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1、.论 文 摘 要本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，便于多用户统一管理。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。处理器采用51系列单片机AT89C51，整个系统是在系统软件控制下工作的。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，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。概述了红外辐射的知识、热释电红外
2、传感器的结构和工作原理。利用热释电红外传感器设计了一种红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。关键词：单片机 红外传感器 数据采集 报警电路基于单片机的红外线报警器蔡智林（大学 电气自动化专业）1 绪论1.1 设计概述及背景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，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。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电子防盗系统。就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
3、种比较常见的报警器都存在一些缺点。而本设计中所使用的红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和性，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。1.2 设计要求(1)该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、报警等模块子函数。(2)本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、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。终端由中央处理器、输入
4、模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。(3)系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。(4)红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能增加防护围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号
5、。1.3设计意义加强对一些无人场所的防盗报警，以及对一些危险地带生命迹象的探测。2方案设计2.1 总体设计思路方案一：利用模拟电子电路构成被动红外线报警器。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电源组成。被动红外线感应报警器的红外感应源采用热释电原件，这种元件在接收到人体红外线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：利用模拟构成主动红外线入侵报警器。主要由发射机和接收机组成，发射机是由电源，发光源和化学系统组成。接收机是由光学系统，光感传感器，放大器，信号处理器等组成。主动红外线报警器是当有人侵入
6、该警戒时，红外线束被遮挡，接收机收到的红外线信号发生变化，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。一般应用在周界防居多，最大的优点就是防距离远。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。由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件和模块的选择上尽量采用通用，基础的元件，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。组成框图如下：图2-1人体红外线感应报警器组成框图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
7、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。硬件主要包括单片机系统，热释电红外传感器探头，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红外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。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总体设计、硬件设计、软件设计等几
8、个阶段。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图3总体设计框图所示： AT89C51复位电路信号检测电路报警执行电路LED发光显示放大驱动驱动图2-2总体设计框图 处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机。在单片机，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。
9、当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。3 元器件知识介绍3.1 热释电红外传感器简单介绍热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路2。如图2示为热释电红外传感器的部电路框图。图3-1热释电红外传感器的部电路框图热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效
10、应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达，故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探
11、测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时端接电源正极，端接电源负极，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部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器
12、输出电压信号。 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长围为。为了对某一波长围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长围的红外辐射通过外，还能将灯光、和其它红外辐射拒之门外。3.2 红外线传感器的特点红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度，都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远
13、距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等3.3 PIR的原理特性热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器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，以抑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围几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装
14、有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长围为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，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。3.4 AT89C51单片机简单概述3.4.1 AT89C51单片机的结构 AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，
15、器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大3。AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。图3为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过部总线相连。下面介绍几个主要部分。振荡器和时序OSC程序存储器4 KB ROM数据存储器256 B RAM/SFR定时器/计数器 2 16 AT89C51CPU64 KB总线 扩展控制器可编程 I/O可编程全双工串行口内中断外时钟源 外部事件计数 外中断 控制 并行口 串行通信图3-2 AT89C51 功能方块图3.4.2 AT89C51管脚说明ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具
