1、石家莊鐵道大學物聯(lián)網(wǎng)技術課程作業(yè) 2016 年 春 季學期學 院： 電氣與電子工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 課 程 名 稱： 物聯(lián)網(wǎng)技術 學 生 姓 名： 劉正藝 學 號： 指 導 教 師： 王偉明 完 成 日 期： 2016.5.21 課程作業(yè)任務書1、 作業(yè)目的 紅外線防盜報警器是當前使用比較普遍的報警器之一，它以其靈敏度高、價格實惠，受到了廣大用戶的歡迎。但是使用每一種紅外線傳感器都有其不足之處，如抗干擾能力弱、誤報漏報現(xiàn)象嚴重等，可靠性不夠高。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。

2、因此，設計一種基于單片機和物聯(lián)網(wǎng)簡易的紅外報警器，設計的系統(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，便于時時更新報警的設置。2、 作業(yè)內(nèi)容及要求該報警器主要由熱釋電紅外傳感器及其檢測電路，報警電路組成。熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用。檢測電路主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，從而實現(xiàn)報警功能。具體要求：1、有四個控制按鍵，一個按鍵布防，一個按鍵是遇

3、到緊急情況緊急報警，一個是撤防和一個單片機的上電復位按鍵。2、按下布防按鍵后， 20秒后進入監(jiān)控狀態(tài)（此時有人靠近不報警），20秒后當有人靠近時，熱釋紅外感應到信號，傳回給單片機，單片機控制蜂鳴器進行報警，按下撤防按鍵解除布防。3、當遇到特殊緊急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進行報警。3、 作業(yè)成果形式及提交要求作業(yè)成果形式：實物設計和設計論文提交要求：實物演示講解。四、參考文獻1 房漢雄，王艷春.基于51系列單片機的被動式熱釋電型紅外防盜報警器的設計J,齊齊哈爾大學學報.2008,1(24):41 2 陸尚炳，王海波，魏晉忠.基于熱釋電紅外檢測技術的防盜報警器設計J.企業(yè)技術開發(fā),2009

4、,3(28):47 3 羅晴蘭.RS-485總線通信技術在紅外線報警系統(tǒng)中的應用J.電工電氣,2005,5:27 4 宋文緒. 傳感器與檢測技術. 北京: 高等教育出版社，2004. 5 何希才.傳感器及其應用實例.北京：機械工業(yè)出版社，2004. 熱釋電人體感應紅外報警器摘要：本課程設計研究的是熱釋紅外報警系統(tǒng)，根據(jù)物理學知識，凡是溫度大于絕對零度的物體都會發(fā)出紅外線。不同的物體發(fā)出的紅外線頻率也不相同，因此用熱釋電紅外傳感器可以探測出監(jiān)控環(huán)境中的某些特定范圍的波長的紅外線，達到報警的效果。該熱釋紅外的報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括單片機系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器探頭、按鍵電路、L

5、ED顯示電路，蜂鳴器報警電路等部分；軟件部分主要包括熱釋電傳感器輸出信號的采樣、數(shù)據(jù)分析模塊，其中，系統(tǒng)主程序，紅外熱釋電傳感器子程序，報警子程序和按鍵子程序，均采用51系列C語言編程實現(xiàn)。關鍵詞：熱釋電紅外傳感器；c語言；單片機目 錄1 緒論31.1、設計背景31.2、設計概述32 方案的設計與選定42.1 方案設計42.2選定方案53 熱釋電傳感器概述63.1、熱釋電紅外傳感器63.2菲涅爾透鏡84、系統(tǒng)硬件模塊設計104.1單片機最小系統(tǒng)104.2按鍵控制電路104.3 發(fā)光二極管報警電路114.4蜂鳴器報警電路125、系統(tǒng)軟件模塊設計12 5.1程序設計思 5.2程序設計5 系統(tǒng)總電路

6、圖13總結與展望14總結14展望141 緒論1.1、設計背景隨著時代的不斷進步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客。這里所設計的被動式紅外報警器則采用的傳感元件是熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，同時，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測等領域。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；隱蔽性好，可流動安裝。1.2、設

7、計概述隨著電子技術的發(fā)展，人類不斷研究，不斷創(chuàng)新紀錄，人們自身的安防意識也在逐漸增強。此類裝置設計的要點：其一是能有效判斷是否有人員進入；其二是盡可能大地增加防護范圍。該報警器能探測人體發(fā)出的紅外線，當人進入報警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報警聲，適用于家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。本設計是利用熱釋電紅外線傳感器探測人體輻射出的紅外線信號原理設計出來的人體紅外線感應報警器。內(nèi)容廣泛，靈活應用。2 方案的設計與選定2.1 方案設計方案一：利用模擬電子電路構成被動紅外線感應報警器。系統(tǒng)主要有紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、開機延時、音響報警延時和12V電源電路組成。被動紅外

