基于单片机的红外感应防盗报警器的硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的红外感应防盗报警器的硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。 有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电 —— 铁电体。 例如： LiTaO2(钽酸锂 )、 BaTiO2(钛酸钡 )和 TGS（硫酸三甘酞）等。 为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了 TGS晶体制作的双型探测器。 红外测温原理 红外测温是通过探测物体 表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（－ ℃）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。 实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为： E=εE0 （式 ） 其中： E 为物体在一定温度下的辐射能力； E0为与 E 在同一温度下的黑体辐射能力。 ε为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在 0～ 1 之间。 由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外 辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。 所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。 热释红外传感器的结构 红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。 它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。 常用的热释电探测器如： LiTaO2(钽酸锂 )探测器、BaTiO2(钛酸钡 )探测器和 TGS（硫酸三甘酞）探测器等。 如图 所示为热释电红外传感器的结构图、电路图。 传感器的敏感元为 PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。 它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 13 页 信号。 又极其微弱，故在管内附有 JFET 及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。 在管壳的顶部设有虑光镜（ TO－ 5 封装）。 图 为热释电传感器的实物照片。 图 热释电红外传感器结构图和电路图 图 热释电传感器实物图 热释电体的自发极化强度与温度有关。 随着温度 升高，自发极化强度下降。 温度升高到 Tc 时，自极化消失，此温度称为居里温度。 温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。 由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。 但是西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 14 页 这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。 因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约 10－ 12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态 条件下测量自发极化。 如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为： Q=APS （式 ） 当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。 如图 所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。 图 电路连接负载 若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电 极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。 因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。 所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。 如果用调制频率为 f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（ PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率 f 作周期变化。 如果 1/f 小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于 PS 的晶体的两个端面之间就会产生开路电西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 15 页 压。 如果用负载电阻 Rg 把两个电极连接起来，就会有热释电电流 Is 通过负载。 热释电晶体自发极化 强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图 所示。 图 热释电红外等效图 电流源的电流强度为 Is 为： dTdAPItS)( （式 ） 式中， P为自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数。 菲涅尔透镜 目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。 热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。 加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足 2m 提高到至少 8m 范围。 菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区。 这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号，如图 所示为菲涅尔透镜。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 16 页 图 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在 5cm左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。 需要说明的是 :在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。 热释电红外感应模块电气参数 表 P1 热释电红外感应模块电气参数 电气参数 DYPME003 人体感应模块 工作电压范围 DC 静态电流 50uA 电平输出 高 /低 0V 触发方式 L不可重复 触发 /H重复触发 延时时间 5S(默认 )可制作范围零点几秒 几十分钟 封锁时间 (默认 )可制作范围零点几秒 几十秒 电路板外形尺寸 32mm*24mm 感应角度 100度锥角 感应距离 7米以内 工作温度 15+70度 感应透镜尺寸 直径 :23mm(默认 ) 热释电红外感应模块功能特点及使用说明  功能特点： 全自动感应 :人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 17 页 关闭高电平，输出低电平。 光敏控制：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。 温度补偿：在 夏天当环境温度升高至 30～ 32℃ ，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。 两种触发方式： :即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平； ：即感应输出高电平后，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，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点 )。 具有感应封锁时间 (默认设置 :无封锁时间 )：感应模块在每一次感应输 出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。 此功能可以实现 “ 感应输出时间 ” 和 “ 封锁时间 ” 两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 (此时间可设置在零点几秒 ) 工作电压范围宽：默认工作电压。 微功耗 :静态电流 50 微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。  使用说明： 感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出 03次，一分钟后进入待机状态。 应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。 感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（ A元 B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时，红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保 证人体经过时先后被探头双元所感应。 为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 18 页 使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量 按以上要求。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 19 页 第 4 章 系统硬件电路设计 总体设计思路 本设计硬件 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：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。 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、软件设计等几个阶段。 从设计的要求来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 所示： 图 总体设计框图 处理器采用 51 系列单片机 AT89S52。 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，经放大电路送至AT89S52单片机。 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。 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。 具体电路模块设计 系统完整的电路原理图和 PCB 图见附录一和附录二所示。 AT89S52 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 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 20 页 单片机最小系统电路 如图 所示为单片机 的最小系统电路图。 单片机 9 脚接复位电路，可按复位按钮 S1给单片机复位。 晶振采用 12MHZ。 由于单片机只访问片内 Flash ROM 并执行内部程序存储器中的指令，因此单片机的 31 脚接高电平 VCC。 图 单片机最小系统电路 热释电红外感应模块电路 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 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 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。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 21 页 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 图 热释电红外 感应模块电路 放大电路的设计 如图 所示 为最基本的放大电路， Vi 是输入电压信号， Vo 是输出放大的电压信号。 Q29014R1210KR1110KC547uC447uVCCC647uVoVi 图 放大电路 图 声音报警器的设计 如图 所示，用一个 Speaker 和三极管、电阻接到单片机的 TXD 引脚上，构成声音报警电路。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 22 页 图 声音报警电路 LED 报警电路 如图 所示为 LED 报警电路。 按下布防按键 S2后， 1分钟后进入监控状态，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 S3，蜂鸣器进行报警。 图 LED 报警电路 报警温度设定按键电路 如图 所示为报警温度设定按键电路。 S2 为布防键， S3 为紧急报警键。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 23 页 图 报警温度设定按键电路 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 24 页 第 5 章 系统调试 本设计通过利用 Protel 仿。