家庭红外遥控防盗报警器系统设计和实现 计算机专业.docx

摘 要：科技引导着我们的生活，科技改变着我们的生活，科技革新着我们的生活。从改革开放到二十一世纪以来，我们身边的科技可以说发展的越来越迅速，让人目不暇接眼花缭乱。跟随科技快速发展而来的就是经济的快速增长。私人财产在增加，公共财产在增加，财产的安全问题也就接踵而至。财产的不断积累也使人们越来越关注财产的防盗保护问题。早期的防盗措施，如防盗门防盗窗防盗网等的防盗能力早就已经显示出疲态，窃贼可以轻而易举的破坏，从而达到行窃的目的。正是在这种背景之下，家庭防盗报警系统应运而生，并随着科技的进步不断地完善发展且日趋成熟。本论文中将设计一种适用于日常家庭的防盗报警系统，设计过程中经过反复研究，综合各种因素考虑，最终确定使用热释电红外探测传感器。因为它的探测比较灵敏，报警效果明显，性价比相对较高，可以说是物有所值。 既然本设计是为了起到防盗作用的防盗报警系统，那么就要求它在安装的时候具有极强的隐蔽性，不易在窃贼行窃时被发现，而且系统在平时的使用维护时也要尽可能的简易便捷，否则对于用户来说就没有很大的使用价值，同时缺乏市场竞争力，不利于产品的的销售。本设计采用了热释电红外探测传感器元件，这就需要用到单片机去处理探测传感器所接收到的信号。在选择单片机时选用功能强大的51系列中的STC89C52单片机作为本设计的核心元器件，使用Keil C51向单片机中录入程序。软件的选择主要针对本设计中所选用硬件即STC89C52型单片机所选。 关键字：热释电红外探测传感器，菲涅尔透镜，BISS0001芯片，STC89C52单片机，Protues仿真软件 家庭红外遥控防盗报警器系统 1 引 言 伴随着我们国家电子工业的高速发展，高新技术持续装饰着我们精彩的生活。跟随科技的发展，自然也就带来了长久持续的经济发展。私人财产在增加，公共财产在增加，这就带来了财产的安全问题，大部分人财产安全防盗意识不足，对防盗安全的大意和疏忽，这就给图谋不轨的不法分子们创造了更多入室行窃的机会，家中被盗窃的事情越发频繁，这就使得不法分子更加的嚣张。这些现象对人们的财产安全问题提出了极大的挑战。在这样的背景之下，物美价廉的家庭防盗报警器受到越来越多普通家庭的青睐。通过对市场的走访调研后发现，目前市面上的防盗系统多数仅适用于一些需要做好保密工作的部门或机构，且程序比较繁琐，价格相对来说比较昂贵，普通家庭难以接受。那么如果想要将防盗系统用于普通家庭，那么必须要求这种防盗报警系统操作简易方便，性能可靠，具备某些智能化的特点，同时价格要相对便宜，让普通家庭能够承担得起且乐于承担。 家庭防盗报警器可以通过声音、红外线等不同的因素作为探测信号，综合各种因素，最终我们确定使用红外线作为探测信号。因为各种物体都在时时刻刻的向外辐射着不同波段的红外线，且红外线肉眼不可见，红外线的改变不易被发现，、、隐蔽性极强。时至今日，红外线的应用已经日趋成熟，应用在不同的领域，比如博物馆，珠宝店，甚至用于自然灾害后的伤者搜救和战场上的敌人搜索等等。本设计主要涉及到红外线的信号探测和单片机的控制。主要包括电源模块，红外探测模块，单片机信息处理模块，按键设定模块，声光报警模块，这些模块组合成为完整的防盗报警系统。系统的运行流程大致如下：红外探测模块相当于耳目作用，负责发现信号并且传输信号给单片机。单片机模块相当于大脑，负责对信号的判断、分析和处理，并对光电报警模块进行控制。光电报警模块相当于效应器，对单片机给出的信号做出反应，发出警报。就本设计来说，单片机模块是核心模块，其重要程度显而易见。作为大脑的单片机模块由两部分构成：软件和硬件。软件就是指它的程序运行，硬件指就是单片机自身。 2 设计任务和要求 （1） 本防盗报警系统的基本组成比较简单，包括热释电红外探测传感器（信号的采集），STC89C52单片机(信号的处理以及光电报警模块的控制)，蜂鸣器（鸣笛发出警报声），LED发光二极管（闪烁发出报警信号）以及使用Proteus进行仿真模拟和使用Keil C51向单片机中烧录程序。 （2） 本防盗报警系统有软件和硬件两部分组成，由红外探测模块完成对数据的采集和转换，由单片机信息处理模块完成对数据的处理，由按键设定模块完成对系统的基本操作，由声光报警模块完成警报提示工作。 （3） 本设计要求功能如下：在用户外出时，可将本红外报警系统打开，此时本系统进入布防状态，热释红外探测传感器实时监控红外光谱的变化。布防之后如果有人闯入住宅，其引起的红外光谱波动就会立刻被各个监测点上的探测器感应到，同时探测器将探测到的光谱信号转化为电信号传递给单片机。探测器发送来的电平信号将会被STC89C52单片机立刻检测到，通过程序的运算后，发出新的电平信号控制声光报警模块，即蜂鸣器和LED发光二极管进行报警，此时蜂鸣器响起，LED发光二极管闪烁。 3 硬件基本设计 3.1 系统方案设计 我们通过对各个方面以及实际情况的综合考虑，探究可能对系统产生影响的因素，最后采用性价比较高的热释红外探测传感器作为人体红外探测元件，最重要的原因还是考虑到这种探测器对人体辐射的红外线具有更好的探测效果。这种传感器相对于传统的压力传感器、温度传感器等具有更好的稳定性，抗干扰能力、灵敏度和安全性更强。同时这种传感器可以安装在极其隐蔽的地方，不易被发现，这也就在无形之中提升了工作效率和工作质量。 窃贼行窃时一定是处于一个运动的状态，所以本设计要求检测处于运动中的人体，所以我们选择了双元件型的红外探测器。该传感器的内部是两个反向相接的灵敏元件，如果闯入家中的窃贼一直处于一个静止状态（当然这是不可能的）或者没有人闯入，这两个灵敏元件的极化程度是相同的，两个元件之间的极化相互抵消，此时探测器没有输出电压，单片机接受不到电平改变的信号，则报警器不工作。当窃贼行动起来时，两个灵敏元件的极化程度马上发生改变，这样就产生了输出电压，单片机得到信号后，控制整个报警器工作。这样就实现了对移动物体探测的目的以及功能。 3.2 硬件基本设计 按照设计要求本设计应该至少包括以下三个基本结构：红外探测感应部分，STC89C52单片机部分，报警指示电路部分，系统电路的总原理图如图3-1。 图3-1 总体设计框图 3.2.1 热释电红外探测传感器 热释电红外传感器研发于20世纪八十年代，在传感器领域堪称经典之作。以其灵敏度高，物美价廉而闻名。如图3-2所示为常见热释电红外传感器。 热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合虑光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。热释电红外传感器由传感探测元、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。这种被动式传感器接受到人体辐射出的红外线后立即转成电压信号输出至其本身自带的放大器开始放大处理，以此实现了运行和驱动本设计几大电路控制部分的功能。因此，这种传感器被普遍应用于防盗报警领域。 人体的体温是恒定的，一般在37度左右，发出特定波长在10微米左右的红外线，被动式红外探头就是通过探测人体发射出来的红外线进行工作。人体发射出来的红外线经过菲泥尔滤光片的增强后，聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在感收到人体的红外辐射温度产生变化时，电荷就会失衡，向外释放电荷，后面的电路检测到电荷变化后，再进行处理就能产生报警信号。 图3-2 热释电红外传感器 3.2.2 PIR特性原理 这种热释电红外传感器一般都会放入一个或者两个探测元件，并将这两个元件的极性进行反向串联，进而减少因为元件本身温度的升高而带来的的干扰。