基于51單片機的熱釋電紅外的安防系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著人們經(jīng)濟收入的增加，如何有效的保障財產(chǎn)安全成為一個十分重要的問題。據(jù)統(tǒng)計，目前大多數(shù)家庭的安保措施還比較薄弱， 即便是有物業(yè)管理的*園小區(qū)， 也不可避免的存在疏忽和漏洞， 給犯罪分子以可乘之機；在有的中小型超市和商鋪，由于成本的原因，很多都沒有任何的防范措施，入室盜竊現(xiàn)象時有發(fā)生。為了保障人們的財產(chǎn)安全，就必須有成本低、易安裝、性能穩(wěn)定的安保設(shè)備來實現(xiàn)。

本文將介紹一種利用熱釋電紅外傳感器作為探測源， 經(jīng)過信號調(diào)理后送給CPU 處理， 在異常情況下發(fā)出聲光報警信號，同時自動封鎖出口的安防設(shè)備。系統(tǒng)有“自動”、“商場”、“場館”和“家庭”四種工作模式供用戶選擇。

當(dāng)有人進入房間時，傳感器就會檢測到人體輻射的紅外線信號， 經(jīng)過調(diào)理電路的放大和整形， 送入C P U ,CPU 根據(jù)用戶的設(shè)定工作方式進行判斷，決定將啟動哪些電路。

2  系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)各模塊介紹

如圖1 所示， 系統(tǒng)核心控制部分是單片機， 外圍分別由信號檢測部分，手動設(shè)定部分（鍵盤）、時鐘計時部分、顯示和聲光報警部分， 以及出口封鎖部分組成。

圖1 系統(tǒng)整體模塊圖

2.1.1 單片機

單片機作為控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種CPU,具有價格低廉，編程簡單，運行穩(wěn)定等特點，因而具有廣闊的市場空間。本設(shè)計使用AT89S52,它負責(zé)采集來自檢測單元的信號和從時鐘芯片讀取的時間，根據(jù)用戶設(shè)定的工作模式，進而啟動相應(yīng)的聲光報警電路、出口封鎖電路、計數(shù)電路和語音播放電路，同時完成顯示模塊的輸出控制。

2.1.2 信號檢測部分

（1） 核心檢測器——熱釋電紅外傳感器據(jù)科學(xué)家研究，任何溫度高于絕對零度（-273℃）的物體， 總是不斷的向外界輻射紅外線， 輻射能量的大小與物體的溫度和紅外輻射的波長有關(guān)， 且滿足λ m ×T= μm × K ≈ 3000。應(yīng)用紅外線原理的探測器一般工作在2 ～2.6 μ m,3～5 μ m,8～14 μ m 三個波段。

目前，紅外探測越來越廣泛的應(yīng)用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療等科學(xué)領(lǐng)域。

本設(shè)計采用RE200B,工作電壓3-10V,主要檢測8～14 μ m 的紅外線信號，輸出1mV,0.1～10Hz（根據(jù)人體移動的速度而定）的微弱類正弦波信號。人體由于體溫的恒定性而輻射1 0 μ m 左右的紅外線， 剛好在檢測波段的中部區(qū)域，因此靈敏度較高。其內(nèi)部將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，可以抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾。引入的N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管接成共漏形式來完成阻抗變換， 將電荷信號轉(zhuǎn)為電壓信號。如圖2 所示。在傳感器前加裝菲涅爾透鏡，當(dāng)有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”， 這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，有效的增大了探測范圍。

圖2 RE200B 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及菲涅爾透鏡示意圖

（2） 帶通濾波器

由于探測器輸出的有用信號集中在0.1～10Hz 范圍內(nèi)， 因此， 需要設(shè)計濾波器截取該段頻率范圍內(nèi)的脈沖信號， 濾除帶外噪聲， 以降低系統(tǒng)的誤報率。本設(shè)計中，采用RC 低通濾波器和高通濾波器組成0.16～16Hz的一階帶通濾波器，電路設(shè)計如圖3。其中，R10 和C3 組成低通濾波器， C 1 和R 1 1 組成高通濾波器。根據(jù)公式12fpRC= 可得帶通濾波器的上下限頻率為fL=0.16Hz,fH=16Hz。

圖3 0.16～16Hz 帶通濾波器及差分放大電路

（3） 差分放大

雖然經(jīng)過上述帶通濾波器可以抑制帶外噪聲，但傳感器輸出的脈沖信號只有1mV,在有用信號（差模信號）里還不可避免的會夾雜比有用信號大得多的共模信號干擾，將有用信號淹沒，若不把這些信號進一步剔除，直接放大后送給單片機判斷， 則差模信號被放大的同時，共模干擾也被同步放大， 無法加以區(qū)分。因此， 需要先通過差分電路抑制共模信號、放大差模信號，保證后續(xù)電路的正確檢測。系統(tǒng)采用價格低廉的LM324 組成，如圖3 虛線框所示。根據(jù)疊加定理不難得到， 當(dāng)R 1= R 5 ,R 2=R 6 時， 差分放大器的輸出為：

上式中，Vo 只與輸入端的信號差值和R2/R1有關(guān)， 放大倍數(shù)取決于R2/R1的值，在本系統(tǒng)中，第一級放大20倍。

（4） 二級放大

第一級中主要是抑制共模信號，因此不可能有很大的放大倍數(shù)， 本系統(tǒng)中， 放大器要完成從1 m V 到4 V 信號的轉(zhuǎn)換，需要放大4000 倍。在第一級中已經(jīng)放大20倍，本級需要放大200 倍，由R4/R3的值決定。電路如圖4。

