防火防盗报警系统的硬件设计.docx

防火防盗报警系统的硬件设计.docx

《防火防盗报警系统的硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《防火防盗报警系统的硬件设计.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

防火防盗报警系统的硬件设计

西南科技大学

毕业设计（论文）

题目名称：

防火防盗报警系统的硬件设计

年级：

2003级■本科□专科

学生学号：

学生姓名：

韩俊指导教师：

乔静

学生单位：

信息工程学院技术职称：

助教

学生专业：

生物医学工程教师单位：

信息工程学院

西南科技大学教务处制

防火防盗报警系统的硬件设计

摘要：

平安防范技术涉及到社会的方方面面，是爱惜国家和人民利益与平安的重要手腕。

随着我国经济水平的整体提高，我国的医院设施建设水平也慢慢取得改善。

许多医院都购买了价钱昂贵的医疗设备，而且医院衡宇建设改善很多，因此需要保证医疗设备的平安和预防火灾。

本文要紧完成了医院智能化中的防盗防火报警系统硬件部份的设计。

第一确信了硬件系统的整体设计方案，采纳模块化设计，确信各个模块的器件，设计制作各模块的电路，搭建出了整个硬件系统，通过整机调试，并给出了调试结果。

智能化医院防盗防火报警系统集防盗防火功能于一体，可实现自动检测与自动报警。

采纳红外探测与微波探测器组成的双鉴探测器实现盗情检测；用温度探测器、感烟探测器和一氧化碳探测器集为一体的复合式火灾探测器来完成火情检测。

本系统通过密码来识别主人身份，系统开启后只有输入正确的密码才能关闭系统。

该系统同时采纳看门狗集成芯片实现自诊断功能，显现故障能自动进行处置。

系统从硬件和软件两方面进行了抗干扰设计，使其具有较好的抗干扰能力，完成系统靠得住工作。

关键词：

防火；防盗；报警系统

TheHardwareDesignofanAlarmSystemof

FireproofandTheft-proof

Abstract:

Thesafety-defendingtechniquesareinvolvedinmostaspectsofthesocietyandtheyareveryimportantinprotectingthebenefitandsecurityofpeopleandcountry.Hospitalfacilitieshavegraduallyimprovedastheeconomyimprovinginchina.Manyhospitalshaveinvestedtheexpensivemedicalequipment,andtheconstructioninthehospitalimprovedalot,soitneedstoensurethesafetyofmedicalequipmentandpreventfire.Thehardwareofanintelligentalarmsystemforhospitalisintroduced.Theoverallprojectofthesystemwasdesignedadoptingmodulardesign.Theelementofeverymodulewasconfirmed.Thecircuitofeverymodulewasgiven,ahardwaresystemwassetupanddebuggedandthetestresultwasgiven.Thesystemincludesthefunctionsoftheft-proofandfireproof,performingautomaticdetection.PyroelectricinfraredsensorcombinedMicrowavesensorisusedfortheft-prooftocarryoutautomaticdetection.Temperaturesensor,SmokesensorandCOsensorareintegratedtoacompounddetectorforfireproof.Thesystemdiscernsthemasterbythesecretcode.Onlyimputcorrectsecretcodecouldthesystembeclosed.ThesystemwasautomaticwatchedbyWatch-dogIC,andwasdesignedbyconsideringtheanti-interferenceinthesideofthehardwareandsoftware.Itcanworkwithhighreliability.

Keywords:

fireproof，theft-proof，alarmsystem

第1章绪论

概述

平安防范技术涉及到社会的方方面面，是爱惜国家和人民利益与平安的重要手腕。

随着我国经济水平的整体提高，我国的医院设施建设水平也慢慢取得改善。

许多医院都购买了价钱昂贵的医疗设备，而且医院衡宇建设改善很多，因此需要保证医疗设备的平安和预防火灾[1]。

近来偶有医院发生火灾，由于医院有些是病重住院患者，行动不便，易造成人员伤亡。

现代安防监控系统己有了新的概念，通常称为平安自动化SAS（SecurityAutomationSystem），并与防火自动化系统FAS.（FireAutomationSystem）一起组成智能建筑系统最底层的系统[2]。

