【正文】 引言隨著社會的不斷進步和科學技術(shù)、經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平得到很大的提高，盜竊犯罪行為屢禁不止，嚴重的危害到廣大人民群眾的人身財產(chǎn)安全，同時人們對私有財產(chǎn)的保護意識在不斷的增強，因而對防盜措施提出了新的要求。從現(xiàn)代人們住宅發(fā)展的趨勢來看，現(xiàn)代人們住宅主要是向群體花園式住宅區(qū)發(fā)展，向高空中發(fā)展，一般都是一個住宅區(qū)有幾棟至幾十棟以上，但目前市面上所擁有的家庭電子防盜報警器，只能用于單一的住宅單元，不利于統(tǒng)一管理，而且也不能滿足現(xiàn)代住宅區(qū)的發(fā)展要求，所以很有必要對家庭電子防盜報警器進一步完善和提高。本文提出了一種基于單片機信號處理技術(shù)的防盜檢測器的軟硬件設(shè)計方法，用C語言進行軟件設(shè)計，硬件則以熱釋電紅外傳感器為主，熱釋電紅外傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小達不到V/F轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍。所以送V/F轉(zhuǎn)換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后，V/F轉(zhuǎn)換的結(jié)果才能送單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示。其數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD顯示，成本低且能很好地實現(xiàn)所要求的功能。應(yīng)用該方法設(shè)計的系統(tǒng)在反應(yīng)速度、誤報率、漏報率以及抗干擾能力方面都具有較好性能。主要特點是測量范圍廣, 響應(yīng)速度快, 靈敏度高，抗干擾能力強，安全可靠。據(jù)悉，目前防盜報警系統(tǒng)的附加功能主要有一下幾種：自動撥號報警功能。系統(tǒng)探測到竊賊入室或火災(zāi)等信息后，按事先設(shè)定的電話號碼自動撥號，播通后自動播放報警信息，以有效地減少報警時間。系統(tǒng)可利用接口通信技術(shù)與計算機進行相連接，當探測到竊賊入室時，單片機所接收到的數(shù)據(jù)直接傳送到計算機，這樣有利于小區(qū)的統(tǒng)一管理。為了提高靈敏度，減少誤報率，可以采用攝像頭作為探測頭，將采集到的信號進行圖像處理及判斷后再決定是否報警。如果系統(tǒng)接收到報警信號后，保安人員可以通過查詢報警記錄來確定是否真有人經(jīng)過。今后,隨著電子高科技的飛速發(fā)展,防盜技術(shù)的發(fā)展定將日新月異。同時,功能更加齊全的高精度的先進防盜器將會不斷問世,其應(yīng)用范圍也會更加拓寬。1 課題設(shè)計 課題設(shè)計的概述本設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用被動式紅外傳感器與單片機的接口技術(shù)，被動式紅外傳感器通常又被稱為被動式熱釋紅外傳感器（簡稱熱釋紅外傳感器），是利用目標物體所發(fā)出的紅外輻射信號實現(xiàn)被動探測的。任何溫度高于熱力學溫度零度的物體都向周圍空間輻射紅外線。本系統(tǒng)利用熱釋電紅外傳感器采集輻射信號，將人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號，以供信號處理電路使用，信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延時、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。然后經(jīng)過單片機的處理后實現(xiàn)報警及數(shù)碼管的顯示。本設(shè)計就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計的家庭式電子防盜系統(tǒng)。它在以前的防盜器基礎(chǔ)上進行了很大的改進，不但可以用于單一的住宅區(qū)，也可以規(guī)模用于比較大規(guī)模住宅區(qū)的防盜系統(tǒng)，它的工作性能好，不易出現(xiàn)不報和誤報現(xiàn)象，安全可靠。不僅如此，它使用了單片機做信號處理器，這樣有利于與計算機相連接，利用計算機統(tǒng)一管理，使整個小區(qū)的住戶基本情況、資料等在計算機內(nèi)存儲起來，方便來訪人的查詢和保安人員的統(tǒng)一管理。目前市面上裝備主要有壓力觸發(fā)式防盜報警器、開關(guān)電子防盜報警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報警器等各種報警器，但這幾種比較常見的報警器都存在一些缺點：（一）壓力觸發(fā)式防盜報警器由于壓力板式安裝在墊子內(nèi)，當主機停止工作，主人在家走動時，都很容易失報和誤報，其可靠性低。（二）開關(guān)式電子防盜報警器一般只有一個定點，有效范圍小，而且各種開關(guān)也易壞，失報和誤報率就高，不可靠。（三）遮光式觸發(fā)防盜報警器在受到太陽光照射就會引起誤報，同時如果由于風吹窗簾的擺動等遮住了光也會引起誤報，所以這種報警器的可靠性也不高。再者，就閉路監(jiān)控電路防盜系統(tǒng)而言：它的安裝線路復(fù)雜，而且技術(shù)要求比較高，價格也比較昂貴，不利于廣泛利用。