热释红外线无线报警系统的设计.docx
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热释红外线无线报警系统的设计
学位论文
热释红外线无线报警系统的设计
作者姓名：
尚志强
学科专业：
测控技术与仪器
学号：
*********
指导教师：
卢佳（讲师）
完成日期：
2014-6-15
太原工业学院
TaiyuanInstituteofTechnology
诚信申明
本人申明：
本人所提交的毕业设计（论文）《热释红外无线报警系统的设计》的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
特此申明。
本人签名：
2014年06月15日
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
热释红外线无线报警系统的设计
系部：
电子工程系专业：
测控技术与仪器学号：
*********
学生：
尚志强指导教师（含职称）：
卢佳（讲师）
1．课题意义及目标
本设计基于单片机设计一种简易的红外报警器。
此热释红外报警器安装在禁区，根据检测人体自身的热量，检测到有人时，自动发出报警信息，并且能够自动或手动取消报警。
设计的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。
2．主要任务
（1）根据热释红外报警系统的资料，选定制作方案，选取相应元器件和模块。
（2）计算电路中电阻的阻值，绘制电路原理图并编写相关程序。
（3）制作实物并调试参数发生变化时能否产生报警。
（4）书写毕业论文，阐述电路各个模块的工作原理。
3．主要参考文献
[1]沈廷根.热释电红外新器件的工作原理及其应用[J].世界电子元器件，2001，（10）：
43-46.
[2]张剑平.智能化检测系统及仪器[M].第二版.北京:
国防工业出版社,2009.7.
[3]刘火量杨森.STM32库开发实战指南[M].第一版.机械工业出版社,2013.6.
[4]PrataS.CPrimerPlus[M]..POSTS&TELECOM,2005
4．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅资料，复习有关专业知识，明确设计要求，细化指标。
14-03-01—14-03-03
2
确定总体设计方法，进行方案的可行性论证，并完成开题报告。
14-03-04—14-03-17
3
选定课题各部份具体实施方案，设计硬件及软件程序框图。
14-03-18—14-03-31
4
绘制硬件电路图，用Proteus验证电路的可行性，编写程序。
14-04-01—14-04-14
5
完成硬件设计、程序设计并调试。
（同时接受中期检查）
14-04-15—14-04-28
6
完成系统的软件设计部份。
14-04-29—14-05-12
7
系统总调，程序整合并根据实际效果改进电路、优化程序。
14-05-13—14-05-28
8
完善设计，并撰写论文。
14-05-29—14-06-09
9
完善论文，并完成打印装订工作，准备答辩材料（包括演示文稿）。
14-06-10—14-06-16
10
答辩并总结设计工作。
14-06-17—14-06-20
热释红外线无线报警系统的设计
摘要
随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的提高，人们对住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、安逸的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了要求。
相反地，经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应，城乡、区域收入差距进一步拉大，流动人口也开始迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势，人们也越来越渴望有一个安全的空间。
人们迫切需要一种智能型的家庭防盗报警系统，能可靠的进行日常安全防范工作，即时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。
于是有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视，现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置，但多由于可靠性较差、功能单一或造价高而难于普及。
本文着重阐述热释红外防盗报警器的设计过程，了解防盗报警器的实际情况，最后提出了一些现阶段防盗报警器应用发展可采用的策略和应用前景。
关键词:
防盗报警系统，发展策略，应用前景
DesignofPyroelectricInfraredWirelessAlarmSystem
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,peopledemandforhousingisbecomingmoreandmorehigh,innotonlyhopetohaveacomfortable,comfortableaccommodation,butalsoputforwardsomerequirementsforsecurity,intelligent,etc.Onthecontrary,therapideconomicgrowthhasbroughtconsiderablenegativesocialeffectsofurbanandrural,regionalincomegapwidens,thefloatingpopulationbegantoincreaserapidly,theft,burglaryandothercriminalcasesalsorevealedatrendofgrowth,peoplealsomoreandmoreeagertohaveasafespace.Peopleurgentlyneedakindofintelligenthomesecurityalarmsystem,cancarryonthedailysafetyworkreliable,real-timefoundallkindsofdangerandinformtheheadofthehousehold,sothatthedangerinthebud,sopeoplecanfocusontheirwork,butalsotoensurethepeople'slifeandpropertyfromlosses.Soabouttheplacesuchashomes,officesandwarehousesecurityandautomaticalarmsystemdevelopedbyscientificresearchunitsandmanufacturersincreasinglyattention,nowinthemarkettherehavebeenvariouskindsofalarmdevice,butmorebecauseofpoorreliability,singlefunction,orhighcostanddifficulttopopularize.Thisarticlefocusesonthedesignprocessofthepyroelectricinfraredburglaralarm,tounderstandtheactualsituationoftheburglaralarm,finallyputsforwardsomecurrentanti-theftalarmcanadoptthestrategyofdevelopmentandapplicationprospects
Keywords:
Anti-theftAlarmSecurityAlarmSystemDevelopmentStrategyApplicationProspects
1绪论
1.1热释无线报警系统的现状及发展
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。
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，容易使用。
这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。
因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器。
常用的热释电探测器如：
硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。
热释电红外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。
价格低廉。
在电子防盗、人体探测器领域中，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和专业人士的欢迎。
1.2研究的背景与意义
随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。
现在现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。
由于红外线是不见光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。
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射／接收以及微波等技术为基础。
而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器。
这种热释电红外传感器能以非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，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。
用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：
（1）不需要用红外线或电磁波等发射源。
（2）灵敏度高、控制范围大。
（3）隐蔽性好，可流动安装。
2STM32芯片及外围设备简单介绍
2.1STM32芯片的介绍
STM32现在是市面上非常流行的一种微处理器与我们常用的51系列单片机相比有如下特点：
（1）集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARMCortex-M3内核。
和8/16位设备相比，ARMCortex-M332位RISC处理器提供了更高的代码效率。
STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，所以可以兼容所有的ARM工具和软件。
（2）嵌入式Flash存储器和RAM存储器：
内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。
多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写（不待等待状态）。
（3）嵌套矢量中断控制器（NVIC）：
