危险气体检测和防盗报警器的设计.doc

危险气体检测和防盗报警器的设计Design of hazardous gas examination and burglar alarm 摘 要随着我国国民经济的飞速发展，人们的生活水平和生活方式都发生了很大的变化。社区已成为现在城市的重要组成单元，虽然，小区的管理越来越科学规范，但是，只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。如今，人们生活水平还是存在着很大的差异，而高端的报警往往需要接入网络，所以价格也比较贵。本设计是基于满足众多普通家庭安全需要的一款性能可靠、实用性强、灵敏度高、使用方便的危险气体检测和安全防盗装置。本设计主要由三大模块组成：信号检测和处理模块、无线发射和接收模块，和显示报警模块。采用气体传感器，检测家庭中经常接触到的气体，如天然气、煤气、液化气等有害气体；防盗器采用被动式热释电红外探测器；无线发射和接收模块完成对处理信号的编码、发射、接收和解码工作，实现远距离检测的目的。报警和显示模块采用单片机控制，不仅可以精确的显示对报警位置，而且具有数字时钟的功能。本设不仅具有成本低、低功耗、性能可靠的优点，在技术上还可以利用GSM网络，实现GSM短信的智能远程报警及控制，通过手机终端接收报警短信，并且可以发送命令短信异地遥控实现各种操作。关键词： 气体传感器；红外热释电；无线发射；无线接收；单片机ABSTRACTAlong with our country national economy swift development, peoples living standard and the life style has had the very big change. The community has become now the urban important composition unit, although, the plot management is getting more and more standard and the science, but, only depends on the estate management the protection is insufficient, the people cared that they live at with the property security. Now, the people living standard has this very big difference, but the high-end warning often needs to turn on the network, therefore the price is also quite expensive. In order to satisfy the numerous ordinary families the safety requirements, thus this design is based on a practical section of perform reliably, the sensitivity is high, easy to operate family alarm apparatus, use for to examine the hazardous gas and the burglar alarm.This design is mainly composed of three big modules: The signal detection and the processing module, the wireless launch and the receive module, the obviously report and the display module. Uses the gas sensor, mainly examines the gas like natural gas which, the coal gas, the liquid gas in the family may contact and so on noxious gas; Security uses the passive form pyroelectric infrared acquisition aid; The wireless launch and the receive module complete to process the signal the code, the launch, the receive and the decoding work, completes the long-distance range examination the goal. The warning and the display module use the monolithic integrated circuit control, not can only demonstrate to the warning position, has not reported to the police when may demonstrate the clock.This design except has the cost to be low, perform reliably merit. In addition, this design technically may also use the GSM network, realizes the GSM short note intelligent long-distance warning and the control system, through handset terminal receive warning short note, and may the routing directive short note different external guidance system realize each kind of operation.Key Words：gas sensing; Piezoelectric IR; Wireless launches; Wireless receive; SCM目 