红外线防盗报警器的设计与制作.docx

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红外线防盗报警器的设计与制作

分类号

TN402

编号

20070813128

UDC

密级

公开

中国民航飞行学院

毕业设计（论文）

题目

红外线防盗报警器的设计与制作

DesignandFabricationof

InfraredAlarmSystem

作者姓名

专业名称

指导教师姓名及职称

提交日期

答辩日期

答辩委员会主任

评阅人

年

月

日

红外线防盗报警器的设计与制作

学生：

指导教师：

摘要

热释电红外线传感器作为一种高热电系数的探测元件，可过滤接收人体辐射特定波长范围的红外线，将红外辐射转变成微弱的电压信号放大后向外输出。

它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置，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。

本设计从模块上划分为：

热释电红外传感器探测模块、放大电路、时钟电路、复位电路、放光二极管报警电路、声音报警电路。

硬件实现：

本系统所用到的器件为：

单片机STC89C51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器，以及单片机的手工复位电路等。

系统功能描述：

系统等待外部热释电传感脉冲信号输入，接收到输入表示有人闯入，启动声光报警电路，报警持续10秒后结束，若有新的信号输入，开始新的检测循环。

同时手工按键可以强制报警中断。

最后，进行了硬件电路的焊接、安装、软硬件调试，进行了防盗报警误报分析并提出了解决方法。

关键词：

单片机；红外线传感器；报警电路

DesignandFabricationof

InfraredAlarmSystem

Abstract:

Asahighthermoelectriccoefficientdetectioncomponent,pyroelectricinfraredsensorcanreceivehumanradiationrayrangedininfraredwavelengths,changeinfraredradiationintoweakvoltagesignal,provideamplifiedvoltagesignalsontheoutput.Itmaybeusedasapartofinvasionalarmandvariousofautomaticenergysavingdevice,anditcandetectchangesofthehumanradiationoftheinfraredrayenergybynot-contactapproach,andconvertsitintovoltagesignaloutput.

Thedesignisdividedinto:

pyroelectricinfraredsensormodule,amplifiercircuit,clockcircuit,resetcircuit,lightemittingdiodealarmcircuit,voicealarmcircuit.

Hardwarerealization:

themaincomponentsusedinthesystemare:

MCUSTC89C51,pyroelectricinfraredsensor,LED,buttons,inverter74LS04,buzzerandMCU'smanualresetcircuit,etc.Descriptionofthesystem'sfunction:

thesystemisreadyforthepulseinputsignalsfromexternalpyroelectricsensor.Wheneverinputsignalsbeingreceived,itisanindicationthatsomeonehasbrokeinto,thenthesystem'ssound&lightalarmcircuitwillbetriggeredtooperate,giveoutalarmsignalsfor10seconds.Anewtestcyclewillstartiftherearenewinputsignalsontheinput.Manualbuttonisusedtointerruptanalarm.

Finally,thesystem'scircuitwasweldedandbothhardwareandsoftwareweretested,andthealarmmisstatementwasanalyzedandsolutionsuggestionwasproposed.

KeyWords:

SCM,infraredsensor,alarmcircuit

第1章引言

科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。

现在人们更是感觉到了科技给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会的发展中起了很大的推动作用，人类从原始向先进的发展都伴随着科学的发展，从原始的手工到现在的智能控制都是科技发展的结果，先进的科技能减轻人体劳动量、能更合理地利用时间完成任务，可以说科技的微小发展都会给人类带来很大的好处。

当代生活中的人们越来越感觉到了社会的飞跃发展，科技的飞速发展给人们很多实惠、生活、学习、工作中都渗透着科技，都能明显地感受到它发展地威力。

安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。

它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续性。

随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术也在不断地发展。

有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是人们的基本要求，在无人看守的家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。

针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。

如有门磁式、触摸式、红外线监测等自动报警系统,报警器为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。

价格高昂,一般人们难以接受。

如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用。

由于它是不可见光，因此用它作防盗监控报警器，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强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，并提示值班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，使于迅速采取应急措施。

本设计正是基于此，设计了被动式红外防盗报警系统。

第2章红外线

2.1红外线简介

2.1.1红外线

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。

结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。

红外线具有：

1.有热效应2.穿透云雾的能力强因此得到结论：

太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。

也可以当作传输之媒界。

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

2.1.2红外辐射

17～18世纪，许多物理学家认为，光具有波动的性质,有一定的传播速度,波长是它的特征参数并可以测量。

可见光的彩色不同，反映了它们的波长不同。

紫光的波长最短,红光的波长最长,红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。

1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律,提出了存在电磁波的可能性,它的传播速度可用纯电学量计算出来。