目前国外发达国家已慢慢形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的平安保障行业。

平安技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年—1971年，第一在美国、英国等国家形成，像DEMCO（安宁宝）;VICON（维康）;CHUBO（集宝）;AMERICADYNAMIC等。

60年代视频图像技术、70年代运算机数字技术。

80年代生物识别技术和90年代国际互联网技术的应用，使安防行业取得快速进展。

西门子楼宇科技公司针对医院建筑平安防范的实际情形，充分考虑医院实际情形，推出了GuanoEasy新型平安防范系统[3]。

西门子楼宇科技公司的最新产品GuartoCasy将视频监控、音频对讲监听、防盗报警（有线或无线连接方式）、火灾探测、危险气体探测等多种警告方式（声光，无线，拨号）结合起来，对医院建筑进行全方位的平安防范。

GuartoEasy采纳总线式结构，符合安防系统的暴露线路最短的原那么。

通过适配器能够接入各类信号（电压，触点等），能够连接防盗探测器，震动探测器，气体探测器，火灾探测器，紧急按钮，门禁触点等各类探测器，能够适应各类情形。

在线路上，能够接入中继器实现探测线路的延长，从而更好的适应环境。

就智能医院中的火灾报警而言，目前显现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警系统，一样是依照灾前检知的光、热、烟、气、味等个别异样或是不是达到某种阐值来做。

出判定的多阂值系统，多传感元件火灾探测器是智能型的装置[4]，利用三种不同类型传感元件的探测器记录模拟量的火灾参数，并将这些模拟量转换成数字信号，然后，探测器利用数值算法判定是不是存在火灾危险。

此刻世界各国都在致力于研究和开发能初期预报火灾的火灾探测方式和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点[5][6]，就可组成智能火灾探测系统，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的靠得住性。

能够预见，智能建筑将成为21世纪建筑业的进展主流[7]。

专门是在我国，随着人们生活水平的日趋提高，各类建筑设施是不是智能化，安防系统是不是完备、靠得住将成为评判建筑设施的重要指标。

按智能技术开发的功能和作用的不同，智能医院中报警系统应用一样体此刻探测智能、监控智能和抗干扰智能三个要紧方面。

以火灾报警为例[8]，探测智能是通过探测器中的微处置器进行的，它不但对火灾信号直接进行检测、分析和信号处置，而且对环境的转变可及时做出响应，并利用软件中成立的算法进行综合比较，自动调整运行参数，做出适当的智能判定：

监控智能那么是由探测器中运算机自身的软件（程序块）来完成的[9]，监控程序周期地运行，使系统始终维持良好的利用和保护状态。

以后的火灾探测报警系统的进展方向是智能寻址式（也称模拟量）系统，目前欧美己有一些国家正在大力研究无线火灾探测报警系统，随着时刻的推移，这种产品在我国也会进展成为主流。

本课题要紧工作概述

针对国内外的进展情形，可见建筑智能平安防范系统是我国以后智能建筑建设的重点进展方向。

本课题所设计的防火防盗报警系统实现功能包括：

能对建筑的火灾、有害气体泄露等实行自动报警；还能对盗窃实行自动报警；住宅设置紧急呼唤系统；用户端自动报警器对各传感器的信号进行检测和操纵。

智能报警系统要紧包括用户端电子防盗防火系统。

用户端的电子防盗防火系统又包括探测器、自动报警器及输出等组成部份，并将模块化思想引入此系统，从而使整个系统的功能更完善、灵活、可调。

课题重点设计了前端探测器部份。

本课题内容属于硬件电路的设计与应用方面，确信硬件系统的整体设计方案，采纳模块化设计，确信各个模块的器件，设计制作各模块的电路，搭建出整个硬件系统。

整机调试，给出调试结果。

另外，在知足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要尽力降低本钱，使其经济有效，在保证灵敏度的情形下，尽可能降低误报率。

论文结构

论文第1章为绪论部份，介绍整个系统设计的背景及将要开展的工作；第2章为系统整体方案设计分析；第3章介绍防盗探测器的设计与实现；第4章为防火探测器的设计与实现；第5章介绍用户端报警器的设计与实现；第6章为探测器电路调试；最后为文章结论。

第2章系统整体设计方案

系统整体组成

本防盗防火报警系统是一种电子平安报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能操纵相结合，从而形成防盗、防火报警系统[10]。

