红外探测报警电路的设计

1、摘 要随着社会经济的日益发展，防盗成了人们越来越关心的问题。铁门铁窗等已经不能给人们带来太多的安全感，社会对报警器材的需求日益迫切。智能防盗系统，是以保障安全为目的建立起来的技术防范系统。它包括以现代物理和电子技术及时发现侵入破坏行为、产生声光报警以及提醒值班人员采取恰当的防范措施。室内防盗智能控制系统作为一种新型的电子防盗设备广泛应用于家庭住宅区。目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗器进一步完善和提高。这是一种基于单片机信号处理技术的防盗检测器的软硬件设计方法。应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。本系统利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理，设计的新型探测器，测量范围广, 响应速度快, 灵敏度高，抗干扰能力强，安全可靠 。并采用单片机89C51作为人体探测系统的核心，以热释电红外线为数据采集部件，经过比较放大之后，输入单片机进行数据判断及处理。当检测到有被测物体进入测量范围时，系统自动发出声光报警信号，等待一段延迟时间后自动消除报警信

2、号，并可手动解除报警信号。当有主人在家系统无需报警时,可开启楼道灯控制系统，即传感器探测到有人经过时照明灯亮,等待一段延迟时间后自动熄灭,并可手动来控制延迟时间的长短。系统使用单片机与PC机通信原理，把采集到的数据传输给计算机统一处理。关键词: 热释电传感器 单片机 声光报警 目 录第一章 绪论1第二章 应用元件的介绍221 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构222 红外测温原理223 热释红外传感器的结构324 菲涅尔透镜5第三章 总体电路设计631系统组成 6 32 单片机系统 7 33 热释电传感器的基本电路分析及设计 83.3.1 高低通放大器 83.3.2 电压比较器 93.3.3开关电路 103.3.4延时电路 10 34执行电路 10 35键盘控制电路设计 10第四章 软件设计 14 41 主控程序15 42 键盘扫描程序16 43 动态显示程序设计17 44 系统的总程序18结论 25参 考 文 献 26致谢 27附录1 28附录2 29第一章 绪论随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，人们私有财产也不断地增多，因而也对防盗措

3、施提出了新的要求。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点：（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，主人在家走动时，都很容易失报和误报，其可靠性低。（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定

4、点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。再者，就闭路监控电路防盗系统而言：它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。综合以上报警器的不足，本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。同时它的信号经过单片机系统处理后利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。第二章 应用元件的介绍21 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构热释电传感器是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的,红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。非接触红外测温有以下几点优点：（1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。（2）测温范围宽。（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。（4）不

5、必接触被测物体，操作方便。（5）可以确定微小目标的温度。非接触测温技术的意义是显而易见的。随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。通常将电磁波谱间隔在0.761000m的区域称为红外光谱区，红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化P的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电铁电体。例如：LiTaO2(钽酸锂)、BaTi O2(钛酸钡)和TGS（硫酸三甘酞）等。为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器22 红外测温原理红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（273.15）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。据斯蒂芬波兹曼常数，绝对黑体其温度T

6、于与辐射能之间的关系为： 其中：为蒂芬波兹曼常数，其值为5.669710-12 w/cm2 ，k4 为黑体的温度；E0 为黑体辐射能。实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：E=E0其中：E为物体在一定温度下的辐射能力；E0 为与E在同一温度下的黑体辐射能力; 为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在01之间。由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。23 热释红外传感器的结构图1 热释电传感器的结构图与电路图红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂) 探测器、BaTi O2(钛酸钡) 探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。如图1为热释电红外传感器的结构图、电路图。传感器的

7、敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。在管壳的顶部设有虑光镜（TO5封装）。热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约1012s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。图2热释电传感器的电路连接如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为： Q=APS当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电

8、晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。如图2所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化。如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is 通过负载。热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图3所示。图3 热释电传感器等效电路图电流源的电流强度为Is为： 式中:p一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数，24 菲涅尔透镜目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图4所示)。这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透

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