基于热释电家用防盗报警器的设计论文Word文件下载.docx
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防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。
防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。
防盗报警系统由探测器、传感器、控制器、报警器、显示器几部分构成，如图1-1所示。
控制器实现对热释电传感器和振动位移传感器的循环扫描，并控制报警信号电路作出相应状态处理，如果有报警信号的话，控制报警电路报警，同时通过数码显示单元显示具体的事发位置。
图1-1防盗报警系统构成图
1.3防盗报警器的分类
（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外\微波报警探测器、玻璃破碎报警器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。
（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。
（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。
（4）防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。
（5）从防盗报警器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分为有线与无线。
除了以上区分以外，还有其他方式的划分。
在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。
报警探测器作为传感探测器，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。
在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。
这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。
因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。
1.4防盗报警的技术发展趋势
数字化、无线化、集成化是防盗报警系统进一步发展的要求，所以我们不难发现防盗报警的技术发展趋势：
（1）更稳定可靠：
如探测器可抗电磁干扰或射频干扰、防雷电等，以适应恶劣气候；
（2）更多样的功能：
如探测器可调频、防遮挡、防破坏等；
（3）更精美、小巧的外观：
以符合品味日益提高的室内装潢需求；
（4）更智能化的设计：
方便地设/撤防，人性化的操作界面；
（5）更强大的联网功能；
（6）更方便的扩展性。
上述发展趋势，事实上都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。
1.5设计系统功能要求
（1）可实现非法入侵报警；
（2）采用复合式防盗传感器，热释电红外传感器和震动位移传感器并接使用，增加报警可靠性；
（3）蜂鸣器报警，显示出事发地；
（4）采用双电源技术，主电源停电或被切断，备用电源自动工作
第二章系统设计方案
2.1总体设计方案
智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，为满足新时期居民的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性。
系统组成框图如图2-1所示，根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块：
电源电路、热释电红外传感器电路、振动位移传感器模块、AT89C51模块、警铃电路、数码管显示电路等。
图2-1防盗报警系统构成图
探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房、卧室等，当系统开机时，一旦有人入侵，与之相对应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）报警，同时显示出出事位置。
2.2传感器技术
传感器技术是信息采集技术的第一步，传感器是将能够感受到的及按规定被测量的按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分，转换元件是指传感器中能敏感元件感受的或响应的感应量转换成适于传输和（或）测量的电信号部分。
传感器的作用：
A：
信息的收集。
对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据，对系统或装置的运行状态进行检测。
B：
信息数据的交换。
把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信息数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介上的信息并进行转换。
C：
控制信息的采集。
检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。
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的欢迎。
2.2.1热释电红外探测器的工作原理和结构
被动式热释电红外探测器的工作原理：
在自然界，任何高于绝对温度的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。
人体都有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10um左右的红外线通过菲尼尔滤波光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用一些热释电元件作成。
这种元件在接受到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电荷变化最终将以电压或电流的形式输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
被动式热释电红外探测器的特性：
这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射非常敏感。
为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。
而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接受，由于两片热释电元件接受到的能量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理并报警。
抗干扰性能：
防小动物干扰：
探测器安装在推荐的使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警。
抗电磁干扰：
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408（安全防范国家标准）的要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
正确的安装应满足下列条件：
a．红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。
b．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。
c．红外线热释电传感器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
d．红外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。
红外线热心的传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
热释红外传感器的结构：
热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。
常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。
热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如下图所示。
图2-2-1
光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。
红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。
一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。
热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。
热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。
由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷△Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=O，传感器无输出。
在自然界，任何高于绝对温度（-273℃）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低有关。
人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源（热释电元件）上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进而产生△T并将△T向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。
目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。
热释电红外传感器的主要工作参数有工作电压（常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V）、工作波长（通常为7.5～14μ
m）、源极电压（通常为0.4～1.1V，R=47kΩ）、输出信号电压（通常大于2.0V）等
2.2.2热释电红外传感器控制电路芯片的选择
热释电红外传感器输出的检测信号很小。
要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。
使电路执行相关动作。
热释电红外传感器控制电路就是检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。
本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统。
下图是控制电路的结构框图：
图2-2-2
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，他们有一些显著优点，该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因为消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图2-7所示的符号来表示，他有5个引脚，其中“+”“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V0”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端V0的信号与输入端的位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚图排列见图
图2-8
LM324的特点：
1短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100mA
5.每封装含四个运算放大器
6.具有内部补偿的功能
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
振动位移传感器：
高灵敏度振动位移传感器，是一种集振动和位移测量于一身的全方位固态控制器件，是目前作为状态检测和报警的最佳选择，传感器部分采用目前先进固态加速度检测器件，既对振动有很高的检测灵敏度，又对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力，可广泛应用于机动车、保险柜、门窗等场合的防盗装置中，器件的内部均含有专用的控制芯片，应用非常方便，可直接带动小功率负载。
2.3主控芯片单片机的选择
单片机的特点：
单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等而具有一定规模的微型计算机。
单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下：
a．单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。
ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。
而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。
这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。
但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲器（cache）用。
b．采用面向控制的指令系统。
为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。
单片机的运行速度也较高。
c．单片机的I/O引脚通常是多功能的。
由于单片机机芯上引脚有限，为了解决实际引脚和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复位的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。
d．系列齐全，功能扩展性强。
单片机具有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便的扩展外部的RAM、ROM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。
单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点：
·
体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化；
面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得更佳的性能价格比；
抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他机种无法比拟的；
可以方便地实现多机和分布式布控，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。
1工业控制
数控机床，温度控制，可编程顺序控制，电机控制，工业机器人，智能传感器，离散与连续过程控制；
2仪器仪表
智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪，数字示波器；
3电讯技术
调制解调器，声像处理，数字滤波，智能线路运行控制；
4办公自动化和计算机外部设备
图形终端机，传真机，复印机，绘图仪，磁盘/磁带机，智能终端机；
5导航与控制
导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；
6汽车与节能
点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，最佳燃料控制，计费器，交通控制；
7商用产品
自动售货机，电子收款机，电子秤，银行统计机；
8家用电器
微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机。
2.3.1AT89C51的主要性能
AT89C51的主要性能：
1）与MCS-51单片机产品兼容
2）4K字节在系统可编程Flash存储器
3）1000次擦写周期
4）全静态操作：
0HZ~24HZ
5）三级程序存储器锁定
6）32个可编程I/0口线
7）两个16位定时器/计数器
8）五个中断器
9）可编程串行通道
10）低功耗空闲和掉电模式
11）看门狗定时器
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.3.2AT89C51的引脚结构功能说明
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。
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，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（ill）这是由于上拉的缘故。
p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
p3.0RXD（串行输入口）
p3.1TXD（串行输出口）
p3.2/int0（外部中断0）
p3.3/int1（外部中断1）
p3.4t0（记时器0外部输入）
p3.5t1（记时器1外部输入）
p3.6/WR（外部数据存储器写选通）
p3.7/rd（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。
AT89C51的引脚结构图
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/prog：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
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指令是ale才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
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。
/ea/VPP：
当/ea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，/ea将内部锁定为reset；
当/ea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（VPP）。
xtal1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
xtal2：
来自反向振荡器的输出。
3．振荡器特性：
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。
4．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al
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