后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。

因而猜想，光波就是电磁波。

1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。

已知带电体受到扰动就发射出电磁波。

扰动越强烈，发射出电磁波的能量就越大，波长就越短。

2.1.3红外辐射原理

在某些应用现场，检测器要接触被测物是不实际或者是不可能的。

而红外检测器可以在短时间内远距离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。

辐射原理所有的物体都是由不断震动的原子构成的，高能量的原子震动频率越高。

所有微粒的震动，包括这些原子，生成电磁波谱。

物体的温度越高，它的震动就越快，因此光谱的辐射能量就越高。

结果，所有物体都不停的以自身的波长频率向外辐射，而其波长和频率又取决于物体自身的温度和它的光谱比辐射率。

视觉范围比率和到直径距离的比率视觉范围是指仪器操作的角度，它是由该个体的视度所决定的。

视觉范围是仪器和目标物距离与目标物直径的比率。

目标物越小，你就应该靠它更近一些。

当目标物的直径很小时，那么将温度计靠目标物近一些就显得很重要，这样可以确保只是在测量该目标物，而不包括周围环境。

视度操作D:

S是指视点直径距离的比率，它包括目标物前面最大限度接受辐射的90%。

激光可视激光点是用来显示测量区域的点，而不是散发出某种东西要测量[8]。

2.2红外技术

红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。

红外技术的内容包含四个主要部分：

1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。

2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。

3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。

4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。

由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材料问题，又有应用问题。

与红外线相关的技术还有：

探测技术;精确制导技术；光电子技术；先进材料技术[2]。

2.3红外探测器原理及分类

2.3.1红外探测器原理

红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能，热能等其他形式的能量。

根据能量转换方式,红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化，而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元自由载流子（即电子和/或空穴）数目的变化。

由于这种变化是由入射光子数的变化引起的，光子探测器的响应正比于吸收的光子数。

而热探测器的响应正比与所吸收的能量。

热探测器的换能过程包括:

热阻效应，热伏效应,热气动效应和热释电效应。

光子探测器的换能过程包括:

光生伏特效应，光电导效应,光电磁效应和光发射效应。

探测器已经有了20多年的发展历史，但是基于探测器本身的原理，目前还存在很多不尽人意的地方。

例如，被动红外探测器受外界环境的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象；而当温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况；另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物的活动，容易发生误报现象[1]。

2.3.2红外探测器分类

红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。

热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：

1．液态的水银温度计及气动的高莱池（Golaycell）：

利用了材料的热胀冷缩效应。

2.热电偶和热电堆：

利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

3．石英共振器非制冷红外成像列阵：

利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

4．测辐射热计：

利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。

因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。

如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。

5．热释电探测器：

有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

6．光子探测器光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

1）　光电导探测器：

又称光敏电阻。

半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。

利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

2）　光伏探测器：

主要利用p-n结的光生伏特效应。

能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。

存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。

与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

3）　光发射-Schottky势垒探测器：

金属和半导体接触，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。

7．量子阱探测器（QWIP）：

将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。

因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻[10]。

2.4热释电红外线传感器

2.4.1热释电红外传感器简单介绍

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。

如图2-1示为热释电红外传感器的内部电路框图。

图2-1热释电红外传感器的内部电路框图

2.4.2热释电红外线传感器的原理特性

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，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。

人体辐射的红外线中心波长为9--10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2--20um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--10um，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[9]。

第3章总体方案设计

3.1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、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。

（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89C51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。

3.2设计总思路

本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包含如下结构：

热释电红外传感探头、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3-1总体设计框图所示：

图3-1总体设计框图

处理器采用51系列单片机STC89C51。

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、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至STC89C51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。

3.3STC51单片机[13]

MCS51单片机是目前国内实用最广泛的一种单片机型，全球各单片机生产厂商在MCS51内核基础上，派生了大量的51内核系列单片机，极大地丰富了MCS51的种群。

其中，STC公司推出了了STC89系列单片机，增加了大量的新功能，提高了51的性能。

STC89C51是由STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

图3-2为STC89C51单片机的基本组成功能方块图。

由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。

下面介绍几个主要部分。

外时钟源外部事件计数

外中断控制并行口串行通信

图3-2STC89C51功能方块图

3.3.1STC89C51管脚说明

图3-389C51引脚图

STC公司的STC89C51是一种高效微控制器。

采用40引脚双列直插封装形式。

STC89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。

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。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT1（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（外部数据存储器写选通）

P3.7（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。

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/：

当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。

在FLASH编程期间，用于输入编程脉冲。

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。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号端。

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。

/VP：

当保持低电平时，则在此期间