1、引言 红外光控防盗报警器的设计与制作1 引言1.1 选题背景随着时代的进步，电子电路科学技术的飞速发展，人们的生活水平有了很大的提高，各种高档家电和贵重物品为许多家庭拥有，然而一些不法分子也是越来越多。但是大部分人的防盗意识还是不够强造成偷盗的现象屡见不鲜，带给人们群众极大的困扰，因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。红外光控报警器成功研发有利的遏制了这种情况的再次发生。红外光控报警器是一种由报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来被报警器接受。如果探头检测到红外线是静止的也就是不断的发出红外线又不断地被反弹的，那么报警其就不会报警。当有会动的物体触犯了红外线时候，探头就会
2、检测到异常，就会报警。从而达到预防和防盗的功能。1.2 目的和意义红外光控防盗报警器在社会中应用广泛，对于预防盗贼、实时监控具有重要意义，极大的减轻了人的工作负担，保障了社会的安定和谐。各国对红外线技术的研究促使红外线技术应用到很多高新科技领域，红外线技术结合单片机技术制作的红外防盗报警具有很广阔的研究前景，单片机使得报警功能越来越智能化、人性化，可以实现人们的各种防盗报警要求。本设计就是要实现用38kHz的方波对红外线进行调制发射出去，由接收电路进行红外线的接收，接收电路输出低电平，当有障碍物遮挡住这束红外线时，接收电路产生高电平送人单片机，由单片机内部程序作用产生声光报警驱动信号，并由数码
3、管显示报警次数。由此，红外防盗报警器的功能便得以实现，完成了入侵自动报警的功能，也即是本课题的研究目的。1.3 技术要求和设计范围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。第 15 页 (共 23 页)方案设计1.4 发展现状 就
4、国内现状而言，报警器的普及使用还是相对比较少，而且主要应用在工业测量与控制上，中国最大的报警器公司一年也只达到产值55000只。而在美国等国外，很多报警器厂商的年产值都达到了几十万只乃至几百万只。在应用领域上，其在报警器的应用也是非常广泛的，电力、化工、石油化工、汽车、民用等领域都用的很多。就发展趋势来看，现在国内外已经成功研发出震动报警器：如电动车，汽车碰到振动就会发出报警声。红外电子狗：当有人进入监控范围内就会发出报警声。微波雷达探测报警器：当有人进入监控范围内即发出报警。从研究的主攻方向来说，有新型量子点红外探测器的研发、幕帘探测红外线报警器、热释点红外报警器。智能化住宅保安系统具有较高
5、的自动化技术水平及完善的功能，安全性、可靠性高。每个住户单元的防盗、防灾报警装置通过网络系统与小区管理中心的监控计算机连接起来，实现不问断监控。安防报警包括：门禁系统、红外门磁报警、火灾报警、煤气泄漏报警、紧急求助、闭路电视监控、周边防越报警、对讲防盗门系统等。2 方案设计2.1 设计任务及要求 (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、输入模块、输出模块
6、、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；其二是尽可能大地增加防护范围。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。2
7、.2 基础知识介绍通过了解此基础知识，会对防盗报警器设计的原件选择有一个明确的思路，通过比较运用最佳原件，也对防盗报警器的设计有个整体思路。2.2.1 常见的几种红外传感器介绍(1) 红外探测器： 红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变1。(2) 红外测温产品： HEITRONICS 拥有 多
8、年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。HEITRONICS 系列产品已广泛应用于冶金，玻璃,造纸, 纺织, 橡胶, 木材, 制陶,塑料 涂层, 沥青 建筑, 电子, 食品,石化，水泥等工业制造、科学研究和实验领域。 HEITRONICS红外测温仪部分产品： KT19系列-50C - 3000C 智能型红外测温仪，智能测温系统：19种光谱范围、实时数字处理、5
9、 ms响应时间、光学瞄准、带激光瞄准 、LCD显示、可编程、RS232串行接口。KT15D系列-50C - 3000C 通用型红外测温仪通用测温专家：19种光谱范围、实时数字处理、响应时间50ms、可编程、RS232串行接口、紧凑型结构。KTX系列0C - 2000C 集成型红外测温仪：响应时间50ms、全金属外壳、抗 电磁干扰、HD版适合在180C恶劣环境下工作 。LS12系列-50C - 3000C 线性扫描式测温仪：19种光谱范围、实时数字处理、 可编程、RS232串行接口、独立使用远端软件遥控 。KT18S50C - 2500C 光谱式红外测温仪：响应时间10ms、距离目标系数为 40
10、0:1、光学瞄准、硅探测器。(3) 压电传感器 压电传感器(Piezoelectric sensor)是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转换,达到非电量的电测目的。压电传感器的应用:可分为单向力,双向力和三向力传感器.压电传感器的物理基础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向2。由此可见,压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力 位移 振动加速度等。(4) 磁电传感器磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感
11、应式传感器,一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器3。磁敏管的应用:不但具有很高的磁灵敏度,同时能识别磁场极性;而且体积小 功耗低,因而具有广泛的应用前景。(5) 光电传感器 光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构简单,性能可靠,精度高,反应快等优点,在现代测量和自动控制系统中,应用非常广泛,是一种很有发展前途的新型传感器。(6) 人体热释电红外传感器 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。(7) 无线红外传感器 无线红外传感器又名无线红外探测器无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外
12、传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿，微电流省耗，无误报，无漏报，探测距离远，工作稳定，性能可靠，外形精巧，美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。 是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。高频发射部分采用最新声表面(S)稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。 工作原理：红外广角型探头的防范区域是以其透镜
13、始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。幕帘型探头工作原理：红外幕帘型探头的防范区域是以其透镜始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。 2.2.2 热释电红外传感器的原理热释电红外传感器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4。如图1所示为热释电红外传感器的内部电路框图。图1 热释电红外传感器的内部电路框图 热
14、释感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如图2示, 在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。 图2 热释电红外传感器原理图2.2.3 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5。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
15、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。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6。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。2.2.4 555定时器的原理555定时器电路是一块介于模与数字电路的一种混合电路，由于这种特殊的地位，故555定时电路在报警电路、控制电路得到了广泛