录前言11方案拟定21.1危险气体检测系统的方案比较21.1.1方案一催化燃烧式传感器21.1.2方案二MQ-5气体传感器21.2防盗报警系统的方案比较21.2.1方案一红外线报警器21.2.2方案二被动式热释电红外传感器31.3发射与接收电路的方案比较31.3.1方案一有线探测31.3.2方案二315MHZ无线数据发射和接收模块41.4报警和显示电路的方案42系统硬件电路的设计52.1系统工作原理及流程52.2危险气体检测电路的设计52.2.1气体传感器MQ-562.2.2四集成运放LM33982.2.3工作原理92.2.4气体传感器的主要性能指标102.2.5危险气体传感器使用的注意事项112.3防盗报警器的设计112.3.1热释电红外传感器122.3.2电路原理122.3.3热释电红外传感器的安装要求132.4无线数据发射与接收电路132.4.1无线数据发射模块132.4.2无线接收模块162.4.3PT2262/PT2272编码解码芯片介绍172.5报警显示电路的设计173软件系统的设计203.1软件设计流程203.2程序流程图204系统调试214.1硬件电路的调试与仿真214.2软件调试21结论22参考文献23致 谢24附录一系统总程序25附录二英文翻译资料34*师范学院2009届本科生毕业设计前言本课题是主要是为了满足中低收入群体家居安全的需要，设计一种功能多、性能可靠、安装方便、价格低廉的危险气体检测与防盗报警系统。现代家居生活中，对天然气、液化气的使用非常普遍，而这些气体都是易燃易爆的，由于使用不当或气体泄漏而引起的中毒和爆炸成为现在家居安全最大的隐患。保护家居安全的主要措施，就是对些有害气体进行有效的监控。本设计采用气体传感器对气体的含量进行检测，适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）的泄漏探测报警。传统的可燃性气体报警器大多是被动式现场报警，不能进行远程监控报警，也很少能主动切断气源，而本设计采用的无线发射与接收方式，实现了远程监控的功能，另外，电路板上已预留继电器控制电路，用户可方便加装，报警时可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体，也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源，避免危险事件的发生。对于家居安全，人们还比较关心就是家庭财产的安全。近年来，随着我国国民经济的发展，人民的生活水平有了很大提高，人们的生活方式也发生了很大的变化，社区已成为现在城市的重要组成单元。现在很多小区都安装了智能报警系统，小区的管理也越来越科学规范，大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。但是，只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再配合使用一种性能灵敏可靠、经济实用的无线防盗报警器，将会更有效地保证财产安全。因此，提出“无线防盗报警器”的设计任务。外部检测部分主要有：MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成运放LM339电路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分，由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。本设计的无线发射与接收采用的是315MHZ带编码(2262)的无线发射板和超再生接收模块。这样不仅可以减小电路的体积，减低电路的成本，更重要的是可以提高系统的稳定性和可靠性。显示和报警电路是采用单片机是由ATMEL公司生产的AT89S52单片机，可精确显示报警位置，驱动蜂鸣器发出报警声。同时还具有时钟显功能，完全用程序控制，示充分利用了系统资源，更适合家庭使用的要求。总之，本设计是一款经济实用、性能可靠、使用方便、技术上可实现扩展的家居安全装置。54*师范学院2009届本科生毕业设计1 方案拟定1.1 危险气体检测系统的方案比较气体传感器的主要性能要满足稳定性、灵敏度、选择性的要求，不同类型的气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的作用，因此，在选择气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。本设计主要针对家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置，因此根据这一标准来选择器件和设计电路。1.1.1 方案一催化燃烧式传感器催化燃烧式传感器-GQB-X SmArt Sensor：属于高温传感器，其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。催化燃烧式GQB-X SmArt Sensor检测的可实现是有条件的，必须保证检测环境中包含足够的氧气，在无氧的环境下这种检测方式可能无法检测任何可燃性气体。某些含铅化合物（尤其是四乙基铅）、硫化合物、硅类、磷化合物、硫化氢和 卤代烃可能会使传感器中毒或抑制。 另外，它还有成本高、不容易扩展、安装调试复杂的缺点，因此不采用此方案。1.1.2 方案二MQ-5气体传感器MQ-5气敏元件是由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。它的主要优点是：对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，优良的抗乙醇，烟雾干扰能力、响应恢复快速、使用寿命长、稳定性好、测试电路简单，适用于家庭或工业的监测。利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号，进行放大处理。而且容易进行电路扩展，可以单独使用，也可以在小区内组网使用。本设计选用此方案。1.2 防盗报警系统的方案比较1.2.1 方案一红外线报警器红外线报警器主要在于红外线信号的发射与接收部分，由于目在市场上常用的红外线发射器件和接收器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，现在大部分产品的频率为38KHz，设计该电路时，是让其555电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路，可以通过低通滤波，加倍压整流等措施，在有红外线信号收到时输出一个高电平信号，如果有人阻断了红外线信号，输出一个低电平信号，后续电路通过这个低电平信号启动报警。