基于熱釋電紅外的安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著人們經(jīng)濟(jì)收入的增加，如何有效的保障財(cái)產(chǎn)安全成為一個(gè)十分重要的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前大多數(shù)家庭的安保措施還比較薄弱， 即便是有物業(yè)管理的*園小區(qū)， 也不可避免的存在疏忽和漏洞， 給犯罪分子以可乘之機(jī)；在有的中小型超市和商鋪，由于成本的原因，很多都沒(méi)有任何的防范措施，入室盜竊現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為了保障人們的財(cái)產(chǎn)安全，就必須有成本低、易安裝、性能穩(wěn)定的安保設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　本文將介紹一種利用熱釋電紅外傳感器作為探測(cè)源， 經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后送給CPU 處理， 在異常情況下發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)自動(dòng)封鎖出口的安防設(shè)備。系統(tǒng)有“自動(dòng)”、“商場(chǎng)”、“場(chǎng)館”和“家庭”四種工作模式供用戶選擇。

　　當(dāng)有人進(jìn)入房間時(shí)，傳感器就會(huì)檢測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)， 經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的放大和整形， 送入C P U ，CPU 根據(jù)用戶的設(shè)定工作方式進(jìn)行判斷，決定將啟動(dòng)哪些電路。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)各模塊介紹

　　如圖1 所示， 系統(tǒng)核心控制部分是單片機(jī)， 外圍分別由信號(hào)檢測(cè)部分，手動(dòng)設(shè)定部分（鍵盤）、時(shí)鐘計(jì)時(shí)部分、顯示和聲光報(bào)警部分， 以及出口封鎖部分組成。

　　圖1 系統(tǒng)整體模塊圖

　　2.1.1 單片機(jī)

　　單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種CPU，具有價(jià)格低廉，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)空間。本設(shè)計(jì)使用AT89S52，它負(fù)責(zé)采集來(lái)自檢測(cè)單元的信號(hào)和從時(shí)鐘芯片讀取的時(shí)間，根據(jù)用戶設(shè)定的工作模式，進(jìn)而啟動(dòng)相應(yīng)的聲光報(bào)警電路、出口封鎖電路、計(jì)數(shù)電路和語(yǔ)音播放電路，同時(shí)完成顯示模塊的輸出控制。

　　2.1.2 信號(hào)檢測(cè)部分

　?。?） 核心檢測(cè)器——熱釋電紅外傳感器據(jù)科學(xué)家研究，任何溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體， 總是不斷的向外界輻射紅外線， 輻射能量的大小與物體的溫度和紅外輻射的波長(zhǎng)有關(guān)， 且滿足λ m ×T= μm × K ≈ 3000。應(yīng)用紅外線原理的探測(cè)器一般工作在2 ～2.6 μ m，3～5 μ m，8～14 μ m 三個(gè)波段。

　　目前，紅外探測(cè)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療等科學(xué)領(lǐng)域。

　　本設(shè)計(jì)采用RE200B，工作電壓3-10V，主要檢測(cè)8～14 μ m 的紅外線信號(hào)，輸出1mV，0.1～10Hz（根據(jù)人體移動(dòng)的速度而定）的微弱類正弦波信號(hào)。人體由于體溫的恒定性而輻射1 0 μ m 左右的紅外線， 剛好在檢測(cè)波段的中部區(qū)域，因此靈敏度較高。其內(nèi)部將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，可以抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾。引入的N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管接成共漏形式來(lái)完成阻抗變換， 將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。如圖2 所示。在傳感器前加裝菲涅爾透鏡，當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”， 這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，有效的增大了探測(cè)范圍。

　　圖2 RE200B 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及菲涅爾透鏡示意圖

　?。?） 帶通濾波器

　　由于探測(cè)器輸出的有用信號(hào)集中在0.1～10Hz 范圍內(nèi)， 因此， 需要設(shè)計(jì)濾波器截取該段頻率范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)， 濾除帶外噪聲， 以降低系統(tǒng)的誤報(bào)率。本設(shè)計(jì)中，采用RC 低通濾波器和高通濾波器組成0.16～16Hz的一階帶通濾波器，電路設(shè)計(jì)如圖3。其中，R10 和C3 組成低通濾波器， C 1 和R 1 1 組成高通濾波器。根據(jù)公式12fpRC= 可得帶通濾波器的上下限頻率為fL=0.16Hz，fH=16Hz。

　　圖3 0.16～16Hz 帶通濾波器及差分放大電路

　　（3） 差分放大

　　雖然經(jīng)過(guò)上述帶通濾波器可以抑制帶外噪聲，但傳感器輸出的脈沖信號(hào)只有1mV，在有用信號(hào)（差模信號(hào)）里還不可避免的會(huì)夾雜比有用信號(hào)大得多的共模信號(hào)干擾，將有用信號(hào)淹沒(méi)，若不把這些信號(hào)進(jìn)一步剔除，直接放大后送給單片機(jī)判斷， 則差模信號(hào)被放大的同時(shí)，共模干擾也被同步放大， 無(wú)法加以區(qū)分。因此， 需要先通過(guò)差分電路抑制共模信號(hào)、放大差模信號(hào)，保證后續(xù)電路的正確檢測(cè)。系統(tǒng)采用價(jià)格低廉的LM324 組成，如圖3 虛線框所示。根據(jù)疊加定理不難得到， 當(dāng)R 1= R 5 ，R 2=R 6 時(shí)， 差分放大器的輸出為：

