室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁1第頁第1章緒論隨著社會經濟的日益發(fā)展，防盜成了人們越來越關心的問題。鐵門鐵窗等已經不能給人們帶來太多的安全感，社會對報警器材的需求日益迫切。智能防盜系統(tǒng)，是以保障安全為目的建立起來的技術防范系統(tǒng)。他包括以現(xiàn)代物理和電子技術及時發(fā)現(xiàn)侵進入破壞行為、產生聲光報警阻嚇罪犯以及提醒值班人員采取恰當?shù)姆婪洞胧?。室內防盜智能控制系統(tǒng)作為一種新型的電子防盜設備廣泛應用于家庭住宅區(qū)。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，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器進一步完善和提高。這是一種基于單片機信號處理技術的防盜檢測器的軟硬件設計方法。應用該方法設計的系統(tǒng)在反應速度、誤報率、漏報率以及抗干擾能力方面都具有較好性能。本系統(tǒng)利用熱釋電紅外傳感器的紅外輻射與紅外探測的原理，設計的新型探測器，測量范圍廣,響應速度快,靈敏度高，抗干擾能力強，安全可靠。并采用單片機89C51作為人體探測系統(tǒng)的核心，以熱釋電紅外線為數(shù)據(jù)采集部件，經過比較放大之后，輸入單片機進行數(shù)據(jù)判斷及處理。當檢測到有被測物體進入測量范圍時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警信號，等待一段延遲時間后自動消除報警信號，并可手動解除報警信號。當有主人在家系統(tǒng)無需報警時,可開啟樓道燈控制系統(tǒng)，即傳感器探測到有人經過時照明燈亮,等待一段延遲時間后自動熄滅,并可手動來控制延遲時間的長短。系統(tǒng)的另外一個功能是檢測人數(shù)及最大容量人數(shù)控制，當探測頭探測到有人經過時,系統(tǒng)自動計數(shù)加一，并可以通過鍵盤控制最大容量人數(shù)，如果探測到的人數(shù)超過最大容量人數(shù)時則發(fā)出自動報警信號，并通過LED顯示檢測到的人數(shù)與最大容量報警人數(shù)。系統(tǒng)使用單片機與PC機通信原理，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計算機統(tǒng)一處理。室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁2第頁1前言隨著社會的不斷進步和科學技術、經濟的不斷發(fā)展，人們生活水平得到很大的提高，人們私有財產也不斷地增多，因而也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。本設計就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設計的家庭式電子防盜系統(tǒng)。它在以前的防盜器基礎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，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：它的安裝線路復雜，而且技術要求比較高，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。室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁3第頁第2章應用元件的介紹2熱釋電人體紅外傳感器21熱釋電傳感器的紅外輻射與紅外探測的原理結構熱釋電傳感器是利用紅外輻射與紅外測溫的原理來探測的,紅外測溫屬非接觸式測溫，是測溫技術中的主要手段，其特點是測溫范圍廣，響應速度快和不明顯破壞被測對象溫度場，因而廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、交通等領域。非接觸紅外測溫有以下幾點優(yōu)點：（1）測量不干擾被測溫場，不影響溫場分布，從而具有較高的測溫準確度。（2）測溫范圍寬。（3）探測器的響應時間短，反應速度快，易于快速與動態(tài)測量。（4）不必接觸被測物體，操作方便。（5）可以確定微小目標的溫度。非接觸測溫技術的意義是顯而易見的。隨著工農業(yè)、國防事業(yè)、醫(yī)學的發(fā)展，對溫度測量越來越迫切。在某些場合，溫度測量逐步上升為主要矛盾，引起了各方面的普遍重視。通常將電磁波譜間隔在0.761000m的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)，紅外傳感器是一種新型的傳感器，能夠探測物體輻射的紅外線。熱釋電元件的工作原理是基于熱釋電效應，即在強電介質溫度變化P的自然極化的存在，此時傳感器有電信號輸出，晶體的這種性質被稱為熱釋電極或熱釋電效應。有些熱釋電晶體，他們的自發(fā)極化方向能用外電場來改變，這些晶體稱作熱釋電鐵電體。例如：LiTaO2(鉭酸鋰)、BaTiO2(鈦酸鋇)和TGS（硫酸三甘酞）等。為了使傳感器能夠長期穩(wěn)定地工作，提高靈敏度，增強抗干擾能力，這里選用了TGS晶體制作的雙型探測器22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（273.15）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波長范圍內的熱能，并將其轉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系為：室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁4第頁433450152ThCKE其中：為蒂芬波茲曼常數(shù)，其值為5.669710-12w/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=E0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；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01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。