可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级。
紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。
（4）外部中断/事件控制器（EXTI）：
外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。
每条线可以被单独配置用于选择触发事件（上升沿，下降沿，或者两者都可以），也可以被单独屏蔽。
有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。
当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。
多达112个GPIO连接到16个外部中断线。
（5）时钟和启动：
在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。
可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。
在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。
同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败），PLL时钟的中断管理完全可用。
多个预比较器可以用于配置AHB频率，包括高速APB（PB2）和低速APB（APB1），高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。
（6）Boot模式：
在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：
从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。
Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。
（7）电源供电方案：
VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。
VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内（ADC被限制在2.4V），VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。
VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电（通过电源切换实现）。
（8）电源管理：
设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电路。
这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。
当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。
设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD），PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。
中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。
PVD由软件使能。
（9）电压调节：
调压器有3种运行模式：
主（MR），低功耗（LPR）和掉电。
MR用在传统意义上的调节模式（运行模式），LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：
调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗（寄存器和SRAM的内容不会丢失）。
（10）低功耗模式：
STM32F103xx支持3种低功耗模式，从而在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。
休眠模式：
只有CPU停止工作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒CPU；停止模式：
允许以最小的功耗来保持SRAM和寄存器的内容。
1.8V区域的时钟都停止，PLL，HSI和HSERC振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。
设备可以通过外部中断线从停止模式唤醒。
外部中断源可以使16个外部中断线之一，PVD输出或者TRC警告。
待机模式：
追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样1.8V区域断电。
PLL,HSI和HSERC振荡器也被关闭。
在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待机电路，SRAM和寄存器的内容也会丢失。
当外部复位（NRST引脚），IWDG复位，WKUP引脚出现上升沿或者TRC警告发生时，设备退出待机模式。
进入停止模式或者待机模式时，TRC,IWDG和相关的时钟源不会停止。
见附录1时钟系统框图。
2.2热释红外线无线模块的介绍
2.2.1热释红外传感器简单介绍
热释红外传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。
是一种能检测人体的红外线而输出的电信号的传感器，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。
将这个电压信号放大，便可驱动各种控制电路。
如图2.1所示为热释红外传感器的内部电路框图。
图2.1热释红外传感器内部电路框图
2.2.2常见的几种红外传感器介绍
（1）红外探测器：
红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类；热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖与温度的性能发生变化，检测其中某一性能变化，便可探测出辐射，多数情况下是通过热电变化来探测辐射的，党员见接受辐射后，引起非电量的物理变化，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。
（2）压电传感器：
压电传感器是一种典型的有源传感器，它是以某些电解质的电压效应为基础，在外力的作用下，电介质表面产生电荷，从而产生外力与电荷量间的转换，达到非电量的检测目的。
压电传感器的应用：
可分为单向力，双向力和三向力传感器。
压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用的大小和方向。
由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。
（3）磁电传感器磁电传感器可分为两大类：
一类是基于铁芯线圈电磁感应式传感器；一类是基于半导体材料磁敏传感器。
磁敏管的应用：
不但具有很高的灵敏度，同时能识别磁场极性，而且体积小，功耗低，因而具有广泛的应用前景。
（4）光电传感器：
光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置，它具有结构简单，性能可靠，精度高，反应快等优点，在现代测量和自动控制中应用广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。
（5）无线红外传感器：
无线红外传感器又称无线红外探测器。
它是根据人体红外光谱而工作，当人体在起接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。
2.2.3热释红外传感器的原理特性
热释红外传感器主要是有一种高热电系数制成的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、硫酸三甘肽等制成为2*1mm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，这个滤光片课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，而对其他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，并被热释电元件接收，但是两片热释电电源接收到的热量不同，热释电也不能抵消，经信号处理而输出电压信号。
在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界的能量或能量变化来完成探测目的。
被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。
图2.2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
图2.2双探测元热释电红外传感器
本设计所用的热释传感器就是采用这种双探测元的结构。
其工作电路原理及设计电路图2.3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定元件稳定信号。
当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FEL放大后，经过C2，R1的稳定后是输出变为高电位，在经过NPN的转化，输出OUT为低电平。
图2.3热释电红外传感器原理图
2.3蜂鸣器、二级发光管、LCD1602简单介绍
2.3.1蜂鸣器的简单介绍
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
按有源来分，又分为有源和无源，这里的源不是电源而是震荡源。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会报警，而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。
必须用2K-5K的方波去驱动它有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。
2.3.2二级发光管的简单介绍
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。
具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。
白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。
虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率（有效照度对用电量的比值）上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向。
2.3.3LCD1602简单介绍
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的
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