【正文】 ........................................ 32 附錄 E .............................................. 33 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 1 頁 共 32 頁 論 課題背景 在社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展下，人民生活水平的不斷提高，自然而然使得財產(chǎn)安全成為社會發(fā)展的重中之重，在此基礎(chǔ)上，人們對其住宅的安全要求也越來越高 ，這主要表現(xiàn)在他們不僅希望擁有舒適、溫馨的住所，還對住所防盜系統(tǒng)的安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。我們都知道，在現(xiàn)代技術(shù)高速發(fā)展的今天，犯罪更趨智能化 [1]，手段更加隱蔽。那么，財產(chǎn)安全問題僅靠小區(qū)治安或者防盜門的防范已經(jīng)不能滿足人們的需求了。至此，人們迫切需要一種智能的家庭安全防范報警系統(tǒng)，既能可靠地進行日常安全防范工作，又能及時發(fā)現(xiàn)各種險情并通知戶主，以便將險情消滅在萌芽狀態(tài)，這樣人們便可安心工作，同時也保證了居民的生命財產(chǎn)不受損失。 在如今這樣一個電子通訊技術(shù)飛速發(fā)展的時代，單片機以其體積小、 價格低、集成度高、性價比高等突出優(yōu)點已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于智能儀表、工業(yè)控制、日程生活等很多領(lǐng)域，可以說單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類的生活，工作的每一個角落，這說明它和我們每一個人的生活工作密切相關(guān)。因此利用單片機和一些簡單的外圍器件來開發(fā)一種低價位、運行可靠的智能型報警系統(tǒng)，對盜竊行為進行報警并通知安保人員進行處理已經(jīng)勢在必行。 由于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在電子防盜、人體探測等領(lǐng)域中，紅外探測由于價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定，更是受到很多專業(yè) 人士的歡迎 [2]。而且紅外技術(shù)已經(jīng)成為先進科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，它在各領(lǐng)域都得到廣泛地應(yīng)用，由于它是不可見光，因此用它做防盜報警器，并具有良好的隱蔽性，白天黑夜均可使用。同比國外的防盜報警器，國內(nèi)的報警器基本都是以超聲波、紅外發(fā)射 /接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)，從單一封閉式、被動型安全防范模式向多元化、綜合化、電控化以及紅外報警處理方向發(fā)展。紅外報警大多數(shù)采用國外先進技術(shù)，其功能也非常先進。其中包括被動式熱電偶型紅外報警器、紅外監(jiān)測無線報警器、紅外線防盜報警器、高靈敏紅外報警器、觸摸式延時防盜報警器、觸摸式 防盜報警器、紅外遙控報警器、紅外線聲光報警器等等。目前國際上應(yīng)用最多的是主動紅外對射總線的制報警主機的方式，這種方式具有技術(shù)成熟、可靠性強、易擴展、操作簡便、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。 紅外傳感器的發(fā)展趨勢及應(yīng)用 利用紅外輻射實現(xiàn)相關(guān)物理量測量的傳感技術(shù)，即為紅外傳感技術(shù)。紅外傳感器技術(shù)是近年來發(fā)展最快的技術(shù)之一，紅外傳感器目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、天文、氣象、軍事、工業(yè)和民用等眾多領(lǐng)域，起著不可替代的重要作用。紅外線，實質(zhì)上是一種電磁輻射波，其波長范圍大致在 ～ 1000m 頻譜范圍內(nèi)，因其是位于可見光中 紅光以外的光線，故而得名為紅外線。任何溫度高于絕對零度的物體，都會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。其中，利用紅外傳感技術(shù)制作的熱釋紅外傳感器主要由高熱系數(shù)的鈷鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸理、硫酸三甘鈦等配合濾光鏡片窗口組成，它以非接觸形式，檢測出物體放射出來的紅外能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出[3]。 近年來，紅外傳感器的發(fā)展趨勢主要集中體現(xiàn)在以下幾個方面： 1）、新型材料和處理技術(shù)的發(fā)展 用新型材料和處理技術(shù)，使得傳感器的紅外探測率提高，響應(yīng)波長增大，響應(yīng)時間縮短，像素靈敏度和像素密度更高，抗干擾性能提高，生 產(chǎn)成本降低。