　　上式中，Vo 只與輸入端的信號(hào)差值和R2/R1有關(guān)， 放大倍數(shù)取決于R2/R1的值，在本系統(tǒng)中，第一級(jí)放大20倍。

　　（4） 二級(jí)放大

　　第一級(jí)中主要是抑制共模信號(hào)，因此不可能有很大的放大倍數(shù)， 本系統(tǒng)中， 放大器要完成從1 m V 到4 V 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，需要放大4000 倍。在第一級(jí)中已經(jīng)放大20倍，本級(jí)需要放大200 倍，由R4/R3的值決定。電路如圖4。

　　圖4 二級(jí)放大和阻抗變換電路

　　其中， 第一級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)200 倍放大， 第二級(jí)是電壓跟隨器， 以實(shí)現(xiàn)阻抗變換功能。

　　（5） 門限比較

　　當(dāng)人體從傳感器前走過(guò)時(shí)，會(huì)隨著與傳感器的夾角不同而輸出強(qiáng)弱變化的脈沖信號(hào)， 因而， 需要設(shè)定一個(gè)門限值， 當(dāng)信號(hào)大于門限值時(shí)， 輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。系統(tǒng)采用雙門限電路，如圖5 所示。上下門限分別設(shè)置為3.75V 和1.25V。兩個(gè)二極管可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

　　圖5 門限比較器

　　2.1.3 時(shí)鐘和鍵盤部分

　　本設(shè)計(jì)采用美國(guó)D A L L A S 公司的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302 提供當(dāng)前時(shí)間，它可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，有主/ 備兩路電源供電， 可以實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)不丟失， 它與單片機(jī)之間采用SPI 總線連接。

　　當(dāng)用戶選擇工作模式后， 系統(tǒng)在時(shí)鐘芯片的協(xié)助下， 完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警功能。

　　2.1.4 顯示和報(bào)警部分

　　顯示電路有兩個(gè)功能：當(dāng)應(yīng)用于“場(chǎng)館”工作模式時(shí)，顯示場(chǎng)館內(nèi)人員總數(shù)；當(dāng)工作于其他模式時(shí)，顯示當(dāng)前時(shí)間， 以判斷是否到達(dá)下班時(shí)間， 并決定是否啟動(dòng)防盜報(bào)警裝置。本設(shè)計(jì)采用LED 顯示數(shù)字直觀醒目，它與單片機(jī)之間通過(guò)驅(qū)動(dòng)器74LS245 實(shí)現(xiàn)通信。

　　報(bào)警電路也有兩個(gè)功能：當(dāng)工作于“商場(chǎng)”模式，且是營(yíng)業(yè)時(shí)間時(shí)，播放“您好，歡迎光臨！”；當(dāng)工作在“家庭”模式或者其他模式下時(shí)間到達(dá)用戶設(shè)定時(shí)間時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警， 并通過(guò)特殊發(fā)光二極管發(fā)出閃爍信號(hào)， 以警示犯罪分子、提醒主人。本設(shè)計(jì)采用ISD4004 語(yǔ)音芯片和功放電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2.1.5 出口封鎖部分

　　經(jīng)過(guò)上述分析， 當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)， 若僅發(fā)出聲光報(bào)警，一旦主人不在家，并不能保證財(cái)產(chǎn)的安全，需要同時(shí)采用措施防止犯罪分子逃脫。本設(shè)計(jì)中附加了出口封鎖裝置， 由光耦TLP521、繼電器組和電磁鐵裝置組成。一旦單片機(jī)接收到異常信號(hào)，就通過(guò)光耦向繼電器組發(fā)出命令， 繼電器組導(dǎo)通打開(kāi)電磁鐵裝置， 將各個(gè)出口封鎖。

　　2.2 系統(tǒng)各種模式詳細(xì)介紹

　　1）“商場(chǎng)”工作模式。如果在營(yíng)業(yè)時(shí)間內(nèi)， 則播放“您好，歡迎光臨”；若不在營(yíng)業(yè)時(shí)間段內(nèi)，則啟動(dòng)聲光報(bào)警和出口封鎖電路， 防止盜竊現(xiàn)象的發(fā)生。

　　2）“場(chǎng)館”工作模式。如果在上班時(shí)間，則統(tǒng)計(jì)進(jìn)出人數(shù)目并顯示， 若超過(guò)設(shè)定的人數(shù)上限， 則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；若不在上班時(shí)間，則發(fā)出防盜報(bào)警信號(hào)，同時(shí)鎖定出口。

　　3）“家庭”工作模式。該模式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)方式即為當(dāng)用戶出門時(shí)， 按下啟動(dòng)按鈕， 則啟動(dòng)防盜報(bào)警模式， 在停止按鈕按下之前， 任何人進(jìn)入都將啟動(dòng)防盜報(bào)警；自動(dòng)模式即為單片機(jī)根據(jù)從時(shí)間芯片讀取的時(shí)間判斷， 在特定時(shí)間段啟動(dòng)防盜報(bào)警， 其他時(shí)間段停止報(bào)警， 時(shí)間段可以自行設(shè)定。

　　4）“自動(dòng)”模式與“家庭”模式中的自動(dòng)方式相同