红外防盗报警器.docx

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红外防盗报警器

成绩评定：

传感器技术

课程设计

2014年11月

摘要

本系统采用了热释电红外传感器,它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。

这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。

本设计包括硬件和软件设计两个部分。

硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。

处理器采用51系列单片机AT89C51，整个系统是在系统软件的控制下工作的。

关键词：

单片机；红外传感器；数据采集；报警电路

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目录

摘要-----------------------------------------1

一、设计目的3

二、设计任务与要求3

三、设计步骤及原理分析4

3.1设计方法4

3.2设计步骤4

3.3设计原理分析5

四、课程设计小结与体会6

五、参考文献6

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一、设计目的

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。

本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。

就目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。

而本设计中所使用的红外线是不可见光，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。

这种热释电红外传感器能以费接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。

二、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）本红外线防盗报警形态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AT89C51单片机，经点偏激处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。

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（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。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

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。

3.2设计步骤

（1）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：

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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。

（2）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。

（3）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

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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。

（4）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（Golay cell）：

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

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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PtS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]

（5）热释电红外传感器探测模块 

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3.4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

3.3设计原理分析

（1）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。

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（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

（3）放大电路设计 

当红外线传感器检测到信号时这个信号非常小，需要放大才能被单片机所识别。

 如图3-7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。

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（4）热释电红外传感器探测模块 

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3.4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。

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如图3-6为红外线探头模块，模块有三个输出脚，左上图标有“＋”的是正电源，标有 “－”的是地，标有“OUT”的是输出脚，有人活动输出3V高电平，无人输出0V低电平，图中右下角有一个检测方式切换短路线（现在已经改成短路线），中间和H连接为重复模式，只要检测区域有人模块就一直有输出，这种模式一般称为电平输出，中间和L连接为不重复模式，这种模式下即使检测区域有人活动模块也会自动停止输出一段时间（封锁延时）然后再检测，这种模式一

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般习惯为脉冲输出。

模块上的105黄色电位器是动作输出延时调整，就是检查到人体后输出延时若干秒高电平信号的时间，模块的封锁延时时间由C6决定（默认为102，封锁时间为0.3秒），如果需要光控功能，可以在CDS位置接上一个光敏电阻。

 模块采用低功耗稳压器件7133A-1，可以保证在很宽的输入电压下稳定提供3.3V的工作电压，确保模块能正常工作。

四、课程设计小结与体会

本设计研究了一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。

该防盗报警器通过以STC89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。

平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。

该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。

随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。

本设计本身具有一定的局限性，就是系统发出声光报警的范围有限，如果没人在附近，即使发出了声光报警也提醒不到有小偷。

例如：

单个家庭使用时，由于现代化的城市中大多都属于上班族，邻居之间有可能住了几年都相互不认识，而且大多数人都抱着事不关己高高挂起的心态，所以当红外线发出声光报警时即使有人听到了也会这种心态的人无视掉，即使有人意识到是有小偷也有想去看看到底是怎么回事，这时大都市的弊端显示出来了，本身不认识邻居，很有可能被小偷欺骗。

那么这就给系统的改进提供了一个方向，能不能远程通知主人有小偷入侵呢？

答案是可以的，我们可以在报警模块中加上一个远程报警模块，如手机发短信模块，用发短信的方式提醒主人有小偷。

这时可以实现的，社会上不是有

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许许多多的这种例子么，如某些汽车防盗系统就具有这个功能，我们可以将这个

功能应用到本设计上实现远程报警的改进。

五、参考文献

[1] 陈弘达．微电子与光电集成技术[M]．电子工业出版社，2008． 

[2] 曾光宇，张志伟，张存林．光电检测技术（第二版）[M]．.清华大学出版社，北京交通大学出版是，2009. 

[3] 梅遂生，杨家德．光电子技术——信息装备的新秀[M]．国防工业出版社，1999. 

[4]陈永甫．红外探测与控制电路[M]．人民邮电出版社，2004． 

[5]Muhammad H•Ｒashid．Microelectrlnic Circuits：

Analysis and Design[M]．科学出版社，2002． 

[6]黄继昌．实用报警电路[M]．人民邮电出版社．2005． 

[7]张庆双．经典实用电路丛书--智能报警与控制经典实用电路[M]．机械工业出版社．2007． 

[8]田裕鹏．红外检测与诊断技术[M]．化学工业出版社．2006． 

[9]肖景和．红外线热释电与超声波遥控电路[M]．人民邮电出版社．2003． 

[10] 陈永甫．红外辐射红外器件与典型应用[M]．电子工业出版社．2004． 

[11] Monroe Schlessinger, Irving J. Spiro．Infrared technology fundamentals[M]．New York :

 M. Dekker．1995. 

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 西安电子科技大学出版社, 2000. 

[14] 唐桃波， 陈玉林. 基于AT89C51的智能无线安防报警器 [J]. 电子设计应用, 2003. 

[15] 李全利． 单片机原理及接口技术[M]. 北京:

 北京航空航天大学出版

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