红外对射报警器的研究与实现.doc

25第一章 绪 论1.1 红外对射报警器概述随着人们生活水平的提高和电子技术的进步，“安全防范”电子保安系统防盗报警系统及闭路监控系统越来越广泛地应用于教育、银行、交通、电力、酒店、超市等公共场合，维护社会公共安全为目的，防入侵、防被盗、防破坏、防火、防暴和安全检查等，而为了达到防入侵、防被盗、防破坏等目的我们采用了以电子技术、传感器技术和计算机等技术为基础的安全防范技术的器材设备，并将其构成一个系统。由此应运而生的安全防范技术正逐步发展成为一项专门的公安技术学科，尤其是在现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，加强现代化的安全防范技术，满足人们对保安系统曰益提高的要求和期望，就显得更为重要。 在工农业、消防、银行、酒店、商场、航天等部门，经常需要对环境进行监控和报警，以防止失窃的行为发生，而银行，酒店等，防盗报警更是至关重要的。在以往的防盗系统中普遍采用热释电、微波等技术措施采集人体入侵信号，这些在室内应用时，有较好的效果，然而在许多场合如围墙及院子等地方，要进行布防，以上所提的措施在实际运用中误报率极高，更进一步讲，根本无法正常工作。 我们知道，在常规的环境参数中，人体入侵探测器非常容易受环境的影响而使得参数改变，随着红外线及激光技术的成熟，许多运用于室外场合的红外线防盗和激光防盗开始诞生，由于光线是直线传输，在发射端发射光束，中间如无遮挡，则接收端就能收到正常的光束；当有人经过布防区域时，光束被挡住，此时接收端便无法接收到光束，从而启动报警电路工作，达到报警的目的。以上介绍的是现在常用的用于室外场合的红外报警方案，在这里，我们设计出一款利用红外线进行布防的防盗报警系统，利用多谐振荡器作为红外线发射器的驱动电路，驱动红外发射管，向布防区内发射红外线，接收端利用专用的红外线接收器件对发射的红外线信号进行接收，经放大电路进行信号放大及整形，以CD4011作为逻辑处理器，控制报警电路及复位电路，电路中设有报警信号锁定功能，即使现场的入侵人员走开，报警电路也将一直报警，直到人为解除后方能取消报警。1.2常见报警器类型 报警探测器是用来探测入侵者的入侵行为。需要防范入侵的地方很多，可以是某些特定的点、线、面，甚至是整个空间。探测器由传感器和信号处理器组成。在入侵探测器中传感器是探测器的核心，是一种物理量的转化装置，通常把压力、震动、声响、光强等物理量转换成易于处理的电量（电压、电流、电阻等）。信号处理器的作用是把传感器转化的电量进行放大、滤波、整形处理，使它能成为一种能够在系统传输信道中顺利转送的信号。雷达式微波探测器 雷达式是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。微波的波长很短，在1mm1000mm之间，因此很容易被物体反射。微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移。此时可认为报警产生。开关式报警器 开关式报警器是通过各种类型开关的闭合和断开来控制电路产生通、断，从而触发报警。常见的开关有磁控开关、微动开关、压力垫，或用金属丝、金属条、金属箔等来代用的多种类型开关。1.3红外报警探测器 红外报警探测器凡是温度超过绝对0的物体都能产生热辐射，而温度低于1725的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热。而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。近红外：波长范围0.753m中红外：波长范围325m远红外：波长范围251000m人体辐射的红外光波长350m，其中814m占46%，峰值波长在9.5m。被动红外报警探测器 在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。 被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为10m，正好在范围以内 被动式红外探测器（Passive Infrared Detector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成立体扇形感热区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型PIR的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于90，垂直视场角最大也可以达到90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会报警。 