这类报警器主要存在的问题是：（1）安装时要求严格，精度要求高，有角度限制。（2）对安装场所及位置要求高，有时需要多组发射与接收对管。（3）发射与接收易受到干扰，手机、各种红外遥控器的干扰，误报率高。（4）使用寿命短，监控时电源不可间断，对红外发射与接收对管的寿命影响很大。1.2.2 方案二被动式热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。本设计采用此方案。被动红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的被动红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的,热释电元件在接收了红外辐射，温度发出变化时就会向外释放电荷。被动式热释电红外探头的优点是:（1）不需要用红外线或电磁波等发射源,本身不发任何类型的辐射。（2）灵敏度高、控制范围大。（3）隐蔽性好，可流动安装。（4）器件功耗很小、价格低廉。缺点是：（1）容易受各种热源、光源干扰。（2）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。 （3）易受射频辐射的干扰。 （4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，造成短时失灵1.3 发射与接收电路的方案比较1.3.1 方案一有线探测在传统的安全防范工程中，均采用有线的方式连接报警探头和防盗报警主机。本设计要求实现多点的检测，因此使用有线连接，会是线路布线复杂，成本高，使用也不方便。在实际的应用中，有线连接还受传输距离、环境、可变性等多种因素的制约，局限性很强。因此，不选用这一方案。1.3.2 方案二315MHZ无线数据发射和接收模块315MHZ无线数据发射和收发模块由315MHZ无线发射器和接收器组成:数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。配有PT2262编码芯片，完成数据的编码和发射。接收模块采用的是315MHZ带PT2272解码芯片的超再生接收模块。超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点，所以在实际应用中被广泛采用。接收模块采用SMD贴片工艺制造生产，为超再生接收方式，它内含放大整形及解码电路，使用极为方便。传输距离比较理想，一般能达到600米以上，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，一般实用距离在200米以内。因此本设计采用此方案。1.4 报警和显示电路的方案报警和显示也是体统的一个重要组成部分，报警响应的快慢直接慢影响人们对现场的发现和处理。因此对报警系统的基本要求就是要稳定可靠、快速处理信号和实现声光报警等。由于单片机强大存储和信号处理能力，完全可以实现以上要求，为此本设计采用的单片机控制显示报警。为了充分地利用单片机的资源，在显示报警的基础上，增加了体统的时钟显示功能，时钟的实现完全有软件控制，可调时，不需要任何其它器件。*师范学院2009届本科生毕业设计2 系统硬件电路的设计当今社会，随着现代检测、控制和自动化技术的发展，信息采集的方法越来越多，而在所有信息的采集途径中，最普遍、最基础的，就是用传感器。传感器就好似人的“五官”（视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉），已成为现在多个技术领域中不可缺少的部分。传感器的种类日益增多，涉及到的范围也日益变广。2.1 系统工作原理及流程本设计的主要功能是实现气体和人体的检测与报警，由传感器和发射部分构成外部检测部分。 MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成运放LM339电路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分，由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。具体流程图如图2-1所示。热释电传感器气体传感器声光报警数字时钟信号处理电路信号处理电路单片机2单片机1无线接收和解码电路编码和无线发射电路电源电路图2-1系统结构框图2.2 危险气体检测电路的设计 本设计主要检测的气体成分是液化气、天然气、城市煤气，这些气体是日常生活中经常接触到，而且是必不可少的东西。在家庭火灾或者中毒事件中，往往是由于煤气的使用不当，导致的煤气泄漏，而引起的煤气中毒和爆炸。本设计中，气体传感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，天然气（甲烷），煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇、抗烟雾干扰能力，具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命和可靠的稳定性、简单的测试电路等优点。2.2.1 气体传感器MQ-5 MQ系列气体传感器属于半导体气体传感器，它的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物与半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。 MQ-5是MQ系列传感器的一种，它的特点是对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、 对乙醇，烟雾几乎不响应、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命、可靠的稳定性和简单的测试电路等。适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。(1) MQ-5的结构 MQ-5 气敏元件的结构和外形如图2-2所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。