如 Pyreos 和 Irisys 公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型熱釋電敏感技術(shù)，使得敏感元件可以實現(xiàn)陣列化。 2）、傳感器的大型化和多功能化 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，紅外傳感器正從小型、單一功能，向大型化、多功能化方向發(fā)展。如國外所研制的大型紅外傳感器（ 1616 到 6464 像素）除可進行溫度場測量外，還可獲得先進的、小型紅外傳感器所不具有的人體探測功能（即可精確定位個人在空間中的位置，即使人不活動，也可識別出）或大型區(qū)域的安全監(jiān)視等功能，十分適宜于家庭自動化、醫(yī)療保健、安全防護 等場合的應(yīng)用。此外，新型多光譜傳感器的研制，也大大改善了紅 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 頁 共 32 頁 外成像陣列的功能性。 3）、傳感器的智能化 新型的智能紅外傳感器通常內(nèi)置多個微處理器，具備傅里葉變換、小波變換等先進數(shù)字信號處理或補償功能，自診斷功能，雙向數(shù)字通信等功能，使得傳感器的穩(wěn)定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。 4）、傳感器的進一步微型化、集成化 采用片上集成技術(shù)（包括盲元替代、非均勻性校正、部分圖像處理功能等）和其它新的器件結(jié)構(gòu)及新的制造工藝技術(shù)，在 MEMS（微機電系統(tǒng)），甚至基于納米科技的 NEMS（納機電系統(tǒng)）推動下，紅外傳 感器尺寸大為縮小，功耗大大降低，集成度顯著提高。由于紅外傳感器的優(yōu)越性能，許多主流儀表研究單位和生產(chǎn)制造商對它的研發(fā)投入也越來越高。 紅外傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域如下介紹： 1）、市場研究機構(gòu)發(fā)表的最新紅外線感測器（ IRdetectors）技術(shù)與市場趨勢報告指出，智慧建筑自動化及行動裝置溫度感測等新興應(yīng)用，將成為紅外線感測器市場成長新動力。 2）、應(yīng)用于消費性行動裝置的小型紅外線感測器──例如手機跟平板裝置新增內(nèi)部及現(xiàn)場溫度紅外線單一畫素感測功能，若是能采用晶圓級封裝技術(shù)，可以產(chǎn)出更低廉，更小巧的感測器； 光是手 機及平板大量內(nèi)建紅外線感測器的趨勢，便有可能在 2018 年左右增加 3， 000 萬美元的市場規(guī)模。 3）、中型紅外線陣列感測器已成功打入住宅及汽車的空調(diào)，暖氣及通風(fēng)系統(tǒng)；預(yù)估將來若產(chǎn)品價格更親民，在零售及居家電氣應(yīng)用也大有可為。 4）、大型紅外線陣列感測器（ 32x32 像素或以上）的未來市場是智慧型住宅所需的多元感測裝置，雖然這個市場客戶能負擔較高費用，不過產(chǎn)品的普及仍然有賴價格的下降。 設(shè)計目的及任務(wù) 1）、設(shè)計目的： （ 1）充分利用單片機的功能及編程完成控制任務(wù)； （ 2）學(xué)習(xí)各模塊 的重點，并很好的完成模塊間的連接，完成設(shè)計； （ 3）總結(jié)設(shè)計，完成論文 1 篇； 2）、設(shè)計任務(wù)： 設(shè)計一防盜報警系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用紅外傳感器檢測非法入侵信號，并應(yīng)用單片機控制啟動本地聲、光報警，同時實現(xiàn)遠程無線報警，要求系統(tǒng)性能可靠，成本低，適用于家居安防工程。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 頁 共 32 頁 2 系統(tǒng)方案論證 方案論證和選擇 根據(jù)設(shè)計要求，大致將模塊分為三大部分，分別為檢測模塊、控制模塊和報警模塊。其中報警模塊分為 GSM 報警電路、聲光報警電路。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 傳感器模塊論證 方案一：選用人體紅外熱釋電傳感器探頭。它的優(yōu)點是造價低，性能優(yōu)良，功耗小 ,但其易受各種熱源、光源干擾，而且傳輸距離只有一米左右，距離較短，不符合題目要求。再加上自己對其了解不夠充分，若自己設(shè)計外圍電路，容易出錯，性能可能不穩(wěn)定，調(diào)試問題也不好解決。 方案二：選用人體紅外熱釋電傳感器模塊 [4]。不僅性能穩(wěn)定，體積小，外型美觀，更主要的是裝有菲涅爾透鏡，使得檢測 范圍較寬，而且價格不高，三線引腳，輸出距離可控，應(yīng)用、編程簡單方便。 故本模塊選用方案二。 控制模塊論證 方案一 : 采用 SPCE061A 單片機來實現(xiàn)，此單片機 I/O 接口比較多，雖然易于擴展外圍電路，但不方便位尋址，且沒有總線。開發(fā)板集成了語音播報的硬件，通過軟件編程即可以用于語音采集和播報。 但因為占用內(nèi)存太大，而且沒有接觸過 ,所以其內(nèi)部開發(fā)函數(shù)不是很了然，價格又比較貴，不經(jīng)濟。 方案二：采用現(xiàn)在比較通用的 STC89C52 系列單片機。 