红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。否则不断变化的热气流将引起误报警。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外入侵探测器。安装在顶棚上向下360范围内进行警戒，只要在防护范围内，无论从哪个方向入侵都会触发报警，在银行营业大厅，商场的公共活动区等空间较大的地方得到广泛使用。 被动式报警探测器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。其缺点是相对于主动式探测误报率较高。主动式红外探测器 主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。 主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆红外对射探测器全名叫“光束遮断式感应器”(Photoelectric Beam Detector)，其基本的构造包括瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、LED指示灯等。其侦测原理乃是利用红外线经LED红外光发射二极体,再经光学镜面做聚焦处理使光线传至很远距离,由受光器接受。当光线被遮断时就会发出警报。红外线是一种不可见光，而且会扩散，投射出去会形成圆锥体光束。红外光不间歇一秒发1000光束，所以是脉动式红外光束。由此这些对射无法传输很远距离（600米内）。 利用光束遮断方式的探测器 当有人横跨过监控防护区时，遮断不可见的红外线光束而引发警报。常用于室外围墙报警，它总是成对使用：一个发射，一个接收。发射机发出一束或多束人眼无法看到的红外光，形成警戒线，有物体通过，光线被遮挡，接收机信号发生变化，放大处理后报警。红外对射探头要选择合适的响应时间：太短容易引起不必要的干扰，如小鸟飞过，小动物穿过等；太长会发生漏报。通常以10米/秒的速度来确定最短遮光时间。若人的宽度为20厘米，则最短遮断时间为20毫秒。大于20毫秒报警，小于20毫秒不报警。 红外对射探测器主要应用于距离比较远的围墙、楼体等建筑物，与红外对射栅栏相比，他的防雨、防尘、抗干扰等能力更强，在家庭防盗系统中主要应用于别墅和独院。 目前，常见的主动红外探测器有两光束、三光束、四光束，距离从30米到300米不等，也有部分厂家生产远距离多光束的“光墙”，主要应用于厂矿企业和一些特殊的场所。 在家庭应用中，我们最多是使用100米以下的产品，在这个距离中，红外栅栏和红外对射探测器均可使用：如果是安装与阳台、窗户、过道等，就选用红外栅栏；如果是安装于楼体、院墙等，就应该选用红外对射探测器；在选择产品时，只能选择大于实际探测距离的产品。第二章红外发射接收技术 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线.尽管肉眼看不到这种光线，但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号，实施红外线通讯。利用红外线通讯无需连线，只需将两设备的红外线装置对正即可传输数据。红外线通讯方向性很强，适用于近距离的无线传输。红外遥控器电路主要由：集成发射芯片、晶体振荡器、红外线发射管、推动晶体三极管、导电橡胶等组成。红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类. 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”.上述“0”和“1”组成的42位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射.将电信号的转换成为红外线光信号的核心器件是一只红外线发光二极管。它是由特殊的半导体材料制成，在它两脚加上电压它就能发出不同颜色的可见光。红外线发光二极管是一种特殊的发光二极管，与前者不同的是在它的两脚加上电压它发出的是红外线。当我们在它两脚加上的是脉冲电压时，它发出的就是脉冲光信号。红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。光电信号转换器的核心器件是光电二极管，顾名思义它就是把光信号转换成为电信号的二极管。但是由于它输出的电信号很微弱，为了让主板能有效的利用电信号，必须在光电二极管与主板之间加上放大器。与前面的电光转换器不同的是，目前市面上有一种将放大器与光电二极管集成到一体的元件出售。第三章 防盗报警设计需要重点关注的几个方面报警系统设计工作非常重要。