传感器原理与应用课程设计报告基于热释电传感器的防盗系统.doc

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1、传感器原理与应用课程设计报告题目： 基于热释电传感器的防盗系统 专 业： 电子信息科学与技术 2011年7月3日 前言2一、系统概述21.1 系统的组成2 1.2 系统的处理方法及工作原理3二、红外探测器42.1 热释电传感器52.1.1敏感元件52.1.2滤光片62.1.3场效应管和高阻值Rg62.1.4菲涅尔透镜7三、系统的硬件电路设计83.1 信号检测放大电路83.2 A/D转换模块93.2.1 MAX19793.2.2内部采样模式的数据转换时序123.2.3 MAX197与单片机硬件接口设计12四、G18 GSM通讯模块134.1 G18的简介134.2 G18与89C52的接口电路设

2、计144.3 89C52控制G18收发短信息的软件流程15五、 小结17前言随着社会的发展，农村城镇化和人员流动性增大，社会治安善更趋复杂，因此作为社会的基本单元家庭的防范问题就显得变尤其重要。传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些隐患，正如国务院下达的关于住宅小区禁止安装防盗的建议中指出，防盗网带来的问题：（1） 影响楼房美观，市容整洁；（2）影响火灾救援通道；（3）给犯罪分子提供便利的翻越条件；（4）时间久了会有高空坠物的危险；（5）压抑人性自由。所以作为高科技的家居安全防盗报警系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设都

3、特别制定了智能小区的等级标准，按照 其要求智能小区中必须具有安全防范信息管理、物业管理和信息网络等系统。因此小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中了。一、系统概述家居安全报警系统一般通过有线网络传输和无线公用网络传输两种传输方式。通过铺设专用线路网络来构成报警信息的传输，其优点是系统专用化，信息传输不受外界因素的干扰，做到专线专用。缺点是铺设镉工程量大，前期投资高，扩容困难，不适用单家独户，必须由社区或公安部门的接警中心来控制，传输线路易遭到破坏。所以此种系统只适合工程安装，不适用终端时常推广。无线网络传输是用电波发射的办法来传输信息，具有较强的抗破坏性，传输速度快的优点，肯不

4、影响住户原有的装饰美观。特别利用公共网络（如电话网、宽带网）进行信息传输有其十分优越的条件：（1）借助电信网络可实现零投入；（2）可联网也可单独使用，这是有线网络传输无法比拟的。当然这种方法也有缺陷，如用电池供电可能产生误报，易受环境局限影响传输效果，电话线被剪无法传输等，但这些缺陷通过技术处理还是可以解决的。1.1 系统的组成通过上述的描述，综合考虑报警系统的及时性和可靠性，本系统采用热释电红外传感器来设计信号收集模块，将收集到的模拟信号进行整形放大，再经过MAX197模/数转换模块转换成数字信号，进入单片机处理，通过G18无线通信模块实现给公安部门和用户通信报警，基本的系统框图如图1-1所

5、示。信 号 采 集 模 块信 号 处 理 部 分用 户/公安部门GSM网络图1-1 系统的结构框图1.2 系统的处理方法及工作原理本系统采用热释电红外传感器进行收集信号，为了收集的信号准确无误，设计了多路信号采用的模式。在采集信号时，用三个热释电探测器并列，当探测器同时检测出两个及两个以上的信号时，才向处理模块发送信号，进行信号处理，这样提高了信号采集的准确度。在信号处理部分，以STC89C52单片机作为处理芯片，以串口的方式作为通信的方式，向GSM通信模块发送控制指令。GSM通信模块采用G18 GSM短信模块，它是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM短信模块，支持数据、语音、短消息

6、和传真。使用AT命令控制GSM模块，以电话、短信等方式向用户或者公安部门报警。本系统的最小系统如图1-2所示。图1-2 最小系统二、红外探测器红外辐射技术在最近40多年中已经发展成为一门新兴技术科学。培训的广泛的领域中，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术、空间科学等的敏感部件。红外辐射就是指辐射波长为1.01000um的红外光。红外光是太阳光谱的一部分。红外光的最大特点就是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光处在光谱中可见光之外，它是一种不可见光。红外光与所

7、有电磁波一样，具有反射、折射、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3.810m/s。红外光在介质中传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。缸体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。根据研究分析证明，对于波长为15um,814um区域的红外光具有比较大的“透明度”，即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。2.1 热释电红外传感器热释电红外（PIR）传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号

