1012422++郑雪妍++++红外传感家用防盗.docx
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1012422++郑雪妍++++红外传感家用防盗
成都电子机械高等专科学校成教院
毕业设计(论文)
论文题目:
红外传感家用防盗报警器设计
教学点:
重庆科创职业学院
指导老师:
张忠雨职称:
讲师
学生姓名:
郑雪妍学号:
2009692711
专业:
应用电子技术
成都电子机械高等专科学校成教院制
2012年3月9日
成都电子机械高等专科学校成教院
毕业设计(论文)任务书
题目:
红外传感家用防盗报警器设计
任务与要求:
(1)该设计包括硬件和软件设计两个部分。
(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。
(3)系统可实现功能。
时间:
2012年12月18日至2012年3月9日共五周
教学点:
重庆科创职业学院
学生姓名:
郑雪妍学号:
2009692711
专业:
应用电子技术
指导单位或教研室:
指导教师:
张忠雨职称:
讲师
成都电子机械高等专科学校成教院制
毕业设计(论文)进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
4月15日
至
4月20日
准备
良好
***
……
……
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……
……
……
……
……
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……
……
……
教师对进度计划实施情况总评
……
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
摘要
社会正在高度发展、生活水平不断提高,安全防盗也成了人们关注的重点。
现在很多小区都安装了智能报警报警系统,但由于大部分报警系统采用的是有线信道,这给系统安装、维护和抗干扰带来了不利的一面。
而采用无线信道报警系统,可以使安装和维护更加方便,隐蔽性更好,并且其抗干扰能力更强。
由于红外线是不可见光,所以有很好的隐蔽性。
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10μm左右的红外线,被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10μm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。
此外,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迎合了智能住宅安全防范技术在国外发展的趋势与及我国的国情。
因此采用红外线所设计的防盗报警器将使报警系统更隐蔽、更可靠、更安全、更合理。
关键词:
被动式、红外、防盗、无线、传感器。
Abstract
Societyishighlydevelopment,lifelevelincreases,anti-theftsecurityhasbecomethefocusofattention.Nowmanyvillageareinstalledtheintelligentalarmalarmsystem,ButsincemostofthealarmsystemUSESiscablechannel,tothesysteminstallation,maintenanceandtheanti-interferencebringsadverseside.Andusingaradiochannelalarmsystem,canmaketheinstallationandmaintenanceconvenience,concealmentthebetter,andthemorestronganti-interferenceability.Duetotheinfraredisnotvisiblelight,andsohaveagoodconcealment.
Passiveinfraredalarmismainlyaccordingtooutsideoftheinfraredenergychangestojudgewhethersomeoneinmobile.Theinfraredenergyandenvironmentthehumanbodyhasadifference,whenpeoplethroughtheexplorationarea,thealarmthecollectedthedifferentinfraredenergypositionchange,andthroughtheanalysisofwarning.Thehumanbodyhasaconstanttemperature,generallyin37degreesorso,sendoutaspecificwavelength10μmorsooftheinfraredray,passiveinfraredalarmwhichisonthedetectionofhumanbody10μmorsolaunchoftheinfraredrayandthework.Thelaunchofthe10μmhumanbodyaroundbyFresnelinfraredfiltertheenhancedgatheredtoinfraredsensorsource.InfraredsensorsourceusuallyUSESpyroelectriccomponents,thiselementinthehumanbodytoreceiveinfraredradiationtemperaturechangewilllosechargebalance,toreleasethecharge,thesubsequentcircuitaftertestingaftertreatmentcanhaveawarningsignal.
Inaddition,thehumanbodydetection,etc,andpassivepyroelectricinfrareddetectorwithitslowprices,technologystableperformance,etctocatertotheintelligentresidentialsafetytechnologyinforeignandandthetrendofthedevelopmentofthesituationofourcountry.Sothedesignoftheinfraredalarmsystemwillmakemoreinsidiousandalarmsystemmorereliableandmoresecurity,morereasonable.
