基于热释电红外的安防系统设计

2013-09-10 16:35:24来源: 互联网

引言

  随着人们经济收入的增加,如何有效的保障财产安全成为一个十分重要的问题。据统计,目前大多数家庭的安保措施还比较薄弱, 即便是有物业管理的*园小区, 也不可避免的存在疏忽和漏洞, 给犯罪分子以可乘之机;在有的中小型超市和商铺,由于成本的原因,很多都没有任何的防范措施,入室盗窃现象时有发生。为了保障人们的财产安全,就必须有成本低、易安装、性能稳定的安保设备来实现。

  本文将介绍一种利用热释电红外传感器作为探测源, 经过信号调理后送给CPU 处理, 在异常情况下发出声光报警信号,同时自动封锁出口的安防设备。系统有“自动”、“商场”、“场馆”和“家庭”四种工作模式供用户选择。

  当有人进入房间时,传感器就会检测到人体辐射的红外线信号, 经过调理电路的放大和整形, 送入C P U ,CPU 根据用户的设定工作方式进行判断,决定将启动哪些电路。

  2 系统设计

  2.1 系统各模块介绍

  如图1 所示, 系统核心控制部分是单片机, 外围分别由信号检测部分,手动设定部分(键盘)、时钟计时部分、显示和声光报警部分, 以及出口封锁部分组成。

  系统整体模块图

  图1 系统整体模块图

  2.1.1 单片机

  单片机作为控制系统中经常使用的一种CPU,具有价格低廉,编程简单,运行稳定等特点,因而具有广阔的市场空间。本设计使用AT89S52,它负责采集来自检测单元的信号和从时钟芯片读取的时间,根据用户设定的工作模式,进而启动相应的声光报警电路、出口封锁电路、计数电路和语音播放电路,同时完成显示模块的输出控制。

  2.1.2 信号检测部分

  (1) 核心检测器——热释电红外传感器据科学家研究,任何温度高于绝对零度(-273℃)的物体, 总是不断的向外界辐射红外线, 辐射能量的大小与物体的温度和红外辐射的波长有关, 且满足λ m ×T= μm × K ≈ 3000。应用红外线原理的探测器一般工作在2 ~2.6 μ m,3~5 μ m,8~14 μ m 三个波段。

  目前,红外探测越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗等科学领域。

  本设计采用RE200B,工作电压3-10V,主要检测8~14 μ m 的红外线信号,输出1mV,0.1~10Hz(根据人体移动的速度而定)的微弱类正弦波信号。人体由于体温的恒定性而辐射1 0 μ m 左右的红外线, 刚好在检测波段的中部区域,因此灵敏度较高。其内部将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,可以抑制因自身温度变化而产生的干扰。引入的N 沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换, 将电荷信号转为电压信号。如图2 所示。在传感器前加装菲涅尔透镜,当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就交替从“盲区”进入“高灵敏区”, 这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,有效的增大了探测范围。

  

  图2 RE200B 内部结构及菲涅尔透镜示意图

  (2) 带通滤波器

  由于探测器输出的有用信号集中在0.1~10Hz 范围内, 因此, 需要设计滤波器截取该段频率范围内的脉冲信号, 滤除带外噪声, 以降低系统的误报率。本设计中,采用RC 低通滤波器和高通滤波器组成0.16~16Hz的一阶带通滤波器,电路设计如图3。其中,R10 和C3 组成低通滤波器, C 1 和R 1 1 组成高通滤波器。根据公式12fpRC= 可得带通滤波器的上下限频率为fL=0.16Hz,fH=16Hz。

  

  图3 0.16~16Hz 带通滤波器及差分放大电路

  (3) 差分放大

  虽然经过上述带通滤波器可以抑制带外噪声,但传感器输出的脉冲信号只有1mV,在有用信号(差模信号)里还不可避免的会夹杂比有用信号大得多的共模信号干扰,将有用信号淹没,若不把这些信号进一步剔除,直接放大后送给单片机判断, 则差模信号被放大的同时,共模干扰也被同步放大, 无法加以区分。因此, 需要先通过差分电路抑制共模信号、放大差模信号,保证后续电路的正确检测。系统采用价格低廉的LM324 组成,如图3 虚线框所示。根据叠加定理不难得到, 当R 1= R 5 ,R 2=R 6 时, 差分放大器的输出为:

  