8、输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、感应水龙头、感应灯等。目前常用的热释电红外传感器型号有 LH1778、LH1954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。热释电红外传感器通常3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。.1.敏感元件热释红外传感器由探测元、滤光片和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图2-1所示。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所有同。如SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTa03

9、制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。图2-1双探测元热释电红外传感器当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。当人体在传感器的检测区域内移动

10、时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。2.1.2 滤光片滤光片是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.014um波长以外的红外线。人体的正常体温为3637.5，即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光片能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。所以，热释电人体红外传感器只对人体

11、和近似人体体温的动物有敏感作用。2.1.3 场效应管和高阻值电阻Rg热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于探测元输出的是电荷信号，不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光，两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低(一般为0.110Hz)，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为515um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。2.1.4菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fr

12、esnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大厚度薄及侦测距离远。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入

13、探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信。热释电红外传感器的主要工作参数有: 工作电压:常用的热释电红外传感器工作电压范围为315V; 工作波长:通常为7.514 m; 源极电压:通常为0.41.1V，R=47k; 输出信号电压:通常2.0V3.0V; 检测距离:常用热释电红外传感器检测距离约为610m； 水平角度:约为120； 工作温度范围:1040。综合价格和性能的考虑，本设计采用RE200B。三、系统的硬件电路设计3.1 信号检测放大电路单片机是一种数字器件，它的输入就应该是数字信号且电平为TTL电平，使用RE200B作为检测电路的传感器，必须经过信号的放大处理。

14、差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。所以本设计采用差分放大电路来对采集的信号进行放大处理。其电路图如图3-1所示。图3-1 差分对放大电路采集到的信号由Input端输入，经过放大电路后，从Output端输出，输出的幅值电压在3.923V4.56V之间。3.2 A/D转换模块3.2.1 MAX197的资料简介在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短(6

15、ms)，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。MAX197是MAXIM公司的产品,它是可程控多量程8通道12位多路复用A/ D转换集成电路,具有5MHz的跟踪/保持带宽、 100kS/ s 的采样速率、可编程控制的内/外部时钟与采样模式、 8 + 4位并行接口、三种电源关闭模式(包括一种硬触发关闭和两种可编程式软关闭)。MAX197用标准微处理器接口,通过读写三态数据 I/ O端口可以控制对数据总线的访问与释放。表1MAX197引脚功能引脚名字功能1CLK时钟输入。在内部时钟模式下,从该引脚接一100pF的电容可获得1. 56M

16、Hz内部时钟2CS片选,低电平有效3WR当CS为低电平时,在内部时钟模式下,WR的上升沿将锁存设置并开始一个自动采集和转换周期,在外部时钟模式下,WR处的第一个上升沿开始采集,第二个上升沿结束采集并进入转换周期4RD当CS低电平时,RD 上的下降沿使数据处于数据总线上可被读取5HBEN用于12 位转换结果的多路复用。当 HBEN为低电平时可读取结果的高 4 位,当为高电平时,可读取结果的低8位6SHDN设置电源关闭模式7D0三态数字 I/ O端口8D1三态数字 I/ O端口9D2三态数字 I/ O端口10D3三态数字 I/ O端口11D4三态数字 I/ O端口12D5三态数字 I/ O端口13

17、D6三态数字 I/ O端口14D7三态数字 I/ O端口15AGND模拟信号地16CH0模拟信号输入通道17CH1模拟信号输入通道18CH2模拟信号输入通道19CH3模拟信号输入通道20CH4模拟信号输入通道21CH5模拟信号输入通道22CH6模拟信号输入通道23CH7模拟信号输入通道24INT当转换结束且数据可被访问时为低电平25REFADJ带宽基准电压调整引脚。当 REF 引脚使用外部基准电压时直接接 VDD , 否则旁路一0. 01 F的电容26REF基准缓存输出和缓存输入引脚。在用内部基准电压时,基准缓存输出一4. 096V的名义电压,并可通过 REFADJ 引脚调整。在用外部基准电压

18、时,则通过 REFADJ 直接接VDD使基准缓存无效27VDD+ 5V电源28DGND数字信号地MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式(D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始/转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间

