传感器检测技术课程设计-红外二极管感应报警电路分析与制作.docx

传感器检测技术课程设计红外二极管感应报警电路分析与制作2016 年 6 月 目录一设计要求2二基本原理3三硬件电路设计4四软件设计9五调试过程与结果分析12结果分析12六.系统硬件电路的选择及说明13七.结论15八心得体会16九参考文献17十.附录18附录一18附录二21附录三24 一设计要求1、利用红外人体感应元件家庭防盗自动报警器2、通过设定，当有人进入关闭的室内时报警器便会报警3、选择合适的红外人体感光元件并说明选用理由4、画出你所设计的家庭动报警器电路原理图并予以说明；5、说明你所选择的元件明细表6、简要说明你所设计的传感器的测量特点 二基本原理被动式红外探头的工作原理：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥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。被动式报警探测器易于布防、价格便宜而被广泛应用。本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括硬件设计、软件设计等几个阶段。三硬件电路设计热释红外传感器主要是由一种高热电系数制成的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以仰制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变【6】。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。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。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。图3-1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。 图3-1 传感器原理图图3-1总的设计电路单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图。 图3-2单片机最小设计系统AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-3所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3-4所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。图3-3按键的键盘设计键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279，CH451，LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。本文便使用软件实现键盘的扫描。常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。独立按键式键盘应用在需要少量按键的情况，按键和单片机的I/O口线直接连接。而行列扫描式键盘用在按键需求较多的情形下。考虑到本系统操作简便，所以采用独立式键盘。独立式键盘电路如图3-3所示。图3-4报警指示的设计（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。（4）防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。（5）从防盗探测器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分有线与无线。除了以上区分以外，还有其他方式的划分。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。四软件设计 图4-1总体流程图如下图4-2所示:在开机后，单片机首先进行初始化，将数码管、高音警报器、炫目灯等外设关闭，同时将中断总允许位、外部中断0允许位和定时计数器T1开启，关闭外部中断1允许位和定时计数器T0。其中布防/撤防按键用来触发外部中断0，传感器用来触发外部中断1，外部中断1允许位的开启与关闭由外部中断0来控制。方便对报警器进行布防与撤防功能。定时计数器T0用来控制高音报警器的发音频率以使其发出逼真的报警声；定时计数器T1用作延时函数。初始化完成后，若无中断请求信号，系统则使数码管的Dp小点闪烁。 图4-2初始化完成后，若布防/撤防按键第一次按下，则触发外部中断0，将外部中断1允许位打开，也就是说现在单片机可以接收传感器的信号并作出相应的动作，若传感器感受到在检测范围内有人活动，则将信号传输给单片机，触发外部中断1，使数码管显示E、同时炫目灯与高音报警器打开，实现声光报警功能！ 本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图所示：图4-2中断服务流程图五调试过程与结果分析打开keil程序，执行菜单命令projectnew project创建“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计”项目，并选择单片机型号为AT89C51。执行菜单命令filenew创建文件，输入上述汇编程序，保存为“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计,ASM”。在project栏的file管理窗口中右击文件组，选择“add file to groupsource group1”,将源程序添加到项目中。执行菜单命令projectopinions for target target 1，在弹出的对话框中选择output选项卡，选中create hex file。在debug选项卡中，选中use：proteus VSM simulator。执行菜单命令projectbuild target，编译源程序，如果编译成功，则在output window窗口中显示没有错误，并创建了“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计.HEX”文件。在已绘制好的原理图proteus isis菜单栏中，执行菜单命令debuguse remote debug monitor将该项选中，是proteus与keil真正连接起来，使它们联合调试。在keil中执行菜单命令debugstart/stop debug session，进行keil调试环境。同时在proteus isis 窗口中可以看出proteus也进入了程序调试状态。在keil中按F5键运行程序。结果分析调整TORCH_LDR上的“+”符号，可以看到LED报警灯亮起，扬声器开始报警。由于TORCH_LDR调整到“+”值时，相当于传感器能持续检测到侵入信号，所以声光报警系统会一直工作下去。按TORCH_LED上的“-”到最小值，声光报警系统响10S后就会自动停止工作。当不到10S时，按中断按钮，声光报警系统也会停止工作。无侵入信号时候绿的保持工作。 六.系统硬件电路的选择及说明硬件电路的设计从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：STC89C51、热释电红外传感器、LED、发光二极管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。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。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。组成框图如图4-1所示：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。本设计研究的是热释红外报警系统，根据物理学知识，凡是温度大于绝度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不相同，因此用热释电红外线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，热热电红外传感器探头、放大比较电路、控制显示电路、鸣叫报警电路等部分；软件部分主要包括热释电传感器输出信号的采样及A/D转换模块、数据分析算法模块、信息识别模块【11】。 七.结论 设计研究了一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。该防盗报警器通过以AT89C52单片机为工作处理器核心，外接红外传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。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红外防盗系统。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。本设计的报警系统所使用的红外线是不可见光，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。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，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。八心得体会 通过这次实训我们对传感器设计有了初步的了解，同时我们也学会了怎样去设计一个系统，对我们以后的工作垫定基础。对焊接有了进一步的加深，同时也识别了各种不同的元器件。对于这次实训最重要的是认识了系统，对系统设计有了初步的了解。利用proteus软件仿真过程中，出现了很多的问题，初次接触这个软件，一点都不熟悉，很多知识都是用的时候在网上找的，或者查资料得出的。对于器件库中的元件的性能不熟悉，不如说是最常用的电容器就有好多种，并不了解我们需要的是哪一个，而且电容的种类那么多，很难一次性选择正确。电路图画好之后就是装入程序进行仿真。我们的程序也有一些问题，开始时运行编译时总是达不到想要的要求，如延时问题，自动检测信号问题，还有智能化控制的问题，在经过自己的摸索与同学的讨论请教中，最终问题还是解决了。用Keil软件编译好程序后载入，满足设计的要求，我们小组充分感受到团队合作重要性和自主克服困难的喜悦。通过本次的传感器课程设计，我们不仅掌握了硬件电路设计的基本步骤和方法，还认真的回顾了c语言编程方面的知识。将我们所学的知识应用于生活实践中。真正的做到了学以致用的效果。同时也锻炼了我们小组每位成员的动手能力，加强了团队合作的意识和能力。大家都是受益匪浅。九参考文献1 何立民 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 19962 吴英才,林华清 热释电红外传感器在防盗系统中的应用 传感器技术 2002 3 童名文 一种新型报警器的研制 武汉理工大学 20034 余家春 Protel 99SE电路设计实用教程 中国铁道出版社 20035 马忠梅 单片机的C语言应用程序设计(第3版) 北京航空航天大学出版社 20036 刘纯利,张玉山 单片机防盗报警系统的设计 安徽电子信息职业技术学院学报,2004 十.附录附录一 图一.启动电源 图二.布控 图三.报警 图四.紧急报警 附录二/宏定义#define uchar unsigned char #define uint unsigned int /头函数#include uchar Mode=1,t;sbit s1=P12;sbit s2=P13;sbit s3=P14;bit alarm=1,kai=1;/LEDsbit LR=P00;sbit LY=P01;sbit LG=P02;/蜂鸣器sbit Feng=P27;/人体热释电传感器sbit HR=P24;void delay(uint x) /毫秒级延时函数 uint i,j; for(i=x;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void di()Fe