  上式中,Vo 只与输入端的信号差值和R2/R1有关, 放大倍数取决于R2/R1的值,在本系统中,第一级放大20倍。

  (4) 二级放大

  第一级中主要是抑制共模信号,因此不可能有很大的放大倍数, 本系统中, 放大器要完成从1 m V 到4 V 信号的转换,需要放大4000 倍。在第一级中已经放大20倍,本级需要放大200 倍,由R4/R3的值决定。电路如图4。

  二级放大和阻抗变换电路

  图4 二级放大和阻抗变换电路

  其中, 第一级运放实现200 倍放大, 第二级是电压跟随器, 以实现阻抗变换功能。

  (5) 门限比较

  当人体从传感器前走过时,会随着与传感器的夹角不同而输出强弱变化的脉冲信号, 因而, 需要设定一个门限值, 当信号大于门限值时, 输出一个脉冲信号。系统采用双门限电路,如图5 所示。上下门限分别设置为3.75V 和1.25V。两个二极管可以实现稳定的输出。

  门限比较器

  图5 门限比较器

  2.1.3 时钟和键盘部分

  本设计采用美国D A L L A S 公司的低功耗实时时钟芯片DS1302 提供当前时间,它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能,有主/ 备两路电源供电, 可以实现掉电数据不丢失, 它与单片机之间采用SPI 总线连接。

  当用户选择工作模式后, 系统在时钟芯片的协助下, 完成实时监控和报警功能。

  2.1.4 显示和报警部分

  显示电路有两个功能:当应用于“场馆”工作模式时,显示场馆内人员总数;当工作于其他模式时,显示当前时间, 以判断是否到达下班时间, 并决定是否启动防盗报警装置。本设计采用LED 显示数字直观醒目,它与单片机之间通过驱动器74LS245 实现通信。

  报警电路也有两个功能:当工作于“商场”模式,且是营业时间时,播放“您好,欢迎光临!”;当工作在“家庭”模式或者其他模式下时间到达用户设定时间时,发出语音报警, 并通过特殊发光二极管发出闪烁信号, 以警示犯罪分子、提醒主人。本设计采用ISD4004 语音芯片和功放电路来实现。

  2.1.5 出口封锁部分

  经过上述分析, 当出现异常情况时, 若仅发出声光报警,一旦主人不在家,并不能保证财产的安全,需要同时采用措施防止犯罪分子逃脱。本设计中附加了出口封锁装置, 由光耦TLP521、继电器组和电磁铁装置组成。一旦单片机接收到异常信号,就通过光耦向继电器组发出命令, 继电器组导通打开电磁铁装置, 将各个出口封锁。

  2.2 系统各种模式详细介绍

  1)“商场”工作模式。如果在营业时间内, 则播放“您好,欢迎光临”;若不在营业时间段内,则启动声光报警和出口封锁电路, 防止盗窃现象的发生。

  2)“场馆”工作模式。如果在上班时间,则统计进出人数目并显示, 若超过设定的人数上限, 则发出声光报警信号;若不在上班时间,则发出防盗报警信号,同时锁定出口。

  3)“家庭”工作模式。该模式分为手动和自动两种方式。手动方式即为当用户出门时, 按下启动按钮, 则启动防盗报警模式, 在停止按钮按下之前, 任何人进入都将启动防盗报警;自动模式即为单片机根据从时间芯片读取的时间判断, 在特定时间段启动防盗报警, 其他时间段停止报警, 时间段可以自行设定。

  4)“自动”模式与“家庭”模式中的自动方式相同

3 系统软件流程

  3.1 系统主流程

  如图6 所示,系统初始化完毕后,当检测到有人体信号, 单片机根据当前的工作模式和设定的时间段启动相应的电路;如果没有传感器信号输入,则处于等待状态。

  系统主流程图

  图6 系统主流程图

  3.2 DS1302控制流程

  当系统上电后,需要用户设置初始时间,否则时钟芯片不会走时。在正常走时过程中, 用户可以随时修改当前时间, 单片机可以随时从时间芯片中读取时间数据。

  

  图7 DS1302 程序流程图

  4 结束语

  1) 本设计采用51 系列单片机作为CPU,价格低廉,程序编写简单, 运行稳定;

  2) 用热释电红外传感器RE200B 代替普通的光电传感器,只对人体反应灵敏,探测精度高,误报率低;

  3) 用键盘和时钟芯片实现人机交互,供用户灵活选择,应用范围广泛;

  4) 本设计在报警的基础上,增加了异常情况下封锁出口的功能, 更加有效的保障用户的财产安全;

  5) 样机试运行状态稳定,针对特定用户,加以改进后可考虑量产。

关键字:热释电红外  安防系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0910/article_19236.html
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