【正文】 第一章 緒論 1 第一章 緒論 紅外線是一種光線，是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，具有普通光的性質(zhì)，可以以光速直線傳播。紅外線由德國科學(xué)家霍胥爾于 1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射（ Infrared Radiation）。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為 ～ ；中紅外線，波長為 ～ ；遠(yuǎn)紅外線，波長為 ～ 1000pm之間。 紅外技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，它在各領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。由于它不是可見光，因此用來制作防盜報警系統(tǒng)，具有良好的隱蔽性，白天和 夜里都能用，而且抗干擾能力強(qiáng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外線越來越廣泛的應(yīng)用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療、考古、天文、探測等科學(xué)領(lǐng)域，即使在日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也廣泛應(yīng)用到紅外技術(shù)。尤其是在跨入新千年以后，紅外技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，紅外探測技術(shù)已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和人們生活的方方面面。基于紅外探測技術(shù)的紅外入侵報警器又稱紅外防盜報警器，作為一種新的技術(shù)，它已越來越得到社會各界的重視和廣泛應(yīng)用。紅外入侵報警器按其探測手段的不同，可分為被動式、主動式和多技術(shù)復(fù)合入侵報警器。這里主要介紹被動式紅外入侵報警器，被動式 紅外入侵報警器又稱熱釋電紅外入侵報警器，由光學(xué)系統(tǒng)，紅外傳感器和信息處理三部分組成。目前與紅外傳感器配套的光學(xué)系統(tǒng)有三種：即反射式、透射式和折射式。其中反射式光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度最高，其探測距離可達(dá) 25～ 60m；透射式的靈敏度最低，探測距離為 2～ 10m；折射式居中，兼有反射式和透射式的優(yōu)、缺點(diǎn)。反射式系統(tǒng)的紅外傳感器要置于鏡前，體積大，不好密封，在防塵、防水、抗擊、隱蔽性等方面較差，尤其在防盜報警方面不宜采用。而透射式系統(tǒng)的體積小，密封容易，穩(wěn)定性好，其價格相對較低，因此目前國外多采用透射式系統(tǒng)。其工作原理為： 由多元組合菲涅爾透鏡構(gòu)成一定視場和距離的警戒區(qū)，監(jiān)視警戒區(qū)內(nèi)紅外輻射量的變化。當(dāng)警戒區(qū)內(nèi)無盜賊出現(xiàn)時，紅外輻射場處于穩(wěn)定狀態(tài)，紅外傳感器無信號輸出。當(dāng)盜賊出現(xiàn)在警戒區(qū)時，紅外輻射場發(fā)生變化，這種變化立即被經(jīng)過巧妙設(shè)計的多視場組合菲涅爾透鏡會聚，敏感的紅外傳感器接收后迅速將這種變化轉(zhuǎn)為電信號，這種信號經(jīng)信息處理部分放大、處理后立即輸出報警信號，然后通過傳輸送達(dá)監(jiān)控器，于是發(fā)出報警，示出事發(fā)地區(qū)。 近年來，隨著農(nóng)業(yè)電氣自動化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對電子設(shè)備的需求領(lǐng)域逐漸變寬，在噴藥、澆灌、溫濕度控制等方面的電子產(chǎn) 品技術(shù)趨于成熟。對于防盜報警方面，其產(chǎn)品主要在家庭保安以及銀行、商場等有特殊保安要求的場合應(yīng)用廣泛，但用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的產(chǎn)品較少。主要原因是受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件及環(huán)境的制約，多數(shù)產(chǎn)品工作不可靠、適應(yīng)性差并且價錢昂貴，而廣大農(nóng)民所需要的是一種使用方便，性能可靠，價錢便宜又經(jīng)久耐用的報警器。基于此，本課題圍繞應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基于單片機(jī)的紅外監(jiān)測與報基于單片機(jī)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 2 警系統(tǒng)展開應(yīng)用研究工作。 設(shè)施農(nóng)業(yè)帶來了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新模式，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時帶來防盜防破壞等需求。目前大部分生產(chǎn)基地采取了防護(hù)圍墻、 24 小時值班、定期巡邏等人工方式，導(dǎo)致大量人力和物力開銷。因此，如何采用防盜報警等監(jiān)控設(shè)備保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全成為規(guī)模生產(chǎn)必須解決的問題。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，使面向農(nóng)業(yè)的低成本、自動監(jiān)測和報警成為可能。 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(diǎn)。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(qiáng)、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)。 本論文針對 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，研究設(shè)計低成本、實(shí)用性強(qiáng)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)備。