23熱釋紅外傳感器的結構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工作的探測器，其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，因此其應用領域廣，容易使用。常用的熱釋電探測器如：LiTaO2(鉭酸鋰)探測器、BaTiO2(鈦酸鋇)探測器和TGS（硫酸三甘酞）探測器等。如圖1為熱釋電紅外傳感器的結構圖、電路圖。傳感器的敏感元為PZT，在上下兩面做上電極，并在表面加一層黑色氧化膜以提高其轉化效率。它的等效電路是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓信號又極其微弱，故在管內附有JFET及厚膜電阻，以達到阻抗變目的。在管殼的頂部設有慮光鏡（TO5封裝）。圖1熱釋電傳感器的結構圖與電路圖室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁5第頁熱釋電體的自發(fā)極化強度與溫度有關。隨著溫度升高，自發(fā)極化強度下降。溫度升高到Tc時，自極化消失，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?。由于自發(fā)極化，在與極化軸相垂直的晶體兩外表面上出現(xiàn)正負極化強度。但是這些面束縛電荷常常被晶體內部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來。因此不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需的時間很長，因晶體自發(fā)極化的弛豫時間很短，約1012s，因此當晶體經受一定頻率的溫度變化時其體內的自由電荷和外部雜散電荷便來不及中和變化著的面束縛電荷，因此可在動態(tài)條件下測量自發(fā)極化。如果在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應的電荷量為：Q=APS當紅外輻射照射時，熱釋電晶體溫度升高，自發(fā)極化電晶體溫度升高，自發(fā)極化強度降低，因此電極表面上感應電荷減少，這相當于“釋放”了一部分電荷，因此稱之為熱釋電現(xiàn)象。如圖2所示的電路連接負載，則在紅外輻射時，就有電流流過負載經放大后成為輸出信號。若沒有經過調制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個新的平衡值，那么電極表面的感應電荷也變化到新的平衡值，不再“釋放”電荷，也就不再輸出信號。因此，熱釋電探測器與其他熱釋探測器不同，它只存在溫度升降的過程中才有信號輸出。所以利用熱釋電探測器探測的紅外輻射必須經過調制。如果用調制頻率為f的紅外線照射熱釋電晶體，則晶體的溫度自發(fā)極化強度（PS）及其引起的面束縛作電荷密度均以頻率f作周期變化。如果1/f小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于PS的晶體的兩個端面之間就會產生開路電壓。如果用負載電阻Rg把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流Is通過負載。熱釋電晶體自發(fā)極化強度隨溫度變化，使電極表面感應電荷發(fā)生變化，其圖2熱釋電傳感器的電路連接室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁6第頁等效電路如圖3所示。電流源的電流強度為Is為：dTdAPItS)(式中:p一自發(fā)極化強度對溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)，24菲涅爾透鏡目前人體驗知系統(tǒng)中的光調制器一般都采用多元陣列式菲涅爾透鏡，它起到紅外輻射收集器和調制器的雙重作用。熱釋電傳感器只有與菲涅爾透鏡配合使用才能發(fā)揮最大作用。加裝菲涅爾透鏡可使傳感器的探測半徑從不足2m提高到至少8m范圍。菲涅爾透鏡實際是一個透鏡組，每個單元一般都只有一個不大的視場，且相鄰的視場既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個盲區(qū)(如圖4所示)。這樣，當人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內運動時，人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡傳到傳感器上，形成一個不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)，使得敏感單元的溫度不斷變化，傳感器從而輸出信號，或者說，人體在監(jiān)控范圍內活動時，進人一個視場后，又走出這個視場，再進人另一視場對傳感器而言，相當于一會兒看到人，一會兒又看不到人，人體的紅外線輻射不斷改變傳感器的溫度，使之有一個又一個相應的電信號。菲涅爾透鏡不僅可以形成亮區(qū)和盲區(qū)，而且還有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右菲涅爾透鏡一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明狀。需要說明的是:在每次接通電源時，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預熱”時間，在這段時期內該傳感器不起作用。圖4菲涅爾透鏡外形圖圖3傳感器等效電路圖室內防盜智能控制系統(tǒng)共28頁7第頁第3章總體電路設計31系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成如圖5所示。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設置在監(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，經測量放大電路、比較電路送至門限開關，打開門限閥門送出下TTL電平至89C5