8、報警器主要是根據(jù)外界紅外能量的變化來判斷是否有人在移動。人體的紅外能量與環(huán)境有差別，當人通過探測區(qū)域時，報警器收集到的這個不同的紅外能量的位置變化，進而通過分析發(fā)出報警。人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發(fā)出特定波長10m左右的紅外線，被動紅外報警器就是靠探測人體發(fā)射的10m左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10m左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應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。方案二：利用模擬電子電路構成主動紅外入侵報警器。主要由發(fā)射機和接收機組成，發(fā)射機

9、是由電源、發(fā)光源和光學系統(tǒng)組成。接收機是由光學系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。主動紅外報警器是一種紅外線光束遮擋型報警器，發(fā)射機中的紅外發(fā)光二極管在電源的激發(fā)下，發(fā)出一束經(jīng)過調(diào)制的紅外光束(此光束的波長約在0.80.95微米之間)，經(jīng)過光學系統(tǒng)的作用變成平行光發(fā)射出去。此光束被接收機接收，由接收機中的紅外光電傳感器把光信號轉(zhuǎn)換成信號，經(jīng)過電路處理后傳給報警控制器。由發(fā)射機發(fā)射出的紅外線經(jīng)過防范區(qū)到達接收機，構成了一條警戒線。正常情況下，接收機收到的是一個穩(wěn)定的光信號，當有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機收到的紅外信號發(fā)生變化，提取這一變化，經(jīng)放大和適當處理，控制器發(fā)出的

10、報警信號。目前此類報警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應用在周界防范居多，最大的優(yōu)點就是防范距離遠，能達到被動紅外的十倍以上探測距離。2.2選定方案方案二的主動式紅外線報警器的硬件電路相比于方案一較為復雜。由于是系統(tǒng)要求有節(jié)能的特點，并且要在電路元件和模塊的選擇上盡量采用通用、基礎的元器件，避免采用大規(guī)模的集成電路來設計電路。綜上所述選擇方案一：由模擬電子電路構成人體紅外線感應報警器電路。主要由電路由紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、開機延時、音響報警延時和12V電源電路組成。組成框圖如下：紅外線傳感器信號放大延時電路音響報警電壓比較開機延時電源電路圖1 人體紅外線感應報警

11、器組成框圖3 熱釋電傳感器概述3.1、熱釋電紅外傳感器一、熱釋電效應及傳感器結構熱釋電元件和壓電陶瓷一樣，都是鐵電體，除具有壓電效應外，當其表面溫度發(fā)生變化，也將引起表面電荷的變化，這種現(xiàn)象就是熱釋電效應，用具有這種效應的介質(zhì)制成的元器件稱為熱釋電元件。熱釋電輻射傳感器由濾光片，熱釋電元件，高輸入阻抗放大器等組成。由于熱釋電元件的內(nèi)阻抗極高，需要場效應管做阻抗變換，制作中把熱釋電元件和場效應管封裝在同一殼體里，為防止可見光對熱釋電元件的干擾，還得在其表面安裝一個濾光片。濾光片的波段范圍應選擇與被測物體的紅外輻射波長一致，例如，作為人體紅外探測，濾光片應選取7.514m波段，因外人體溫度為37時

12、，輻射的紅外線在9.4m處最強。 由于熱釋電元件不像其他光敏元件那樣可連續(xù)接受光照，因為極化電荷在元器件表面停留過久就會與環(huán)境中的電荷中和或者泄露，即表面溫度只有變化過程中才會有信號輸出，但大部分物體的紅外輻射都是恒定的。所以，必須對紅外輻射進行調(diào)制，使恒定的輻射變?yōu)榻蛔冚椛?。設法使紅外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器不斷有信號輸出。為了滿足這一要求，通常在熱釋電傳感器的使用中，總是要在它的前面加裝一個菲涅爾透鏡。 熱釋電紅外傳感器的結構如圖2所示（其中D接正電源，S為輸入，G接地）。其內(nèi)部由敏感元件、場效應管、高阻電阻、濾光片等組成，并向殼內(nèi)沖入氮氣封裝起來。 圖2 內(nèi)部結構 二、熱釋電紅外線

13、傳感器的優(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，流動安裝。價格低廉。缺點：容易受各種熱源、光源干擾。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。3.2菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠。一

14、、菲涅爾透鏡的原理菲涅爾鏡片是根據(jù)法國光物理學家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應角度大，焦距遠；圓環(huán)線刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環(huán)光線越集中而且越強。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應段。垂直感應區(qū)越多垂直感應角度越大；鏡片越長感應段越多水平感應角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形

15、成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約，垂直和水平感應角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。當人進入感應范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。圖4 菲涅爾透鏡的展開圖和安裝位置圖二、菲涅爾透鏡作用作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探