圖4 二級放大和阻抗變換電路

其中， 第一級運放實現(xiàn)200 倍放大， 第二級是電壓跟隨器， 以實現(xiàn)阻抗變換功能。

（5） 門限比較

當(dāng)人體從傳感器前走過時，會隨著與傳感器的夾角不同而輸出強弱變化的脈沖信號， 因而， 需要設(shè)定一個門限值， 當(dāng)信號大于門限值時， 輸出一個脈沖信號。系統(tǒng)采用雙門限電路，如圖5 所示。上下門限分別設(shè)置為3.75V 和1.25V。兩個二極管可以實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

圖5 門限比較器

2.1.3 時鐘和鍵盤部分

本設(shè)計采用美國D A L L A S 公司的低功耗實時時鐘芯片DS1302 提供當(dāng)前時間，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能，有主/ 備兩路電源供電， 可以實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)不丟失， 它與單片機之間采用SPI 總線連接。

當(dāng)用戶選擇工作模式后， 系統(tǒng)在時鐘芯片的協(xié)助下， 完成實時監(jiān)控和報警功能。

2.1.4 顯示和報警部分

顯示電路有兩個功能：當(dāng)應(yīng)用于“場館”工作模式時，顯示場館內(nèi)人員總數(shù)；當(dāng)工作于其他模式時，顯示當(dāng)前時間， 以判斷是否到達下班時間， 并決定是否啟動防盜報警裝置。本設(shè)計采用LED 顯示數(shù)字直觀醒目，它與單片機之間通過驅(qū)動器74LS245 實現(xiàn)通信。

報警電路也有兩個功能：當(dāng)工作于“商場”模式，且是營業(yè)時間時，播放“您好，歡迎光臨！”；當(dāng)工作在“家庭”模式或者其他模式下時間到達用戶設(shè)定時間時，發(fā)出語音報警， 并通過特殊發(fā)光二極管發(fā)出閃爍信號， 以警示犯罪分子、提醒主人。本設(shè)計采用ISD4004 語音芯片和功放電路來實現(xiàn)。

2.1.5 出口封鎖部分

經(jīng)過上述分析， 當(dāng)出現(xiàn)異常情況時， 若僅發(fā)出聲光報警，一旦主人不在家，并不能保證財產(chǎn)的安全，需要同時采用措施防止犯罪分子逃脫。本設(shè)計中附加了出口封鎖裝置， 由光耦TLP521、繼電器組和電磁鐵裝置組成。一旦單片機接收到異常信號，就通過光耦向繼電器組發(fā)出命令， 繼電器組導(dǎo)通打開電磁鐵裝置， 將各個出口封鎖。

2.2 系統(tǒng)各種模式詳細介紹

1）“商場”工作模式。如果在營業(yè)時間內(nèi)， 則播放“您好，歡迎光臨”；若不在營業(yè)時間段內(nèi)，則啟動聲光報警和出口封鎖電路， 防止盜竊現(xiàn)象的發(fā)生。

2）“場館”工作模式。如果在上班時間，則統(tǒng)計進出人數(shù)目并顯示， 若超過設(shè)定的人數(shù)上限， 則發(fā)出聲光報警信號；若不在上班時間，則發(fā)出防盜報警信號，同時鎖定出口。

3）“家庭”工作模式。該模式分為手動和自動兩種方式。手動方式即為當(dāng)用戶出門時， 按下啟動按鈕， 則啟動防盜報警模式， 在停止按鈕按下之前， 任何人進入都將啟動防盜報警；自動模式即為單片機根據(jù)從時間芯片讀取的時間判斷， 在特定時間段啟動防盜報警， 其他時間段停止報警， 時間段可以自行設(shè)定。

4）“自動”模式與“家庭”模式中的自動方式相同

3 系統(tǒng)軟件流程

3.1 系統(tǒng)主流程

如圖6 所示，系統(tǒng)初始化完畢后，當(dāng)檢測到有人體信號， 單片機根據(jù)當(dāng)前的工作模式和設(shè)定的時間段啟動相應(yīng)的電路；如果沒有傳感器信號輸入，則處于等待狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

3.2 DS1302控制流程

當(dāng)系統(tǒng)上電后，需要用戶設(shè)置初始時間，否則時鐘芯片不會走時。在正常走時過程中， 用戶可以隨時修改當(dāng)前時間， 單片機可以隨時從時間芯片中讀取時間數(shù)據(jù)。

圖7 DS1302 程序流程圖

4  結(jié)束語

1） 本設(shè)計采用51 系列單片機作為CPU,價格低廉，程序編寫簡單， 運行穩(wěn)定；

2） 用熱釋電紅外傳感器RE200B 代替普通的光電傳感器，只對人體反應(yīng)靈敏，探測精度高，誤報率低；

3） 用鍵盤和時鐘芯片實現(xiàn)人機交互，供用戶靈活選擇，應(yīng)用范圍廣泛；

4） 本設(shè)計在報警的基礎(chǔ)上，增加了異常情況下封鎖出口的功能， 更加有效的保障用戶的財產(chǎn)安全；

5） 樣機試運行狀態(tài)穩(wěn)定，針對特定用戶，加以改進后可考慮量產(chǎn)。