图2-2 MQ-5的结构和外形注释：1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt）4 加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢（SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座胶木 9 针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）设计中MQ-5的接线如图2-3所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，通过负载电阻可获得输出信号，并可调节传感器两端的电压，负载电阻可充当传感器的保护器。为传感器选择一个合适的负载电阻可补偿传感器的离散性，并发挥传感器的最佳特性。 在同样的电路，传感器配用不同的负载电阻RL（4.7K，2.0K，1K）时，在气体浓度与输出电压的斜率最大的条件下，传感器对报警浓度可获得最佳信号分辨率。使用时使用可变电阻器RL，以便于获得最佳结果。在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示： (2-1)其中：Rs：传感器电阻A：常数C:气体浓度:Rs曲线的斜率图2-3 MQ-5的等效电路（2）MQ-5的主要规格如表2-1所示MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。应该用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。表2-1 MQ-5的主要特标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压15VAC or DCVH加热电压5.0V0.2VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW环境条件Tao使用温度-10-50Tas储存温度-20-70Rh相对湿度小于95%RhO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于2灵敏度特性Rs敏感体电阻10K- 60K(1000ppm 甲烷)探测范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。 (1000ppm/5000ppmCH4)浓度斜率0.6标准工作条件温度：202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时2.2.2 四集成运放LM339 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，典型值为2mV；（2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；（3）对比较信号源的内阻限制较宽；（4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；（6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用 图2-4 LM339封装及内部结构LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选2-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。LM339主要应用于：单限比较器电路、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器。在本设计应用的是电压比较器电路。2.2.3 工作原理气体检测电路的原理图如图2-5所示。该电路的主要功能是完成气体浓度的检测，电路中只用到一个电压比较器，即可完成对危险气体的检测。MQ-5是一个半导体气体传感器，传感器的阻值大小受外部还原气体的影响。MQ-5的B端为传感器的输出端，R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而变化。R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体的报警浓度值。调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端的电压差越大，电路的灵敏度越小。工作过程是：在待机状态下，传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度，当室内可燃性气体的浓度超过设定值时，传感器产生的电压将超过门限电压，此时现场的报警指示灯DS1点亮，报警信号经过编码处理，由无线发射模块发射给控制电路，控制电路会迅速接收到报警信号，进过解码和显示处理，最终发出声光报警。在发出报警信号的同时，经三极管控制继电器，将拍风扇打开，使可燃性气体的浓度降低，避免因可燃性气体的浓度过高引起爆炸或人员中毒。当室内的气体浓度下降到报警值以下的时候，气体传感器的阻值将发生变化，电路将恢复报警前的工作状态。 图2-5气体检测电路原理图2.2.4 气体传感器的主要性能指标 （1）稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。（2）灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要取决于传感器的结构和所使用的技术。大多数气体传感器的设计都利用了生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-old limit value)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。（3）选择性选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。（4）抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数1020倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。2.2.5 危险气体传感器使用的注意事项（1）不可施加电压过高：如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，引起传感器敏感特性下降。（2）避免高腐蚀性的环境：传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。