綜合以上報警器的不足，本系統(tǒng)采用了熱釋電紅外傳感器，它的制作簡單、成本低，安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn)。同時它的信號經(jīng)過單片機系統(tǒng)處理后利于跟PC機通信，便于多用戶統(tǒng)一管理。 課題研究的目的及意義設(shè)計出防盜性能更加穩(wěn)定，經(jīng)濟實惠，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠的熱釋紅外傳感器報警系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)有利的防止盜竊犯罪，充分的保護廣大人民群眾的人身財產(chǎn)安全。2 方案設(shè)計2．1 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)采用了熱釋電紅外傳感器，它的制作簡單、成本低，安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn)，同時它的信號經(jīng)過單片機系統(tǒng)處理后方便和PC機通信，便于多用戶統(tǒng)一管理和用戶操作。就此設(shè)計的核心模塊來說，單片機就是設(shè)計的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入/輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、在線調(diào)試等幾個階段，就本設(shè)計來說也包括這些過程。它們的進程框圖如圖21所示。開始明確任務(wù) 選機型，劃分軟、硬件硬件研制軟件設(shè)計 聯(lián)機仿真調(diào)試排除故障、修改軟件固化程序、應(yīng)用系統(tǒng)獨立運行完成研制圖21 單片機應(yīng)用系統(tǒng)研制過程框圖 總體設(shè)計從設(shè)計的要求來分析該設(shè)計需包括如下結(jié)果：熱釋電紅外探頭電路、報警電路、單片機、復(fù)位電路、LED顯示控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成，它們之間的構(gòu)成框圖如圖22總體設(shè)計框圖所示。執(zhí)行電路紅外探頭比較放大電路門限電路聲光報警驅(qū)動電路手動清除LED顯示89S51單片機圖22 總體設(shè)計框圖處理器采用51系列單片機AT89S51，整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經(jīng)測量放大電路、比較電路送至門限開關(guān)，經(jīng)軟件查詢，統(tǒng)計平均及識別判決等環(huán)節(jié)實時發(fā)出人侵報警狀態(tài)控制信號。驅(qū)動電路將控制信號放大并推動聲光報警設(shè)備完成相應(yīng)動作，當報警延遲一段時間后自動解除，也可人工手動解除報警信號，然后通過LED顯示報警次數(shù)。同時,還可以把整個系統(tǒng)變?yōu)樽詣娱_關(guān)燈系統(tǒng),當有主人在時,可用手動解除報警功能,并且可以開啟開關(guān)燈執(zhí)行電路,在探測頭感應(yīng)到有人時執(zhí)行電路執(zhí)行開燈。同時系統(tǒng)還可以使用在一些大型的公共場合，作為檢測人數(shù)個數(shù)和人數(shù)的最大容量控制。 系統(tǒng)硬件選擇從以上的分析可知在本設(shè)計中要用到如下電路：TA89S5熱釋紅外傳感器、LED數(shù)碼管、按鍵、BISS000蜂鳴器等一些單片機外圍應(yīng)用電路，以及單片機的手工復(fù)位電路等等。其中電路所用器件清單見下表21所列。編 號名 稱型 號數(shù) 量1電阻22電阻1K63電阻10K24電阻33K45電容30pF26電容47uF57電容 uF68發(fā)光二極管LED2綠4紅9三極管9015/8050210石英晶振12MHz111集成電路AT89S5BISS0001112蜂鳴器8R113按鍵*214熱釋電紅外傳感器3TR115共陰數(shù)碼管DISPLAY116電源接頭30T117排阻A103J1表21 元器件清單3 熱釋電人體紅外傳感器 紅外測溫原理紅外測溫是通過探測物體表面發(fā)射的能量來測量其溫度，由物理學可知，處于絕對溫度（－℃）以上的任何物體，都要釋放熱能，而紅外輻射溫度計測量其中與溫度有關(guān)波長范圍內(nèi)的熱能，并將其轉(zhuǎn)換與溫度成比例的電信號，由此測出其溫度。據(jù)斯蒂芬－波茲曼常數(shù)，絕對黑體其溫度T于與輻射能之間的關(guān)系為： 其中：σ為蒂芬－波茲曼常數(shù)，1012 w/cm2 ，k4 為黑體的溫度；E0 為黑體輻射能。 實際中大多數(shù)物體為非黑體，其熱輻射公式為：E=εE0其中：E為物體在一定溫度下的輻射能力；E0 為與E在同一溫度下的黑體輻射能力。 ε為黑度系數(shù)，表示物體的發(fā)射能力接近黑體的情況，其值在0～1之間。 由（2）可知，任何物體只要溫度不是絕對零度都不斷地發(fā)射紅外輻射，物體的溫度越高，輻射的功率就越大，只要知道物體的溫度和它的比輻射率，就可算出它所發(fā)射的輻射功率。所以如果能量出物體的輻射功率，則可確定它的溫度。 