該設(shè)備基于單片機(jī)技術(shù)，采用多方位紅外監(jiān)測方式實(shí)現(xiàn)入侵方位確定，并通過多種預(yù)警方式，將不同位置的報警信息通知用戶及時處理。當(dāng)有移動物體進(jìn)入某一位置的監(jiān)測范圍時，紅外探測裝置監(jiān)測到該物體，并對標(biāo)識位置信息，通過不同編碼的聲光進(jìn)行報警。 這種設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控、顯示方位和報警機(jī)制。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的可靠性，安裝簡單方便，性價比高，可維護(hù)性好。這種紅外監(jiān)測和報警系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的實(shí)時監(jiān)控，是一種比較經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推 廣，以便促進(jìn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)安全，以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。論文的順利完成，對設(shè)施農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義，并具有一定的實(shí)用價值。 本論文針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，研究設(shè)計低成本、實(shí)用性強(qiáng)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)備。該設(shè)備基于單片機(jī)技術(shù)，采用多方位紅外監(jiān)測方式實(shí)現(xiàn)入侵方位確定，并通過多種預(yù)警方式，將不同位置的報警信息通知用戶及時處理。當(dāng)有移動物體進(jìn)入某一位置的監(jiān)測范圍時，紅外探測裝置監(jiān)測到該物體，并標(biāo)識位置信息，通過不同編碼的聲光進(jìn)行報警，并顯示報警的通道號。 該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，外圍電路包含 多個紅外監(jiān)測電路、顯示模塊和聲光報警模塊，并由穩(wěn)壓電源電路提供動力。主要研發(fā)內(nèi)容包含采用低功耗、低成本單片機(jī)電路設(shè)計；基于熱釋電紅外傳感器的監(jiān)測電路設(shè)計；位置信息顯示與聲光報警電路設(shè)計；穩(wěn)壓電源電路設(shè)計；系統(tǒng)控制軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)等。 第一章緒論，介紹選題背景、選題目的和意義以及本課題的研究內(nèi)容。 第一章 緒論 3 第二章硬件系統(tǒng)的設(shè)計原理及器件選擇，介紹硬件系統(tǒng)的工作原理以及紅外監(jiān)測電路模塊、單片機(jī)電路模塊、穩(wěn)壓電源電路模塊的基本原理和主要芯片的選擇。 第三章硬件電路設(shè)計及 PCB制板，介紹具體硬件電路的設(shè)計 以及 設(shè)計 PCB板。 第四章軟件設(shè)計，介紹軟件的工作流程以及主要子程序的簡介。 第五章軟件調(diào)試及電路仿真，介紹基于 Keil軟件的軟件調(diào)試，基于 Keil和 Proteus的電路仿真。 第六章系統(tǒng)調(diào)試和性能測試，介紹系統(tǒng)整體的調(diào)試及性能測試。 第七章結(jié)論及展望，介紹本設(shè)計的結(jié)論以及本設(shè)計存在的不足，對將來研究的展望。 基于單片機(jī)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 4 第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計原理及器件選擇 該系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電源電路模塊、紅外監(jiān)測電路模塊和單片機(jī)電路模塊三大部分構(gòu)成。圖 21是硬件系統(tǒng)的總體框架。 其基本工作原理如下： 紅外監(jiān)測電路模塊利用熱釋電紅外傳感器檢測人體輻射的紅外線，當(dāng)某一通道檢測到紅外信號變化時，將其轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，經(jīng)過信號處理電路對電信號進(jìn)行放大、比較，輸出高電平作為告警信息送給單片機(jī)電路模塊。單片機(jī)電路模塊收到告警信息后判斷是否報警，如果滿足報警條件，單片機(jī)將發(fā)出控制信號，驅(qū)動聲光報警和相應(yīng)的數(shù)碼顯示，完成相應(yīng)動作。當(dāng)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，然后系統(tǒng)進(jìn)入下一次循環(huán)掃描。穩(wěn)壓電源電路模塊將為紅外監(jiān)測電路模塊和單片機(jī)電路模塊提供穩(wěn)壓 電源。 熱釋電紅外傳感器工作原理 熱釋電紅外傳感器是指利用熱電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體用的紅外線傳感器。所謂熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)一些晶體（如鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）受熱時，在晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)紅外線照射熱釋電元件時，其內(nèi)部極化作用發(fā)生很大的變化，其變化部分作為電荷釋放出，從外部取出該電荷就變成傳感器的輸出電壓。由此可見，熱釋電穩(wěn) 壓 電 源 電 路紅 外監(jiān)測模塊單片機(jī)顯 示光 報 警聲 報 警時 鐘 電 路復(fù) 位 電 路驅(qū)動驅(qū)動驅(qū)動通 道 1通 道 2通 道 3通 道 4電源電源 圖 21 硬件系統(tǒng)原理框圖 第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計原理及器件選擇 5 圖 22 雙探測元熱釋電紅外傳感器 傳感器只有在溫度變化時才輸出電壓。 