系统整体构成包括防盗探测器、防火探测器、用户端自动报警器三个要紧模块，如图2-1所示。

防盗探测器模块由热释电红外探测器、微波探测器组成，任一时刻假设只有一个探测器输出高电平，另一个为低电平都以为是干扰或是误报警信号，单片机都不予处置，只有当二者都输出高电平，系统才判定发生了盗情，触发相应的单片机中断处置程序。

图2-1系统组成框图

防火探测器模块由温度探测器、感烟探测器、CO探测器组成，一样只有当烟雾探测器、CO探测器输出高电平信号且温度探测器检测到的环境温度达到温度报警阈值时，系统才由单片机响应相应的中断效劳程序。

用户端自动报警器由键盘输入电路、密码显示电路、电源电路、声光报警电路及看门狗电路等组成。

键盘电路采纳经常使用的矩阵键盘电路来实现密码的输入和修改和紧急呼唤按钮；密码显示电路采纳74LS164串行静态显示来实现；电源电路采纳简单的桥式整流电路产生+5V、+12V直流电源给系统供电；声光报警电路由红黄绿三色发光二极管（LED）和蜂鸣器组成；看门狗电路用X5045芯片来设计。

报警系统的功能和工作进程

防火防盗报警系统功能和特点：

一、系统采纳模块化设计。

二、前端报警器能够快速、准确地检测到现场的异样状态，一旦有人入侵、发生火灾时，相应的探测器当即向自动报警器发出报警信号。

3、接到警情事件后，经确认后及时通报给微操纵器，自动报警器当即进行确认，50秒确认无误后，进行现场声、光报警。

4、用户端自动报警器可检测探测器或传输线路发生的故障（如探头断线或掉电

等）。

探测器显现故障时点亮故障灯。

五、自动报警器的面板上设有LED显示器、键盘及三色警灯，三色警灯别离指示光报警、正常工作和系统显现故障的状态。

六、系统开关机采纳密码操纵且许诺修改密码，避免误报同时增加用户端自动报警器的保密性。

若是显现误报警，50秒内用户能够通过键盘输入密码解除报警。

平常能够更改密码。

系统的大体工作进程：

探测器通过INT0、INT1中断口与单片机进行通信，用户端口器件通过单片机通用口连接。

用户端的防范现场，一旦有人入侵、或发生火灾等紧急情形时，与之相应的报警探测器（各类防火、防盗及手动报警按钮等）那么当即向用户端自动报警器发出报警信号。

接到警情事件后，自动报警器当即进行确认（多次巡检中断信号），假设50s后无人解除警情同时警情确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）、光（LED）报警，在用户端自动报警器的面板上设有LED显示器、键盘和三色警灯（LED），三色警灯别离指示火灾或红外/微波双鉴的防火防盗报警、正常工作及系统显现故障的状态，即报警灯（红）、工作灯（绿）和故障灯（黄）。

用户端报警器同时具有探头故障报警功能，幸免由于探头掉电而漏报，显现故障时点亮故障灯，若是判定探头掉线（被剪断），那么声光报警。

若是显现误触发而报警时能够通过触发延迟时刻（50s按时器），用户通过输入设定的密码来解除报警信号。

当探测器检测到异样信号传给自动报警器时，只有解码正确时才会有开锁电平输出给单片机，操纵关闭中断，解除用户端自动报警器的监测报警状态。

现在，自动报警器对那个异样信号不做出任何响应，直到被复位后，自动报警器才从头开始工作。

若是三次误码输入，那么产生报警信号电平，触发报警器中断响应，现在报警器进入报警状态。

密码电路中设有50秒定时中断输出操纵信号，避免长时刻无效操作。

当有超过50秒的无效操作时，中断开启，发出报警信号。

密码由用户端自动报警器设定，并可随时更改，由键盘可输入用户新密码。

用户不警惕输入错误时，在规按时刻内更正密码即可解除报警，有效的预防了误报。

输入密码时的按键有效提示由绿色发光二极管来实现，即密码输入正确时发光二极管被点亮；密码输入错误警告由红色发光二极管来实现，当输入密码错误时红色发光二极管被点亮。

第3章防盗探测器设计与实现

方案选择与论证

探测器电路设计是本课题电路设计的重点之一，探测器电路部份包括防盗探测器电路与防火探测器电路两大部份，其中详细设计了红外、微涉及感烟探测电路。

由多种类型传感器实现多元信号综合检测是本系统中探测电路部份的大体设计思想，多元信号检测一方面完成盗情与火情的实时监测任务，另一方面大大降低了探测器部份的误报率，提高了整个系统的靠得住性和抗干扰性。