人体所发出的红外辐射通过探测器的接收和处理后转变成较弱的电压信号，但是该电压信号太弱，并不能满足系统正常运行时所需要的电压，所以就需要探头里的场效应管将电压放大后再输出给后续电路。 3.2.3 菲涅耳透镜 热释电传感器在探测上存在误差，这就像人的近视眼一样，既然这样，那么想要“看清”事物就需要一副“眼镜”对其进行矫正，以便更加清晰的对事物进行判断和辨别。“眼镜”选用的是否匹配直接影响着功能的好坏。菲涅耳透镜匹配不正确就会导致产生错误的信号，如果经常发出错误的报警会使用户失去对产品的耐心和信任。 型号不同的菲涅耳透镜的焦距参数（即传感器所能探测的距离）也不同，因此我们可以根据需要监控空间的大小来选择不同型号的菲涅耳透镜，一般家庭所需的探测距离为十米之内；并且根据不同物体所发出红外线的特点可以设计出许多针对性很强的红外报警器，例如火灾报警器，该热释电传感器对火焰所发出的红外线最为敏感，诸如此类的设计极大的丰富和扩展了热释电报警器的应用范畴。因为菲涅尔透镜的这些特性，所以我们可以根据所要监控范围的大小来确定菲涅尔透镜的型号，从而达到全方位360°无死角监控，达到理想中的防盗效果。图3-3为菲涅耳透镜的实物模型。 图3-3 菲涅耳透镜模型 3.2.4 BISS0001芯片的简介 BISS0001因为其便宜的价格和优异的性能，进而成为集成芯片中优势明显的佼佼者，在一众同类芯片中脱颖而出。该芯片通常与各种红外探测器相搭配，从而组成功能和形态各异、优势体现明显的热释电探测器，因其可与传感器进行高度匹配，所以受到广大生产商的大力推崇。热释电传感器探测到的信号传输到BISS0001芯片，信号在芯片内部被处理。3~5V的工作电压即可驱动该芯片进行正常工作，所以我们在选择电源的时候使用三个1.5V的干电池即可，输出的驱动电流为10mA 。该芯片是典型的16管脚式分布，使用了CMOS精湛工艺以及DIP精密封装。图3-4为BISS0001芯片实物，图3-5为BISS0001管脚图，图3-6为BISS0001芯片的内部电路框图。 图3-4 BISS0001芯片 图3-5 BISS0001管脚图 图3-6 BISS0001内部电路框图 由上图很容易看出该BISS0001芯片是由Voltage Comparator（电压比较器）和State Controller（状态控制器）、Operational Amplifiers（运算放大器）、Lock Timer（封锁时间定时器）、Delay Timer（延迟时间定时器）及参考电压等组合而成的数模混合电路。下图3-7为其管脚功能说明。 图3-7 管脚功能说明 3.2.5 BISS0001信号处理 人体所产生的红外信号经过此电路被转换成电信号向外输出。热释红外传感器由2引脚产生信号，然后经过OP1放大器进行放大处理，再经过C4进行耦合后，立刻将信号送入二级放大器COP2中进行放大运算。放大后的信号经过由COP1和COP2组成的双向鉴幅器进行电压比较运算处理后产生有效信号，此信号输出启动延时定时器。定时信号向外输出给单片机，单片机再对该信号进行运算处理并做出后续应答。 根据所要监测空间的大小，我们选择不同型号的探测器， 一般7米就为可调节距离的最大值了。如果当防盗报警器处于工作状态时，有人在红外传感探测器的监测围之内运动，那么该芯片将会持续保持高电平的输出状态。当人从红外传感探测器的监测范围之内离开时，高电平状态随即改变为低电平状态。所以本设计的防盗系统不需要人体直接接触即可触发警报。 3.2.6 电源模块 如前文所提，本设计使用3~5V电压作为工作电压，这样就使得报警系统整体来说相对简易灵活。通常情况下电源可以选用4节1.5V普通直流干电池，但是考虑到因电池消耗所导致经常更换的问题，所以也可以考虑直接外接5V直流电源。 3.3 单 片 机 3.3.1 STC89C52单片机简介 STC89C52单片机为广泛认可的51系列单片机中的经典大作之一