Keywords:
passive,infrared,guardagainsttheft,wireless,sensor
目录
第一章释热电红外传感器原理3
第一节释热电红外传感器简介及PIR原理特性3
第二节被动式热释电红外传感器的工作原理与特性5
第三节被动式热释电红外探头的优缺点6
第二章基础知识6
第一节AT89C51单片机简述与引脚说明6
第二节AT89C51单片机的结构6
第三节AT89C51管脚说明7
第三章设计思路与方案9
第一节总体方案设计9
第二节释热红外传感器原理9
第三节放大电路设计10
第四节时钟电路设计10
第五节复位电路设计12
第六节发光二极管报警电路设计13
第七节声音报警电
路13
第四章硬件电路与软件电路设计15
第一节硬件电路设计15
第二节主程序流程图16
结束语17
谢辞18
参考文献19
第一章释热电红外传感器原理
第一节释热电红外传感器简介及PIR原理特性
热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。
它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。
当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化产生的电极化现象,被称为热释电效应。
通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和,其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时,晶体结构中的正负电荷重心相对移位,自发极化发生变化,晶体表面就会产生电荷耗尽,电荷耗尽的状况正比于极化程度,图1-1表示了热释电效应形成的原理。
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件,其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高膜。
图1-1释热电红外传感器结构及内部电路
菲涅耳透镜(图1-2)根据菲涅耳原理制成,把红外光线分成可见区和盲区,同时又有聚焦的作用,使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。
图1-2菲涅耳尔透镜
菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式,其作用一是聚焦作用,将热释的红外信号折射(反射)在PIR上;二是将检测区内分为若干个明区和暗区,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号,这样PIR就能产生变化电信号。
如果我们在热电元件接上适当的电阻,当元件受热时,电阻上就有电流流过,在两端得到电压信号。
第二节被动式热释电红外传感器的工作原理与特性
被动式红外报警器是由光学系统、热传感器(也称红外传感器)及报警控制器等组成。
红外传感器的探测波长范围是8~14μm,由于人体的红外辐射波长正好在此探测波长范围之内,因此能较好地探测到活动的人体。
图1-3人体感应开关图
红外传感器前的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量经反射镜反射或特殊的透镜透射后全都集中在红外传感器上。
这样,一方面可以提高红外传感器的热电转换效力,另一方面还起到了加长探测距离、扩大警戒视场的作用。
在自然界,任何高于绝对温度(-273K)的物体都将产生红外光谱,不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的,因此红外波长与温度的高低是相关的,而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。
图1-4人体感应开关信号处理过程
人体都有恒定的体温,一般在37°C左右,会发出10mm左右特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。
红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后经检测处理后就能产生报警信号。
被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件,而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。
第三节被动式热释电红外探头的优缺点
不同于主动式红外传感器,被动红外传感器本身不发任何类型的辐射,隐蔽性好,器件功耗很小,价格低廉。
但是,被动式热释电传感器也有缺点,如:
①信号幅度小,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,有时造成短时失灵;
⑤被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向,对径向方向运动的物体检测能力比较差。
随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高,热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器,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,广泛应用于各种自动化控制装置中,既可作为红外激光的一种较理想的探测器,又可适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。
除了在众所周知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外,在更多的领域应用前景看好。
第二章基础知识
第一节AT89C51单片机简述与引脚说明
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C51是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
第二节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CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes的随机存取数据存储器RAM,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,片内置通用8位中央处理器和(CPU)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2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,各部分通过内部总线相连。
图1-5功能方块图
第三节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,所以有不少引脚具有第二功能。
一、引脚说明
(1)VCC:
