波红外报警系统设计J.兰州工业学院学报，201320（05）:1-4.6付竞楠.基于STC15F100型智能控制器在安保系统中的应用J.科技传播，2012(03):187-189.7陈国钧.红外探测无线遥控数显防盗报警系统研究J.机电信息，2014(12):154-155.8程素平.热释电红外传感器及其报警J.建材技术与应用，200