（3）避免碱、碱金属盐、卤素的污染：传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。（4）禁止接触到水：溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。（5）避免结冰水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。（6）必须避免暴露于有机硅蒸气中：如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。此外，不能经常通断电、MQ-5腔体内不能经常存放高浓度的气体和油污2.3 防盗报警器的设计本设计采用的是被动式热释电红外传感器，在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异，这样PIR就能产生变化的电信号。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。2.3.1 热释电红外传感器双探测元热释电红外传感器其内部结构图如图2-6所示，使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。图2-6 双探测元热释电红外传感器的内部结构图2.3.2 电路原理红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它基于任何物体在常温环境下都会产生自身的分子和原子的无规则运动，并不断辐射出热红外能量，分子和原子的运动越剧烈，辐射的能量就越大。反之辐射的能量越小。人体温度，一般为37度，会发出100um左右的特定波长，被动式红外探头就是靠探测人体发射的100um左右的红外线而工作的。通过红外探头将物体辐射的功率信号转换成电信号，经过处理可以把这个电信号，转换成所需要的信号。红外检测技术的应用非常广泛，在生产生活中发挥了重要作用，例如:红外测温仪、红外电视、红外热像仪等。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。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。电路采用的是LM339电压比较器对较弱的检测信号进行处理，当有人闯入时，热释电传感器的输出端，输出一个低电平信号。信号经过三极管和第一级运放进行放大，然后经过两级的电压比较。电路中通过调节第二级的比较器的一正向输入端的电压值，也就是给正向输入端加一个固定电压做参考电压，反向输入端加一个待比较的信号，第二级两个输入管脚的电压差越大，电路的灵敏度就越低，可调节电路的灵敏度。电路中决定报警信号的延时时间，如果希望有人闯入时，报警信号持续发出报警信号，那么就可以改变的容值，来改变报警信号的持续时间。热释电红外报警器的工作过程为：当红外探头检测到有人闯入时，传感器的输出端输出一个低电平，经过处理电路，使检测电路中的报警指示灯点亮，在现场发出报警。同时，报警信号通过无线发射模块进行编码处理，通过无线发射出去。控制电路会及时接收到该信号，经过解码和显示处理，发出声光报警。电路原理图如图2-7所示。热释电红外传感器的优点是本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉。 但是也存在着一些不足如：容易受各种热源和光源干扰、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、易受射频辐射的干扰、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。 2.3.3 热释电红外传感器的安装要求 热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：（1）报警器应离地面2.0-2.2米。（2）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。（3）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方2.4 无线数据发射与接收电路本设计使用的是带编码(PT2262)的无线发射板和315MHZ带PT2272解码接收板，主要目的是提高系统的稳定性和可靠性，而且电路简单，易于调试。2.4.1 无线数据发射模块（1）结构与功能如图2-8所示的数据发射模块，其工作频率为315MHZ，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。发射模块还设有编码集成电路，可直接完成编码和无线发射功能，使用非常方便。图2-7热释电红外检测电路图2-8无线数据发射模块该模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作。数据电平应接近数据发射模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。数据发射模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。（2）数据发射模块主要技术指标： a.通讯方式：调幅AMb.工作频率：315MHZc.频率稳定度：75KHZd.发射功率：500MWe.静态电流：0.1UAf.发射电流：350MAg.工作电压：DC 312V（3）数据发射模块的使用数据发射模块的使用非常简单，如图2-8所示的模板中，+接电源正,-接电源负,电压为DC2-11V.每次发射可以直接控制电源的通断,时间最好小于3秒,模板的左边为编码,下方为数据端,右边上的一个孔接天线 (可以用多股的铜线24CM长即可)。此发射模块可以配两种接收模块组合使用：超再生式接模块和超外差接收模块。本设计选用的是超再生接收模块。2.4.2 无线接收模块 本设计采用315MHZ带PT2272解码接收板，如图2-9所示。（1）结构与原理超再生接收是编解码电路最常见的一种形式，成本低廉，灵敏度高，电气性能满足一般的应用环境。超再生接收模块有七个引出端，分别为10、11、12、13、GND、17、VCC，其中VCC为5V供电端，GND为接地端，17端为解码有效输出端，10、11、12、13是解码芯片PT2272(SC2272)集成电路的1013脚,为四位数据锁存输出端，有信号时能输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA，与发射器上的四为个按键一一相对应。