现在我们发现很多单位在建设使用防盗报警系统时，没有进行认真的现场勘察，没有结合现场环境进行有效设计，想当然选用报警设备，想当然进行安装，这是目前防盗报警系统推广应用中的一个值得关注的方面。报警系统设计工作非常重要。现在我们发现很多单位在建设使用防盗报警系统时，没有进行认真的现场勘察，没有结合现场环境进行有效设计，想当然选用报警设备，想当然进行安装，这是目前防盗报警系统推广应用中的一个值得关注的方面。 一般来说，防盗报警系统设计要关注以下几个方面，这些方面是相关报警系统标准或关联标准中明确要求的。 1、系统设计要规范、要实用 防盗报警系统的设计必须基于对现场的实际勘察，根据环境条件、防范对象、投资规模、维护保养以及接处警方式等因素进行设计。在系统的设计应符合有关风险等级和防护级别标准的要求，符合有关设计规范、设计任务书及建设方的管理和使用要求。设备选型应符合有关国家标准、行业标准和相关管理规定的要求。 这一点对从事防盗报警系统设计单位要求较高，目前很多单位在这一点上还做得不够。 2、要根据标准规定注意系统的先进性和互换性 防盗报警系统的设计在技术上应有适度超前性和互换性，为系统的增容和/或改装留有余地。 根据我们工作中的经验，一般系统要有20%的冗余。 3、系统的准确性 防盗入侵报警系统应能准确及时地探测入侵行为、发出报警信号；对入侵报警信号、防拆报警信号、故障信号的来源应有清楚和明显的指示，入侵报警系统应能进行声音复核，与电视监控系统联动的入侵报警系统工程应能同时进行声音复核和图像复核。有一点需要特别指出，防盗报警系统不允许有漏报警。 4、系统的完整性 系统应对入侵设防区域的所有路径采取防范措施，对入侵路径上可能存在的实体防护薄弱环节应有加强防范措施。所防护目标的5m范围内应无盲区。 关于完整性问题，现在比较成问题。我们在日常验收和检查中发现，很多报警系统存在很多漏洞，关键是设计时缺乏完整性概念。关于这个问题的解决，需要依*技术设计人员对标准内容的充分理解和积累丰富的报警工程经验。 5、系统的纵深防护性 入侵报警系统的设计应采用纵深防护体制，应根据被保护对象所处的风险等级和防护级别，对整个防范区域实施分区域、分层次的设防。一个完整的防区，应包括周界、监视区、防护区和禁区四种不同类型的防区，对它们应采取不同的防护措施。防护区内应设立控制中心，必要时还可设立一个或多个分控中心。控制中心宜设在禁区内，至少应设在防护区内。 关于标准中这一点的理解和应用，管理人员需要予以足够的关注。目前在文博系统、银行金库、代保管库的防范上注意到了纵深性问题，但在其他方面在强调报警系统的纵深性上比较欠缺，很多都是孤立的，缺乏层次性的。 6、联动兼容性 防盗报警系统应能与电视监系统、出入口控制系统等联动。当与其他系统联合设计时，应进行系统集成设计，各系统之间应相互兼容又能独立工作。防盗报警的优先权仅次于火警。第四章 红外对射报警器的结构原理3.1电路工作原理介绍 设计的要点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，现大部分产品的频率为38KHz，我们在设计该电路时，也是让分立器件电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路，作为报警工作的话，没有像红外线通讯那样要精确地还原出发射端发射的每一个数据，因此相对来说，要求可以放宽一些，设计时可以通过低通滤波，加倍压整流等措施，将发射的红外线信号转变成用于控制的直流控制电压，可以理解为：当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。从实际的效果来看，报警信号必带有锁存功能，即当有人进入设防区域后报警信号就被锁住即使人离开，报警也将继续，直到人为的按动复位键才停止报警。我们设计的红外线对射报警电路原理图如图所示：图接通电源后，发射器的多谐振荡器起振，振荡所产生的方波信号经VT6进行放大后，驱动红外发射管D6向布防区域发送红外线信号。在布防区域若没有物体挡住红外线，这时发射的信号被红外接收管接收，经VT1、VT2两级放大、D8、D9倍压整流后形成一个直流控制电压，驱动VT5饱和导通，这时输入4011与非门8、9脚的为低电平信号。当红外线被物体挡住时，VT5截止，这时输入与非门的信号变为高电平，经逻辑电路处理后，从3脚输出低电平，这个信号一方面使VT3导通，报警电路工作，另一方面经R8，使4011与非门电路的13脚输入一个低电平信号，锁存了报警信号，这样，就算重新接收到了红外线信号，报警信号也不会停止。只有当重新接收到信号，同时按下复位键，将4011的13脚变为高电平时，报警信号才被停止。