16、的应用。其仅有两个比较器、一个触发器、一个倒相器、放电管和几个电阻构成，由于比较器电路是一个模拟器，而触发器电路为数字电路，故其为混合器件7。555 定时器的功能主要由两个比较器决定，如图3所示。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC 若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR端的电压大于VCC /3，则 C1的
17、输出为 0，C2 的输出为 1，可将RS触发器置0，使输出为0电平8。 它的各个引脚功能如下： 1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型 时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。 3脚：输出端Vo 2脚：低触发端 6脚：TH高触发端 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。 7脚
18、：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。图3 555定时器原理图555的功能描述上图中当VC不外接电压时，三个电阻对电源电压进行分压，每个电阻上的压降为1/3Vcc,从图4可以看出，其555的工作可分为下列3种情况加以讨论：1.当触发输入端TL输入电压低于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其下面比较器输出为高电平，触发器输出高电平；2.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC，而阈值输入端电压小于2/3VCC时,其两个比较器输出皆为低电平，触发器输出保持不变；3.当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时,其上面比较器输出为高电平
19、，触发器输出低电平。详细情况见下列表格：输入输出THTL/RDQ放电管状态00导通2/3VCC1/3VCC10导通2/3VCC1/3VCC1保持不变保持不变2/3VCC1/3VCC10导通2/3VCC1/3VCC11截止图4 555定时器的功能2.2.5 AT89C51单片机的概述 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。VCC：供电电压。GND：接地。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。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
20、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。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 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。并因此作为输入时，
21、P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串
22、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 （外部数据存储器写选通）P3.7 （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/：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。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
23、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。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。PSEN：外部程序存储器的选通信号端。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。/VP：当保持低电平时，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，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，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。XTAL1：反向振荡放
24、大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。 振荡特性: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。芯片擦除:整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外
25、，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。我们常见的单片机就是51系列，但是他们根据类型和特性不同分为好多种,此次设计我们选择了AT89C51单片机。MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进
26、行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机。89C51的特性像上面都罗列了，它的只读存储器即ROM是电可擦除的，也称为FLASHROM。2.3 运行环境和开发工具的选择(1) PC机，完成焊接所需相关元器件及工具（如电烙铁，万用表，电源等）。(2) protues，protel99仿真软件。(
27、3) 函数信号发生器，示波器，电源，导线。3 红外光控防盗报警器的电路设计3.1 总体设计思路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：电源电路、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。本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，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
28、件设计等几个阶段。从设计的要求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4所示： AT89 C51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4 总体电路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9。在单片机内，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。
29、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10。3.2 红外光控报警器原理电路图图5 红外光控防盗报警器原理图红外光控防盗报警的电路设计3.2.1 电源设计10uF的电容C1和220uF的电容C2起滤掉电源中杂波的作用，LED发光二极管作为指示灯。图6 电源设计3.2.2 放大电路的设计 共射极放大电路对热红外释电器采集到信号进行放大。并最终将放大的信号输入到单片机端口中。图7 信号放大设计电路及信号放大图3.2.3 时钟电路的设计 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向
30、放大器可以配置为片内振荡器11。图8 时钟电路图3.2.3 复位电路的设计复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us12。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图9示为复位电路。 图9 复位电路图3.2.4 发光二极管报警电路的设计由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用13。图10所示为发光二极管报警电路。图10 发光二极管报警电路3.2.5 声控报警电路的设计如下图所示，用一个555定时器构成的、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路14，如图11示为声音报警电路。图11 声控报警器设计3.2.6 红外线发射电路设计图12中“12”元器件表示热释电红外传感器，D1表示发光二极管。当检测到信号时，电路导通发光二极管发光。 图12 红外线发射电路设计3.3 系统硬件电路的选择及说明硬件电路的设计见附图所示。从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89C51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器等一