过去许多都是采纳单一的探测模式,单技术探测器是仅利用一种探测技术的传感器、探测部件。

这种探测器尽管结构简单、价钱低廉，但由于受到各类因素的阻碍，如环境温度、震动、冲击、光强变化、电磁干扰、小动物活动等的阻碍，在某些情形下的误报、漏报率相当高。

例如，1981年至1985年香港警方共收到89085次报警，误报率高达99%；又如英国苏格兰警方1985年共收到约20000次报警，误报率为98%。

单探测技术入侵报警器的误报率如此高，除探测器的选型、安装、利用不合理外，其报警器的质量、稳固性和靠得住性也可能较差。

采纳多种探测技术，能较好的解决误报率高这一难题。

复合探测技术报警方式是将两种或两种以上的探测技术结合在一路，以“相与”的关系来触发报警装置，当两种或以上探测器同时或接踵在短临时刻内都探测到入侵目标时，才发出报警信号。

对超声波、声控、微波、热释电红外等单探测技术报警器和以微波—热释电红外双探测技术报警器等进行测试后发觉，采纳双探测技术探测方式的报警器的误报率要比采纳单一探测技术的报警器的误报率低得多。

其中以微波—热释电红外探测双探测技术报警器的误报率为最低。

据报导，这种双探测技术报警器的误报率能够采纳单一探测技术的报警器的误报率降低421倍，可比其他几种类型的双探测技术报警器的误报率降低约270倍。

表3-1列出了几种单探测技术和双探测技术报警器误报率的比较。

由表3-1可见，在采纳双探测技术的报警器中，以微波—热释电红外双探测技术的组合方式误报率为最低（1%）[11]，报警操纵器必需在同时感受到入侵者的红外热辐射（人体有必然温度）及处于移动状态时，才发出报警指令信号，故虚报和误报的概率较低。

因此这种探测方式是双探测技术中最为理想的组合方式[12]。

本系统即采纳这种组合方式。

表3-1单双探测技术报警器误报率比较

单探测技术报警器

双探测技术报警器

报警器种类

声控报警器

超声波探测器

微波报警器

热释电红外探测器

超声波—热释电红外

超声波—微波

热释电红外—热释电红外

热释电红外—微波

误报率

80%—90%

40%—58%

1%

可信度

最低

中等

最高

防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器[13][14]，较之以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示用意如图3-1所示。

图3-1双鉴探测器原理示用意

双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号通过与非门处置后送单片机，即只有同时检测到两个探测器输出端口为高电平信号时，自动报警器才会响应盗情报警信号，不然不报警。

实验发觉，在红外探测器中，通过菲涅尔透镜的分割方式的改变能够降低由于小宠物引发的误报，从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点;但红外探测器对环境温度的转变比较灵敏，而微波探测器所检测的只是活动的目标，因此关于若是只是温度转变引发的干扰并非会被自动报警器响应。

通过如此双重的检测就进一步减小了外界干扰，降低了报警信号误报的发生率，下面详细介绍本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点和实际的工作进程。

热释电红外探测器

传感器通常包括热释电晶体、电极、氧化膜、衬底、FET和负载电阻几个组成部份[15]，热释电晶体一样是PZT或其他材料，在晶体上下表面别离设置电极，在上表面再加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。

热释电晶体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，其输出阻抗很高，一样为10K—47K，而且输出电压信号又极为微弱，故在管内附有FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。

在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。

在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。

一样热释电红别传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的（而且不受可见光的阻碍）。

一样经常使用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来得红外线能量转变，并将其转换成电信号输出。