3.2电路的电源部分电源部分主要用到7805三端正电压稳压器，该器件特性如下：3.3电路的发射部分3.4电路的接收部分接收部分主要用到CD4011集成块控制系统报警,其特性如下：3.5电路的报警部分报警电路采用9561报警音乐芯片，其特性如下：第五章 硬件电路的制作与测试4.1概述在工农业、消防、银行、酒店、商场、航天等部门，经常需要对环境进行监控和报警，以防止失窃的行为发生，而银行，酒店等，防盗报警更是至关重要的。在以往的防盗系统中普遍采用热释电、微波等技术措施采集人体入侵信号，这些在室内应用时，有较好的效果，然而在许多场合如围墙及院子等地方，要进行布防，以上所提的措施在实际运用中误报率极高，更进一步讲，根本无法正常工作。我们知道，在常规的环境参数中，人体入侵探测器非常容易受环境的影响而使得参数改变，随着红外线及激光技术的成熟，许多运用于室外场合的红外线防盗和激光防盗开始诞生，由于光线是直线传输，在发射端发射光束，中间如无遮挡，则接收端就能收到正常的光束；当有人经过布防区域时，光束被挡住，此时接收端便无法接收到光束，从而启动报警电路工作，达到报警的目的。以上介绍的是现在常用的用于室外场合的红外报警方案，在这里，我们设计出一款利用红外线进行布防的防盗报警系统，利用多谐振荡器作为红外线发射器的驱动电路，驱动红外发射管，向布防区内发射红外线，接收端利用专用的红外线接收器件对发射的红外线信号进行接收，经放大电路进行信号放大及整形，以CD4011作为逻辑处理器，控制报警电路及复位电路，电路中设有报警信号锁定功能，即使现场的入侵人员走开，报警电路也将一直报警，直到人为解除后方能取消报警。通过本制作，网友既可以了解红外线报警器的工作原理，同时也可提高自己对红外线报警器制作的水平。4.2 PCB板的制作我们设计的红外线对射报警电路原理图如图所示：图接通电源后，发射器的多谐振荡器起振，振荡所产生的方波信号经VT6进行放大后，驱动红外发射管D6向布防区域发送红外线信号。在布防区域若没有物体挡住红外线，这时发射的信号被红外接收管接收，经VT1、VT2两级放大、D8、D9倍压整流后形成一个直流控制电压，驱动VT5饱和导通，这时输入4011与非门8、9脚的为低电平信号。当红外线被物体挡住时，VT5截止，这时输入与非门的信号变为高电平，经逻辑电路处理后，从3脚输出低电平，这个信号一方面使VT3导通，报警电路工作，另一方面经R8，使4011与非门电路的13脚输入一个低电平信号，锁存了报警信号，这样，就算重新接收到了红外线信号，报警信号也不会停止。只有当重新接收到信号，同时按下复位键，将4011的13脚变为高电平时，报警信号才被停止。根据原理图，我们设计的PCB线路板图如图：图24.3 硬件电路的制作与调试在对电路的制作时，只要按线路板上的标识，正确安装元件，一般都能一次成功，从实际制作者反应给我们的信息中了解到有些地方可能会在安装时遇到困难，这里介绍一下几个元件安装时的注意点，请网友在制作时注意。1、音乐集成电路IC4的安装音乐集成电路内部采用CMOS，具有极高的输入阻抗，因此很容易接收到静电感应信号而损坏，在制作时焊的时间不能太长，电烙铁外壳最好地接。其中这个电路必须接上振荡电阻后方能产生报警信号，由于电路没有引脚引出，要装于线路板上，我们必须焊上三根引脚，引脚可以采用剪下来的电阻引脚，具体焊接位置见图3。图32、其他器件的安装发射器与接收器各元件的安装方式见图4和图5。需要特别说明的是红外线发射与接收管的安装，必须是折弯对齐，焊接时不要直接在线路板上插到底，不然的话就无法折弯对齐了。图4图53、电路的调试1） 首先对电源部分进行调试。先将整流、滤波部分元件焊上，然后接上电源变压器，用交流档测变压器输出电压为12.7V，再用直流档测整流滤波后的电压为直流12V左右，正常，接上三端稳压后再测其输出电压，为稳定的5.04V，这些数据说明电源部全全部工作正常；2） 发射部分的调试。接通发射部分的电源，用万用表测量VT7脚的基极电压，为-0.4V，这说明电路已起振，工作正常。3） 红外接收部分的调试。将红外发射部分与接收部分对齐，测量CD4011的8脚电压，为0.4V，然后用手挡住红外线，这时电压变为4.8V，这说明红外部分电路工作正常。4） 报警电路的调试。用一导线将VT3的发射极与集电极短接，这时听到了响亮的110警车报警声。5） 组装与报警输出使用。 4. 操作说明、 将电源插头插入220V交流市电插座，电源指示灯亮。、 将发射器与接收器的红外线发射与接收管对齐；、 确认发射管与接收管对齐后，若还在报警，可按下复位键，此时报警停止，系统进入守候状态；、 当用手在红外发射与接收管间挡住时，马上会响起110警车的报警声，此时就算人离开也会一直报警，直到人为按下复位键后，只要发射与接收间无遮挡，变