供电电压。
(2)GND:
接地。
(3)P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
(4)P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
(5) P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
(6)P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚
备选功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0)
P3.3
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器1外部输入)
P3.6
/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
二、振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
第三章设计思路与方案
第一节总体方案设计
本设计包括硬件和软件两个部分。
电路结构可划分为红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路、红外接收器及相关的控制管理软件组成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由硬件和软件组成。
硬件包括单片机、I/O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、软件设计等几个阶段。
从设计要求来分析该设计须包含如下结构:
图1-6总体电路
第二节释热红外传感器原理
主要是由一种高热电系数的材料,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,经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,该透镜用透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种具有特殊光学系统的透镜,它和放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理,在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”,以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”,这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
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7~10--um,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。
第三节放大电路设计
在小信号设计中确定最佳输出阻抗通常使用负载线法,负载线法的主要工作是计算功率管的负载线,在使用的电压确定的情况下,根据输出功率参考功率器件资料中给定的电流-电压曲线可以得到该曲线,从而确定出最佳输出阻抗的实部。
该方法使用仿真软件就可以进行,不需要昂贵的仪器,适用于大多数的设计情况。
除了高线性的功率放大器外,大部分的功放是工作在大信号状态的,采用小信号S参数之前,首先根据I~V曲线计算出最大功率输出时功率管的负载电阻,再通过匹配电路对功率管输出电路进行匹配,就能够得到最大的输出功率。
同时也需要对输入电路进行匹配,以得到较高的增益和良好的驻波特性。
小信号法设计步骤:
首先把功率管的小信号S参数输入到仿真软件,对其增益和输入匹配电路进行优化,再利用功率管的I~V曲线确定器件在最大输出功率时的漏极实部阻抗R。
R既可以通过测量得到,也可以通过器件静态I~V性来确定。
一般来说输出阻抗纯实部负载阻抗R外,还有虚部阻抗,因此需要在在漏源之间并联一个电容CDS。
器件在封装的时候会引入很多寄生元件,如果不考虑这些寄生元件得到的匹配电路通常都是不正确的,因此需要确定出封装器件的这些寄生元件。
从器件的小信号S参数提取则是一种比较方便实现的方法,为了减小工作量,通常使用计算机辅助设计技术进行仿真。
第四节时钟电路设计
时钟的最小计时单位是秒,但使用单片机定时器来进行计时,若使用6.0MHz的晶振,即使按工作方式1工作,最大的计时时间也只能到131ms,所以我们可把每个定时时间取125ms,这样定时器溢出8次(125ms╳8=1000ms)就得到最小的计时单位秒。
而要实现8次计数用软件方法实现是轻而易举的。
我们使用定时器1,以工作方式1工作,定时器进行125ms定时。
采用中断方法进行溢出次数的累计,当计满8次即得到1秒的计时。
一个时钟的计时累加,要实现分、时的进位,要用到多种进制,秒、分、时中的进位是十进制,秒向分进位和分想时进位却是六十进制,而每天又有十二小时制或二十四小时制,它们分别又是十二进制和二十四进制。
从秒到分和从分到小时可以通过软件累加和数值比较方法实现。
在单片机的内部RAM中,需要设置显示缓冲区,显示的时、分、秒值是从显示缓冲区中取出的,在RAM中设置四个单元作为显示缓冲区,分别是7AH、7BH、7CH。
为使电路和原理叙述方便,我们这里不显示秒值,秒的进位我们通过闪烁分值实现。
这样我们一共有四位LED分别显示时和分值。
同时时钟都需要校准的。
在程序中还需设置显示码表,要显示的数值通过查表指令将显示用的真正码值送到LED上。
我们用单片机AT89C2051的PP3.4和P3.5两个I/O口外接微动开关来实现时和分的校正,每按一次小时或分值加1,连续按下数值累计下去,实现时钟的校准。
在电路中我们还设置了一个蜂鸣器,用作简单报时用,如可设早上7:
30分起床,中午1点30分再有起床报时,每次响时1分钟,响1秒,停2秒的方式,而不是连续响铃。
这个程序我们采用12小时制,为此,要在程序中设置相应的标志,以利于主程序识别。
同样计时程序中还会有几个相关的标志,主要是控制程序流的转向。
程序中我们都作了较详细的注释,这里不再赘述。
图1-7驱动三极管原理图
硬件电路,我们还是以低价的AT89C2051单片机为微处理单元,这个芯片兼容C51指令系统,在C51上编写的程序,无需任何修改即可方便地移植到这个芯片上来。
我们以P0口作为LED的字段位驱动输出,秒的“进位”采用分值闪烁提示,亮0.5秒,熄0.5秒。
,P3.1—P3.3用于位驱动,使用动态扫描方式显示,每位LED的显示时间10—25ms之间均可,扫描频率不能太高,否则每位LED显示的时间过短,亮度太低,不易于观看,以肉眼不感觉到LED闪烁为宜。
为了直观,我们的驱动输出没有采用集成电路,而是使用了分立元件—三极管,但工作原理却是一致的。
这个电路结构决定LED采用共阳极的数码管,可以采用LQ5101BS普通的发光二极管,驱动三极管可采用易得的2SA1015和2
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