基于单片机的红外声光报警器设计

基于单片机的红外声光报警器设计内容摘要：

度。 人体辐射的红外线中心波长为 910um，而探测元件的波长灵敏度在 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 710um，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 后输出电压信号。 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。 结构特性及安装 图 22 热释电红外传感器结构图 图 22 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 7 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。 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。 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，然后使该信号通过一个由C C R 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。 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１ mV 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 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 所示 , 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，电荷信号经过场效应管FET 放大后，经过 C2， R1 的稳压后使输出变为高电位，再经过三极管 Q2 的转化，输出 OUT 为低电平。 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 图 23 热释电红外传感器原理图 8 图 24 红外传感器结构单元 被动红外探测器光学系统的类型： 被动红外探测器光学系统包括菲涅尔透镜、抛物面反射镜、遮挡片三种类型。 图 25 双元红外传感器示意图 菲涅耳透镜 菲涅耳透镜片相当于热释感应传感器的 “眼镜 ”，它和人的眼睛一样的作用，配用得当与否直 接影响到使用的功效，配用不当产生错误的动作，致使用户或者开发者对其失去信心。 它的作用是有效的将探测到空间的红外线集中到传感器 9 上，菲涅耳透镜根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 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。 菲涅尔透镜作用有两 个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上；第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区。 菲涅尔透镜是凸透镜，将物体的红外影像投射在热电元件表面。 热释电红外传感器其热释电器件及前置放大电路封装在圆型金属帽内，金属帽顶部方型开孔镶嵌有抗冷白光的硅红外滤光片，底部有金属引脚，分别为电源引脚，地线引脚，热电信号输出脚。 集成电路内部芯片 BISS0001 是一款传感信号处理集成电路，只要热释感应器把红外线接收到信号传输到 BISS0001 里进行信号处理，它本身静 态电流极小，工作电压在3V—5V 之间，当工作电压为 5V 时输出的驱动电流为 10MA。 配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式热释电红外传感器，广泛用于安防，自控等一些领域，它是有 16 个管脚 组成的一种集成块。 如图 26 所示为 BISS000集成芯片的内部框图，管脚功能说明如表 1 所示。 图 26 BISS0001 内部框图 10 引脚 名称 I/O 功能说明 1 A I 可重复触发和不可重复触发选择端。 当 A 为 “1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发 2 VO O 控制信号输出 端。 由 VS 的上跳前沿触发，使 Vo 输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。 在输出延迟时间 Tx 之外和无 VS的上跳变时， Vo 保持低电平状态。 3 RR1 输出延迟时间 Tx 的调节端 4 RC1 输出延迟时间 Tx 的调节端 5 RC2 触发封锁时间 Ti 的调节端 6 RR2 触发封锁时间 Ti 的调节端 7 VSS 工作电源负端，一般接 0V 8 VRF I 参考电压及复位输入端。 通常接 VCC，当接 “0”时可使定时器复位 9 VC I 触发禁止端。 当 Vc＞ VR 时允许触发 (VR≈) 10 IB 运算放大器偏置电流设置端， 经 RB 接 VSS 端， RB 取值为 1M左右。 11 VCC 工作电源正端，范围为 3~5V 12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN I 第二级运算放大器的反相输入端 14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 表 1：管脚说明图 由图可见 BISS0001 由运算放大器、电压 比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。 可广泛应用于多种传感器和延时控制器。 首先，根据实际需要，利用运算放大器 OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。 然后耦合给运算放大器 OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为 VM(≈)后，将输出信号 V2送到由比较器 COP1和 COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。 由于 VH≈、 VL≈，所以，当 VDD=5V时，可有效抑制 177。 1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条 件比较器。 当输入电压 Vc＞ VR 11 时， COP3输出为高电平，进入延时周期。 当 A端接 “0”电平时，在 Tx时间内任何 V2的变化都被忽略，直至 Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。 当 Tx时间结束时， Vo 下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti。 在 Ti时间内，任何 V2的变化都不能使 Vo跳变为有效状态（高电平） ,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 而可重复触发工作方式下的波形在 Vc=“0”、 A=“0”期间，信号 Vs不能触发 Vo为有效状态。 在 Vc=“1”、 A=“1”时， Vs可重复触发 Vo 为有效状态， 并可促使 Vo 在 Tx周期内一直保持有效状态。 在 Tx时间内，只要 Vs发生上跳变，则 Vo 将从 Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若 Vs保持为 “1”状态，则 Vo 一直保持有效状态；若 Vs保持为 “0”状态，则在 Tx周期结束后 Vo 恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间 Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发 Vo 为有效状态。 12 第 3 章 整体电路设计 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、在线调试等几个阶段，就本设计来说也包括这些过程。 它们的进程框图如图 31 所示。 图 31 单片机应用系统设计过程框图 开始 确定设计方案 硬件设计 软件设计 联机仿真调试 排除故障 系统运行 硬件制作 完成设计 13 系统硬件设计 电路原理框图 31 所示。 图 32 电路原理框图 该部分可分 为：红外感应部分、 STC89C52 单片机、报警系统三大部分。 、键盘控制、报警等模块子函数。 、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、通信模块、功能设定模块等部分组成。 电源模块 本系统电压为 5v 左右，可直接接 3 个 的直流干电池提供电源，然后用导线连接电源接口模块。 还有这种设置就是为 了滤波提高电源质量，加一个LED 指示灯，当电路接通时 LED 指示灯就亮了，可以清楚看到板子是否供电。 图 33 电源原理图 信号检测电路 时钟电路 STC89C52 单片机 复位 电路 LED 指示灯 报警电路 按键控制 14 信号采集处理模块 图 34 信号处理模块 本电路是将人体辐射的红外线转变为电信号。 热释红外感应 2 脚输入到前置放大器 OP1 进行放大，然后由 C4 耦合给运算放大器 OP2 进行第二级放大。 再经过电压比较器 COP1 和 COP2 构成双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延时时间定时器输出信号在经过 R3 进入单片机部分进行处理。 延时周期可通过 R12 来调节输出，在延时时间内只要 Vs 发生上跳变， Vo 就会从 Vs 上跳变时刻起继续延长一个周期，而电路中的电容为了能够更好的控制了芯片内的定时器，若 Vs 一直保持为高电平，这样就可以通过 P10 传输到单片机内进行下一步处理。 而根据不同的距离要求来调节 R13，最大可以调节到 7 米左右。 图中BISS0001 中 1 脚用跳线连连接住一个接高电平可触发工作另一个接低电平不可触发工作 ,可重复触发方式就是感应到高电平后，在延时时间段内如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平，本电路设计就是可 触发方式。 按键控制电路模块 本电路的设计就是为了控制电路中布防和紧急状态下不同的工作形式，当 按 15 下布防按键后， 10 秒后进入监控状态，当有人靠近时，热释红外感应到信号，传回给单片机，单片机马上进行报警。 当遇到特殊紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。 手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下 图 35 所示； 图 35 中断服务程序工作流程图 报警电路 在单片机的 I/O 里会输出高低电平 ,在 P21 和 P23 分别接上 LED 指示灯而P25 接上蜂鸣器而蜂鸣器外界个 9012 的三极管起到开关作用，当三极管达到饱和状态下就驱动了蜂鸣器工作了。 图 36 报警电路原理图 关中断、保护现场 中断源发出中断申请 中断返回 恢复现场、关中断 INTO/端有输入信号关闭报警 16 控制单元 最小系统 控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。 STC89C52 单片机的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的 IO 口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出，根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件。 STC89C52 单片机管脚说明如下：。