【文章內(nèi)容簡介】 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 排出故障、修正軟件 固化程序、應(yīng)用系統(tǒng)獨立運行 完成研制 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 6 頁 共 35 頁 主要器件介紹 熱釋電紅外傳感器概述 1） PIR 傳感器簡單介紹 熱釋電紅外線 (PIR)傳感器是 80 年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。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)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警、自動覽測等 [14]。 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，熱型紅外傳感器也稱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。它是目前在防盜報警、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。其原因為： ① 被測對象自身發(fā)射紅外線，可不必另設(shè)光源； ② 大氣對 22． 6lLm、 3—5lLm、 8—141lm 三個被稱為 “ 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 [14]。 2） PIR 的原理特性 熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為 2*1mm 的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份， 制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大 70 分貝以上，這樣就可以測出 10~20 米范圍內(nèi)人的行動。 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 7 頁 共 35 頁 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的 “ 盲區(qū) ” 和 “ 高靈敏區(qū) ” ，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從 “ 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，從而強其能量幅度。 人體輻射的紅外線中心波長為 9~10um，而探測元件的波長靈敏度在~20um 范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端 開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為 7~10um， 正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器 。 一旦人侵入探測區(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 而輸出電壓信號 [14]。 在該探測技術(shù)中，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。 3） PIR 結(jié)構(gòu)特性及安裝 圖 22 PIR 結(jié)構(gòu) 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 端接電源負極， S 端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 8 頁 共 35 頁 測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、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，它的探測波長范圍為 ~20μｍ 。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了一塊干涉濾波片。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 [14]。 當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由 C C RR2 組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為 16Hz，下限截止頻率為 。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有 1mV 左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為 ~10Hz 左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設(shè)計運用集成運算放大器 LM324 來進行兩級放大，以使其獲得足夠的增益 [18]。 本設(shè)計所用的熱釋感器就采用這種 雙探測元的結(jié)構(gòu) 。 其工作電路原理及設(shè)計電路如圖 23 所示 , 在 VCC 電源端利用 C1 和 R2 來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn) 定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經(jīng)過 FET 放大后，經(jīng)過 C2， R1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢?，再?jīng)過 NPN 的轉(zhuǎn)化，輸出 OUT 為低電平 [17]。 RSY2 Y1R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2N P NQ1F E TV c c V C C3v 12vOUT 圖 23 熱釋電紅外傳感器原理圖 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 9 頁 共 35 頁 雙探測熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點 : 優(yōu)點：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： （ 1） .容易受各種熱源、光源干擾。 （ 2） .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。 （ 3） .易受射頻輻射的干擾。 （ 4） .環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度降 低 ，有時 造成短時失靈?？垢蓴_性能 ： a、防小動物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報警。 b、抗電磁干擾：探測器的抗電磁波干擾性能符合 GB10408 中 要求 ， 一般手機電磁干擾不會引起誤報。 c、 抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受 3 米外 H4 鹵素燈透過玻璃照射 ,不產(chǎn)生報警。 4） 紅外線熱釋電傳感器的安裝要求 紅外線熱釋電人體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。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件： 紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面 米。 紅外線熱釋電傳感器遠離空調(diào) , 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 紅外線熱釋電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。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方 [14]。 紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感 , 而對于橫切方向 (即與半徑垂直的方向 )移動則最為敏感 . 在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置 是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。 AT89C51 單片機概述 1) AT89C51 單片機的結(jié)構(gòu) 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 10 頁 共 35 頁 AT89C51 單片機是美國 Atmel 公司生產(chǎn)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只 讀程序存儲器 （ EPROM） 和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存取技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 （ CPU） 和 Flash 存儲單元，功能強大。 AT89C51 單片機可提供許多高性價 比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [11]。 圖 24 為 AT89C51 單片機的基本組成功能方塊圖。有圖可見，在這一塊芯片上，集成了一臺微型計算機的主要組成部分，其中包括 CPU、存儲器、可編程 I/O 口、定時器 /計數(shù)器、串行口等，各部分通過內(nèi)部總線相連。下面介紹幾個主要部分。 外時鐘源 外部事件數(shù) 外中斷 控制 并行口 串行通信 圖 24 AT89C51 功能方塊圖 （ 1） 中央處理器（ CPU） 中央處理器是單片機最核心的部分，是單片機的大腦和心臟，主要完成運算和振蕩器和時序 OSC 程序存儲器 4 KB ROM 數(shù)據(jù)存儲器 256 B RAM/SFR 定時器 /計數(shù)器 2 16 AT89C51CPU 64 KB 總線 擴展控制器 可編程 I/O 可編程全 雙工串行口 內(nèi)中斷 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 11 頁 共 35 頁 控制功能。 AT89C51 的 CPU 是一個字長為 8 位的中央處理單元，即它對數(shù)據(jù)的處理是按字節(jié)為單位進行的 [11]。 （ 2） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部 RAM） AT89C51 中共有 256 個 RAM 單元，但其中能作為寄存器供用戶使用的僅有前面 128 個，后 128 個被專用寄存器占用。 （ 3） 內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部 ROM） AT89C51 共有 4 KB 掩膜 ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)等。 （ 4） 定時器 /計數(shù)器 AT89C51 共有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器，可以實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。 （ 5） 并行 I/O 口 AT89C51 共有 4 個 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3 口），可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入、輸出。 （ 6） 串行口 AT89C51 有 1 個全雙工的可編程串行口，以實現(xiàn)單片機和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 （ 7） 時鐘電路 AT89C51 單片機內(nèi)部有時鐘電路，但晶振和微調(diào)電容需要外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列。 （ 8） 終端系統(tǒng) AT89C51 的中斷系統(tǒng)功能較強，可以滿足一般控制應(yīng)用的需要。它共有 5 個中斷源： 2 個外部中斷源 /INTO 和 /INT1 ； 3 個內(nèi)部中斷源，即 2 個定時 /計數(shù)中斷，1 個串行口中斷。 由上所述， AT89C51 雖然是一塊芯片，但它包括了構(gòu)成計算機的基本部件，因此可以說它是一臺簡單的計算機。 2） 管腳說明 ATMEL公司 的 AT89C51是一種高效微控制器 。采用 40引腳雙列直插封裝 （ DIP）形式，如 圖 25 所示 [2]。 AT89C51 單片機是高性能單片機，因為受引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。 基于單片機控制的紅外線防盜報警器的設(shè)計 第 12 頁 共 35 頁 圖 25 AT89C51 的引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 ―1‖時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 ―1‖時，它利 用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址