基于热释电红外的安防系统设计

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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。