基于单片机的红外报警系统设计

1、绪论1.1前言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，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。本系统采用了热释电红外传感器，它制作简单、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和用户操作。1.2防盗报警器的发展前景我国的安全防范行业是以现代科学技术为基础的多学科、多技术相互交叉的应用，并具有安全防范典型技术特征的新兴行业。经过二十多年的发展，行业产业规模快速提升。为规范管理并促进行业的发展，公安部门相继建立了专门的管理部门和标准、检测、产品认证等机构；并相继颁布实施了近100多个法规和标准，形成了完整的行业管理体系和标准体系，成为社会安全领域的重要组成部分。安防行业近年来一直以15%左右的年增长率快速发展，仅2004年行业总产值已经超过500亿，每年新建和改建各类风险等级的安防系统超过20万个。已建有100多万个各类风险等级的安防系统，仅金融营业场所就有5万多个，住宅小区有1万多个，全国有2千多家报警运营服务企业，入网总用户已达1百多万户。安防系统建设已由国家初期的要害部门扩展到了当今的公共场所、大型建筑、金融、交通、社区等各个领域。已建各类风险等级的安防系统，每年预防和破获各类案件1万多起，挽回直接经济损失4亿多元，在保障社会公共安全和人民生命财产安全方面发挥了巨大的作用。随着城乡居民生活水平的提高和住房条件的改善,人们对住宅安全防范设施的需求也变得越来越迫切。虽然目前国内外生产的用于住宅安全防范的报警装置五花八门、品种繁多，但大多不是因价格昂贵而无法接受,就是因为质量欠佳而不敢使用，真正符合我国国情、适合我国城乡居民需求的安全报警装置却几乎没有。鉴于此,我们在深入研究目前国内外各类报警装置的基础上，针对我国城乡居民住宅区的实际情况，本着高能低价的设计思想，将相对简单廉价的传感信号的检测部分（前端控制器）和整个系统中相对复杂、价格较高的控制管理部分（中央控制器）分开，两者之间利用方便可靠的电话线路进行通讯,由一个中央控制器控制管理多个前端控制器，同时在中央控制器所在的小区，利用较大功率的无线报警探头,直接将信号传到中央控制器。中央控制器放在小区的管理值班部门,这样就能控制小区的安全，有更快速的反应，实际效果很好。在目前安全防范入侵报警系统的应用中，各种各样的建筑不同，安全防范的要求也不同，因此每一个安全防范入侵报警系统的构成也都不同，从一个报警探测器和一台报警系统控制主机，到几百个以至上千个报警探测器和报警系统控制主机构成的系统都有应用。有些大型报警系统控制器主机功能也相当丰富，除了安全防范报警以外，还可以作为自动化控制系统和门禁系统使用。有的报警系统包括的无线系统、时间表控制系统、继电器控制系统可以方便地构成家居及办公自动化系统。防盗报警系统在向多功能、大容量、智能化发展，越来越成为一套完整的集安全防范、自动化控制等为一体的综合管理系统体系。纵观当前形势，防盗报警器已是大势所趋，可以预计防盗报警产品即将走入千家万户的生活。目前防盗报警产品在我国的普及率只有20%，与欧美等发达国家高达70%的普及率相比，我国防盗报警产品市场的发展才刚刚起步，潜在需求更是难于估计。1.3设计任务与要求（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、报警和显示等模块子函数。（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、家庭智能报警器、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、本地显示、本地报警等功能。终端由中央处理器、输入模块、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AT89S51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、热释电红外传感器概述2.1PIR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，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：①被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；②大气对2—2.6lLm、3—5lLm、8—141Lm三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；③中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。2.2PIR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。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。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。2.3PIR结构特性及安装2.3.1PIR构特性图2-1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。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内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，它的探测波长范围为0.2~20μｍ。为了对某一波长范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范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外，不给予吸收。图2-1双探测元热释电红外传感器当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1~10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。本设计所用的热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2-2所示,在VCC电源端［2］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。双探测热释电红外探头的优缺点优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：（1）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，探测和灵敏度降低，有时造成短时失灵。抗干扰性能有以下几种控制方法：①防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警。②抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。③抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生报警。RSY2Y1R1R2C2C1R3R4Q2NPNQ1FETVccVCC3v12vOUT图2-2热释电红外传感器原理图2.3.2红外线热释电传感器的安装要求红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：（1）红外线热释电传感器应离地面2.0~2.2米。（2）红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。3、单片机的概述3.1单片机的发展历史将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段（1）第一阶段（1976—1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS–48为代表。MCS–48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是MCS的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。（2）第二阶段（19