52 系列單片機的發(fā)展已經(jīng)有比較長的時間，應(yīng)用比較廣泛，各 種技術(shù)都比較成熟，雖然處理速度不是很快，但資料豐富，系列之 52單片機，內(nèi)部集成 8kflash 空間， 256BRAM 區(qū)，足以實現(xiàn)設(shè)計程序，不需要外擴，而且其最小系統(tǒng)板已經(jīng)設(shè)計好，不需要附加太多的外圍電路，可以方便可靠的使用。 綜合考慮我們選用方案二。 本設(shè)計方案 本設(shè)計主要為三個模塊，分別為熱釋電紅外人體檢測模塊、控制模塊以及報警模塊。首先由人體紅外感應(yīng)傳感器檢測非法入侵信號，然后將檢測到的信號通過內(nèi)部信號電路經(jīng)過兩極放大和處理后 ,將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳送給控制核心 STC89C52 單片機處理，再由其將數(shù)字 信號傳送給GSM 模塊驅(qū)動其發(fā)送短信報警 ,以及促使蜂鳴器報警和二極管發(fā)光報警。該系統(tǒng)具有輕便靈巧、電路簡單易實現(xiàn)的特點。 紅外檢測電路G SM 報警電路聲光報警電路STC89C52 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁 共 32 頁 3 硬件電路設(shè)計 傳感器工作原理 熱釋電傳感器具有成本低、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。實際使用時，在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。因為實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為 2m 作用；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可 增加到 10m 以上 ,較符合設(shè)計目的 [5]。并且由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值小（小于 1mv），不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號，因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)功能要求，人體熱釋電檢測電路組成框圖如 所示： 檢 測 對 象 菲 涅 爾 透 鏡 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 信 號 處 理 電 路V i 圖 熱釋電檢測電路組成框圖 其中 Vi 為控制信 號，接到單片機的中斷 0 端口。 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡（如圖 所示），又叫做螺紋透鏡，是由法國物理學(xué)家奧古斯汀?菲涅爾（ Augustin?Fresnel)發(fā)明的，他在 1822 年最初使用這種透鏡設(shè)計是用于建立一個玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng) —— 燈塔透鏡。菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，當然也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面， 另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設(shè)計的。透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多 在 1mm 左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠。 圖 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在 PIR 上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡的在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。多用于對精度要求不是很高的場合，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器等。 其原理如下： 假設(shè)一 個透鏡的折射能量僅僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。如圖 所示： 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁 共 32 頁 圖 傳統(tǒng)透鏡到菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)的變化 另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個平面上。如圖 所示： 圖 塌陷到平面示意圖 從剖面看，其表面由一系列 鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線，每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光，這種透鏡還能夠消除部分球形像差。