传感器探头前部装有菲涅尔透镜。

由于人的活动频率范围在—10Hz，因此需要对人体活动频率加以增频，而菲涅尔透镜是一种多面反（折）射镜，比较理想。

当人体进入菲涅尔透镜的一个视场时，在热释电传感器上产生一个交变红外辐射信号，就会使传感器电路产生一个微弱的电压信号。

热释电红别传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，能够将其转化为与人体运动速度，距离，方向等有关的低频电信号。

由热释电传感器的特性知电压响应度与入射光辐射转变的频率成反比，因此，当恒定的红外辐射照射在探测器上时，探测器没有电信号输出，因此恒定的红外辐射不能被检测到;而物体移动速度越快，一样的入射功率下，输出电压就会越小，只有达到报警阈值电平常，探测器才会有电压信号输出。

依照该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。

探测器原理框图如图3-2所示，当人体进入警戒区，人体温度会引发环境温度辐射场的转变，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的不同信号，那么在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小，决定于灵敏元件温度转变的快慢。

通事后级比较器与状态操纵器产生相应输出信号U0。

图3-2热释电红外线探测器原理框图

3.2.1热释电红外探测器件的选择

红外发射接收有两种方式，能够采纳主动和被动方式。

主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依托反射方式进行。

为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。

主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触发误报。

若是有物体坠落遮挡，都会致使误报。

被动式红别传感技术是利用红外灵敏元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处置，对被监控的对象实施监控。

它能靠得住地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。

同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。

综合考虑后本设计采纳被动式红别传感器作防盗传感器。

红外线波长范围大致在—1000μm之间。

物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系知足

λm*T=2989（um*k）（3-1）

其中λm为最大波长，T为绝对温度。

人体的正常体温为36~ºC，即309~，其辐射的最强的红外线的波长为

λm=2989/（309~）

=~

中心波长为。

从内部结构分，热释电红别传感器有单探元、双元件、四元件及特殊型。

双探元是将两个特性一致的探测元进行串接，组成差动平稳电路，有利于抑制因探测元自身温度转变而产生的干扰。

四元件与双元件类似。

用于人体探测的热释电红别传感器多采纳双（探测）元或四元的器件。

由于灵敏度要求不是很高，加上四元件价钱相较双元更贵，因此设计最终采纳双元的热释电红别传感器。

选择了几种器件作比较，如表3-2所示。

表3-2几种红别传感器的要紧参数

型号

Q74

P228

LN084

性能说明

探测元

双元

双元

双元

探头类型

封装形式

TO-5

TO-5

TO-5

金属封装

响应度

6500V/M

4500V/M

3900V/M

衡量灵敏度的重要指标

等效噪声功率

×10-10

1×10-9

×10-9

衡量稳定度的主要指标

窗口波长

7—15um

7—14um

7—14um

探测器接收红外线的谱范围

使用温度

-55—+125℃

-40—+80℃

-40—+80℃

器件能正常使用的温度范围

从上表分析能够明白Q74的综合性能较好，且几者的价钱相差不大，因此选用Q74热释电红别传感器用于电路设计。

3.2.2热释电红外探测器电路设计

热释电红外探测器电路采纳的器件包括红外探测器专用芯片—红别传感信号处置器BISS000一、热释电红外探头Q74（传感器）及一些外围元件（电阻电容）。

它的正常工作电压是5V（工作范围可在3V到5V之间）。

检测元件BISS0001是CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处置。

另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时刻按时器和封锁时刻按时器。

BISS0001可重复触发工作方式下波形如图3-3所示。

图3-3BISS0001可重复触发工作方式下各点波形

图3-4所示为红外探测器分立元件电路图。

利用BISS0001的运算放大器OP1组成传感信号预处置电路，将Q74（PIR）探测到的微弱的红外信号无损耗地传过来并进行第一级高增益信号放大。

然后经C3耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位举高为VM（≈VDD）后，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≈VDD，因此，当VDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰，提高系统的靠得住性。

COP3是一个条件比较器。

输入电压UcUr时，COP3输出为高电平，打开与门U2，现在假设有触发信号Vs的上跳边沿来到，那么可启动延不时刻按时器，同时Vo端输出为高电平，进入延时周期。

当A端接“0”电平常，在Tx时刻内任何V2的转变都被忽略，直至Tx时刻终止，即所谓不可重复触发工作方式。

当Tx时刻终止时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时刻按时器而进入封锁周期Ti。

在Ti周期内，任