熱釋電紅外 傳感器屬于被動式紅外傳感器，所謂“被動”是指探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外報警器的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。這種傳感器無需紅外線發(fā)射源且靈敏度高、控制范圍大、隱蔽性好。 人體都有恒定的體溫，一般在 37℃ ，所以會發(fā)出特定波長 10μm左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅 外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。 （ 1）這種探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對波長為 10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。 （ 2）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，控制環(huán)境的干擾。 （ 3）被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。環(huán)境背景輻射對兩個熱釋 元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。圖 22是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時 D端接電源正極，G端接電源負(fù)極， S端為信號輸出。 （ 4）一旦人進(jìn)入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報警。 基于單片機(jī)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 6 紅外監(jiān)測電路工作原理 圖 23是紅外監(jiān)測電路的基本工作原理框圖。利用熱釋電紅外傳感器收集紅外信息，輸出電壓信號，再經(jīng)過放大器放大，輸出高電平信號。 在熱釋電紅外傳感器選擇方面，選擇性價比高、價格低廉的 RE200B作為紅外傳感器，以收集紅外信息。在運(yùn)算放大器方面，選擇價格便宜的帶差動輸入功能的四運(yùn)算發(fā)達(dá)器 LM324N。 簡介 圖 24是 RE200B的管腳圖，其性能參數(shù)如下： 基片材料：硅 基片厚度： 工作波長： 7～ 14μm 平均透過率： 75% 輸出信號： 工作電壓： ～ 15v 工作電流： ～ 24μA (VD=10v,Rs=47KΩ,25℃ ) 平衡度： 20% 工作溫度： 20℃ ～ +70℃ 保存溫度： 35℃ ～ +80℃ 視場： 139186。 126186。 說明：該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，采用雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。 應(yīng)用 圖 25是 RE200B的基本輸出應(yīng)用。而且 上述 性能參數(shù)也 是在源極電阻 Rs=47KΩ條件 圖 24 RE200B 管腳圖 熱釋電紅外傳感器放大器放大輸出電 壓 信 號 高 電 平 圖 23 紅外監(jiān)測電路原理框圖 第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計原理及器件選擇 7 下測定的，用戶使用傳感器時，可根據(jù)自己的需要調(diào)整 Rs的大小。 信號輸出電壓最小值。典型值 4V；噪聲輸出電壓最大 250mV，典型值 90 mV；頻率響應(yīng) ～ 3Hz；增益177。 10Bb。 熱釋電紅外傳感器 RE200B的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射。器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。 缺點(diǎn)： l、容易受各種熱源、光源干擾，容易受射頻輻射的干擾。 被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。 環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。 熱釋電紅外傳感器只能安裝在室內(nèi)。其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系： 注意靈敏元的位置及視場大小，以便得到最佳光學(xué)設(shè)計。 使用傳感 器 時，管腳的彎曲或焊接部位應(yīng)離開管腳基部 4mm以上。 使用傳感器前，應(yīng)先參考說明書， 尤其要防止接錯管腳 。 熱釋電紅外傳感器應(yīng)離地面 ～ 。 熱釋電紅外傳感器遠(yuǎn)離空調(diào)、冰箱、火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 熱釋電紅外傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 熱釋電紅外傳感器不要直對窗口．否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。 簡介 LM324N是由四個獨(dú)立的運(yùn)算放大器組成的電路。本芯片在家用電器上和工業(yè)自動化及光、機(jī)、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。圖 26是 LM324N的管腳排列圖，其性能特點(diǎn)如下： 圖 25 RE200B 基本應(yīng)用 基于單片機(jī)的紅外監(jiān)測與報警設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 8 真差動輸入級 可單電源工作： 3V～ 32V 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ? 輸入端具有靜電保護(hù)功能 內(nèi)含相位校正電路，外圍元件少 輸入失調(diào)電壓低：177。 2mV 消耗電流小 每封裝含四個運(yùn)算放大器 工作穩(wěn)定 應(yīng)用 圖 27是 LM324N的典型應(yīng)用。其可將輸入信號進(jìn)行放大