19、。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。3.2.2 内部采样模式的数据转换时序对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行采样和转换。图1即为内部采样模式的数据转换时序图。图中HBEN为12位数据高4位或低8位有效控制位，当此位为高时，高4位数据有效，为低时低8位数据有效。可以通过控制这个引脚来读取12位的转换结果。3.2.3 MAX197与单片机硬件接口设

20、计MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89C52单片机作为主处理器。通过AT89C52的P0.0P0.2与MAX197的D0D2相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。 用AT89C52单片机的P2.7作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以REFDJ接高电平，而REF则接外部输入参考电压。AT89C52单片机的P1.1脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89C52的INT0相连,以便实现中

21、断，读取转换结果。在电路中，AGND和DGND应相互独立，各种电源与模拟地之间都用0.1mF电容来消除电源的纹波。MAX197的硬件电路设计如图3-2-3所示。图3-2-3 MAX197的硬件电路四、 G18 GSM通讯模块4.1 G18 的简介GSM全球移动通信系统是我国覆盖面最广、功能最强、用户最多的数字蜂窝移动通信网，随着GSM移动通信网络的迅速发展和用户的是益扩大，短消息业务作为GSM网络的一种基本业务，已得到十务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来，GSM短消息作为通信方式，具有通讯成本低、不受通信线路及地区限制、保密性高、可靠性高、搞

22、干扰能力强等特点，利用GSM短消息进行远程无线通信，可以实现对各种物理参数的远程红外线监控。本设计的通讯模块选用Motorola公司推出的无线通信GSM模块G18。G18模块的工作电压为3.56V，可以工作在900MHz、1800MHz、1900MHz三个频段。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。通过28引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据及控制信号的双向传输，通过ZIF连接器及50欧天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线，G18的封装及ZIF连接器的引脚定义如图4-1所示。图4-1 G18的封装及ZIF连接器的引脚定义G18模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块

23、、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器及天线接口六部分组成。作为G18的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。4.2 18与89C82的接口电路G18模块在单片机的控制下可以收发短消息。G18共有28个引脚，通过ZIF连接器与单片机89C52连接，如图所示。图 G18与89C52的连接图G18模块通过ZIF连接器可以直接与89C52的串口相连，89C52通过串口控制G18模块收发信息，二者采用异步通信，通信波特率可设置为9600bps。4.3 89C52控制G18收发短信息的软件流程G18支持GSM07.05和SM07.07规定的AT

24、指令集，该指令集是ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对SMS的控制。利用单片机向G18发一系列的AT命令，就能达到控制G18收发SMS的目的。单片机从G18接收短信息，实质上就是从SIM卡中读出信息，这主要利用AT+CMGL=4来完成，其软件流程见图4-3。 开始发送AT+CSQ命令否信号强度够吗 是 发送AT+CMGL=4命令 否信号强度够吗是 结束图4-3 软件流程图单片机控制G18收发SMS之前，要先测试G18的信号强度，这可以用AT+CSQ命令来实现，如果AT+CSQ命令来实现，如AT+CSQ命令的回复为+CSQ：031，099 OK，则说明G18的信号强度够，可以发送A

25、T+CMGL=4命令以读取SMS，如果逗号前的数小于，则说明G18的信号强度不够，不能获取短信中心的短信息。五、小结红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。为了对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。红外探测器是通过其热释电元产生释电效应使输出电压发生变化的器件，一旦有人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜而聚焦，从而被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，

26、不能抵消，经信号处理而报警。由于内部器件的噪声等干扰，致使系统的检测能力下降，如探测器被遮挡。体温与环境温度相差不大的情况也会影响检测能力的降低。探测器在日常工作中，不可避免地积淀一些粉尘、油污，这些东西会阻碍红外射线的接收，造成无法接收信号或者会造成误报情况。所以要经常清洗探测器的外壳。本系统通过红外传感器收集信号，经过放大处理，转换成TTL电平输入单片机，由单片机加工处理，向TC35 GSM模块发送报警命令，从而达到即时报警的效果。由于我对单片机处理模块和TC35 GSM模块不熟悉，没有对整个系统进行合理的整合，致使整个系统有很多不足之处。在做这个课程设计的过程当中，我了解了真正的传感器应用并不是只对传感器本身进行熟悉，要能够用上它，必须对它所采集到的信号进行加工处理。非常感谢老师和同学在我做设计的过程中给予我很多的帮助，在以后学习的过程中，我会再接再厉，将课程设计完成到更好。