接收板A-M4和L4的区别在于输出的数据是非锁存的，有遥控信号是数据脚是高电平，遥控信号消失时数据脚立即恢复为低电平。图2-9 315MHZ带PT2272解码接收板接收模块采用SMD贴片工艺制造生产。接收模块从工作方式分，可以分成超外差接收板和超再生接收板。超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。本设计为超再生接收方式，它内含放大整形及解码电路，使用极为方便。接收机采用高精度带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化，而且由于采用贴片工艺，所以即使强烈震动也不必担心接收频点漂移，接收电路的接收带宽约500KHz，出厂中心频率调整在315MHz。2.4.3 PT2262/PT2272编码解码芯片介绍PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。具有CMOS工艺制造，低功耗、外部元器件少、RC振荡电阻、工作电压范围宽：2.6-15v、数据最多可达6位、地址码最多可达531441种的特点。广泛应用与车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具和其他电器遥控。编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后。VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直接通电源，编码芯片也会连续发射。当没有报警动作时，PT2262不能接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时。PT2262得电工作，其17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低电平期间315MHz的高频发射电路停止振荡。所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100的调幅。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢。编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。推荐值：2262/4.7M和2272/820K；2262/3.3M和2272/680K；2262/1.2M和2272/200K。PT2262发射电路的编码是由1-8脚来完成，有高电平和低电平或悬空三种状态，可组成6561编码，有4位数据码，每个编码可发射16组数据，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，最后由PT2262的17脚送往无线发射电路发射出去，数据码只有高电平和低电平两种状态。 2.5 报警显示电路的设计本设计的显示电路采用的是由AT89S52单片机控制的显示和报警电路电路。具体要求是：能快速精确地显示报警的位置和报警提示音。电路采用发光二极管作为报警位置的显示，利用蜂鸣器作为声音提示，有报警信号时，电路给蜂鸣器一个高电压，发出报警声，给人以报警提示，实现声光报警的要求。电路还具有数字时钟的显示功能，采用六位数码管显示，并且可以调整。声光报警有单片机的P0口控制：P0.0为第一路气体显示控制、P0.1为第一路人体显示控制、P0.7为蜂鸣器控制；P1口为数码管的段控、P2口为数码管的位控；P3.5为调试控制端。具体电路如图2-10所示。2-10报警显示电路天津工程师范学院2009届本科生毕业设计3 软件系统的设计3.1 软件设计流程 本设计的软件设计是对控制电路中的声光报警和数字时钟的控制。 声光报警要求对报警的位置进行显示并是单片机蜂鸣器发出报警声；数字时钟采用的六位共阳数码管显示，显示时、分、秒并有调时的功能。采用端口扫描的方式判断是否有报警信号，当有报警信号的时候，单片机对该信号进行处理，控制显示和报警。软件设计中，采用定时器T0、T1溢出周期为50MS,T0为秒计数用,T1为调整时闪烁用， P3.5为调整按钮,P1口 为字符输出口,P2口为位选端。时间调整方法：按P3.5未超过1s进入省电模式，数码管不亮，内部时钟计时按P3.5超过1s进入调整模式,要调整的时间会闪动，此时，按下P3.5超过0.5S，进入下位调整,按下P3.5未超过0.5S，当前位加一3.2 程序流程图 图2-11程序流程图天津工程师范学院2009届本科生毕业设计4 系统调试测试原理是系统测试活动的理论基础，测试方法是测试原理的实际应用和获得测试数据的手段。测试主要依据的是本系统的技术指标，是对系统整体功能和性能的综合测试与评估。4.1 硬件电路的调试与仿真在设计具体电路之前，首先利用仿真软件对个部分电路进行仿真，经过反复的修改，整个电路能够实现所要求的功能。根据仿真后的电路进行实际电路的焊接。焊接时采用对电路进行分模块的设计思路，逐步进行焊接与调试，最后再整体调试的步骤。在调试过程中，电路的实际效果并不想仿真的那样，中间出现了一些意想不到的结果，尤其是热释电人体检测电路。红外探头对环境的影响很敏感，实际的测量效果达不到理想的效果。对于电路中的一些元件参数也是在反复调试后确定的。最初的时候，热释电可以检测到人体信号，也可以发生报警，但是报警指示灯会一直亮着。经过对电路的调试和分析，其主要原因是电容值过大，也由此得出，报警信号的演示时间是由控制的。在调试过程中该电路还存在这一些不足如容易受各种热源和光源干扰、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、易受射频辐射的干扰、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。对于这些不足还有待于电路上的改进与完善，由于时间和条件问题，以上的不足本设计不能一一解决，请谅解。气体检测电路的调试比较顺利，而且它的性能和灵敏度都要比热释电传感器要好。调试用的气体是打火机中的气体，足以让其产生报警。无线发射和接受采用的带编解码芯片的模块电路，因此在调试和使用上非常稳定、简单。4.2 软件调试本设计软件的测试所采用的是伟幅Wave仿真软件。wave6000是目前世界上最优秀、最强大的51单片机开发应用平台之一。它内嵌的仿真调试软件可以让用户采用模拟仿真和实时在线仿真两种方