16、測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號圖5 菲涅爾透鏡檢測示意圖不使用菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑不足2m，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達到lOm三、菲涅爾透鏡的主要技術指標外形尺寸，根據(jù)傳感器和探測摘要來設計和生產(chǎn)不同尺寸的透鏡。水平視角和垂直視角，它表明透鏡的可監(jiān)視范圍。焦距，它表明鏡片與傳感器的安裝距離。4、系統(tǒng)硬件模塊設計4.1、單片機最小系統(tǒng) 要使單片機工作起來最基本的電路構成為單片機最小系統(tǒng)如圖4-1所示。 圖4-1信號處理模塊 單片機最小系統(tǒng)包括單片機、復位電路、時鐘電路構成。STC89C52 單片機的工作電

17、壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機外界5V直流電源。連接方式為單片機中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。復位電路就是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機啟動確定單片機起始工作狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。 時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的

18、工作節(jié)奏。時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us。42、按鍵控制電路 本電路的設計就是為了控制電路中布防和緊急狀態(tài)下不同的工作形式，當按下布防按鍵后， 20秒后進入監(jiān)控狀態(tài)，當有人靠近時，熱釋紅外感應到信號，傳回給單片機，單片機馬上進行報警。當遇到特殊緊

19、急情況時，可按下緊急報警鍵，蜂鳴器進行報警。如圖3-8所示。 圖3-8按鍵部分4.3、發(fā)光二極管報警電路的設計由4個發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的RXD的引腳，外接VCC，當單片機的RXD引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點亮，起到報警作用8。圖3.2.5所示為發(fā)光二極管報警電路。圖3.2.5 發(fā)光二極管報警電路圖4.4、蜂鳴器報警電路在單片機的I/O 里會輸出高低電平,在P20、P21和P22分別接上LED指示燈而P23接上蜂鳴器而蜂鳴器外接個8550的三極管起到開關作用，當三極管達到飽和狀態(tài)下就驅(qū)動了蜂鳴器工作了 。圖3-9指示燈和報警電路 5、系統(tǒng)軟件模塊設計5.1程序設計思想首先將子程序進

20、行調(diào)試，將功放，串口，數(shù)碼管顯示，數(shù)據(jù)采集這幾部分進行分別調(diào)試，將這幾部分調(diào)試成功以后，再將這幾部分進行整合，以得到最后的結果。按鍵是否按下？程序框圖：是檢查信號否檢查是否有電平變化？否暫停報警產(chǎn)生500hz和1khz交替變化的一個音頻信號是上位機顯示揚聲器報警數(shù)碼管顯示位置 總框圖1 揚聲器報警模塊框圖25.2程序設計#include /調(diào)用單片機頭文件#define uchar unsigned char /無符號字符型 宏定義變量范圍0255#define uint unsigned int /無符號整型 宏定義變量范圍065535/ 紅外熱釋電傳感器 平時為0 有輸出為1sbit be

21、ep = P25; /蜂鳴器定義sbit red = P01; /紅色發(fā)光二極管定義sbit green = P04; /綠色發(fā)光二極管定義sbit yellow = P07; /黃色發(fā)光二極管定義sbit hw = P00; /紅外熱釋傳感器定義bit flag_500ms = 0;uchar flag_alarm ; /報警標志位uchar flag_bufang ; /布防標志位uchar flag_bufang_en ; /布防標志位使能uint flag_value; /用做定時器的變量/*1ms延時函數(shù)*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0

22、;iq;i+)for(j=0;j120;j+);/*獨立按鍵程序*/uchar key_can; /按鍵值void key() /獨立按鍵程序static uchar key_new;key_can = 20; /按鍵值還原P1 |= 0xff;if(P1 & 0xff) != 0xff)/按鍵按下delay_1ms(1); /按鍵消抖動if(P1 & 0xff) != 0xff) & (key_new = 1)/確認是按鍵按下key_new = 0;switch(P1 & 0xff)case 0xfb: key_can = 1; break; /得到按鍵值 case 0xf7: key_ca

23、n = 2; break; /得到按鍵值 case 0x7f: key_can = 3; break; /得到按鍵值 else /按鍵松開key_new = 1;/*對應不同按鍵處理*/ void key_with()if(key_can = 1) /按鍵緊急報警flag_alarm = 1; /報警標志位 ; if(key_can = 2) /布防按鍵flag_bufang_en = 1;if(key_can = 3) /取消報警 把變量清零flag_alarm = 0; flag_bufang = 0; flag_bufang_en = 0;flag_value = 0;beep = 1;

24、red = 1; /關閉紅燈green = 1; /關閉綠燈yellow = 1; /關閉黃燈 /*定時器0初始化程序*/void time_init() EA = 1; /開總中斷TMOD = 0X01; /定時器0工作方式1ET0 = 1; /開定時器0中斷 TR0 = 1; /允許定時器0定時/*紅外報警處理*/ void hongwai_dis()if(flag_bufang_en = 1) /準備開始布防green = green; /綠燈閃 if(flag_bufang = 1) /確認布防green = 0; /如果延時布防成功 綠燈長亮if(hw = 1) /紅外有輸出flag_alarm = 1;if(