PIR傳感器簡單介紹熱釋電紅外線（PIR）傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型感靈敏度探測元件。是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號輸出。將這個電信號加以放大，便可以驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警、自動檢測等。自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會發(fā)出不同波長的紅外線，利用紅外傳感器可對其進行檢測。根據(jù)工作原理，紅外傳感器分為熱型和量子型兩類，熱型紅外傳感器也成為熱釋電紅外傳感器或被動紅外傳感器。與量子型相比，其頻響速度較慢，靈敏度較低，但響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格便宜，并可以在常溫下工作。量子型與熱型的特點相反，而且要求冷卻條件。熱型傳感器是目前在防盜報警、火災(zāi)檢測、自動門、自動水龍頭、自動電梯、自動照明及非接觸溫度測量等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器。其原因是：被測對象自身發(fā)射紅外線，可不必另設(shè)光源；②大氣對2—、3—51Lm、8—1411m三個被成為“大氣窗口”的特定波段的紅外線吸收甚少，可非常容易被檢測；③中、遠紅外線不受可見光影響，可不分晝夜進行檢測。 熱釋紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及原理紅外探測器是紅外熱釋傳感器的重要組成部分。它可以分成熱釋電探測器和光子探測器兩大類：其中，熱釋電探測器是電效應(yīng)工作的探測器，其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣，容易使用。常用的熱釋電探測器如：LiTaO2(鉭酸鋰) 探測器、BaTi O2(鈦酸鋇) 探測器和TGS（硫酸三甘酞）探測器等。如圖31是一個雙探測元熱釋紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，—20um。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝可一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。圖31 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)圖熱釋電體的自發(fā)極化強度與溫度有關(guān)。隨著溫度升高，自發(fā)極化強度下降。溫度升高到Tc時，自發(fā)極化消失，此溫度稱為居里溫度。溫度超過居里溫度，鐵電體發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強度變?yōu)榱恪脑砩现v，任何發(fā)熱體都會產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導致電信號的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不同外輸出信號；而傳感器的低頻響應(yīng)（—10Hz）和對特定波長紅外線（一般為5—15um）的響應(yīng)決定了傳感器只敏感與外界紅外線的輻射而引起傳感器溫度的變化，而這種變化對人體而言就是移動。因此，傳感器對人的移動或運動敏感，且敏感程度與人體通過探測區(qū)時的運動方向有關(guān)，如圖32所示。探測器對橫切探測區(qū)方向人體的移動很敏感，對沿探測區(qū)徑向人體的移動不敏感，對靜止或移動很緩慢的人體也不敏感。此外，它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。圖32 人體通過探測區(qū) 熱釋紅外傳感器特點由以上分析可知，其主要優(yōu)點為：●目標物體的輻射能量隨溫度的升高而增大?！耠S著溫度的升高，物體輻射能量的峰值向短波方向移動，其變化符合維恩定律，即λpT=，λp為峰值時的紅外線波長?！裣嗤瑴囟认?，不同目標物體的輻射能量是不同的?！駸後岆妭鞲衅鞯妮敵鲂盘栔绷麟娖綖?V，幅值為1mV的交變信號。該信號通過熱釋電傳感器內(nèi)部場效應(yīng)管的源極輸出。熱釋電紅外傳感器能區(qū)別運動著的生物體和飄落的物體（主動式紅外傳感方式無法鑒別出運動中的物體是生物，還是其他非生物）。熱釋電傳感器也有缺點，如：●信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾?！癖粍蛹t外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。●易受射頻輻射的干擾?！癍h(huán)境溫度和人體溫度接近時，探頭和靈敏度明顯下降，有時會造成短時失靈?！癖粍蛹t外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差?？垢蓴_性能：● 防小動物干擾：探測器安裝在推薦地適用高度，對探測范圍內(nèi)地面上的小動物一般不不產(chǎn)生報警?！?抗電磁干擾：探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中的要求，一般手機電磁干擾不產(chǎn)生報警?！?抗燈光干擾：探測器在正常，靈敏度的范圍內(nèi)