基于红外感应技术的报警耳机设计(毕业论文)(可编辑) .doc
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1、基于红外感应技术的报警耳机设计(毕业论文) 基于红外感应技术的报警耳机设计 内容提要: 随着社会的发展,科学技术的进步和安全防范意识的增强,人们越来越注重自身所处的环境是否安全。特别是工厂生产中,安全是重中之重,对于危险的防范是保证安全生产的关键。该报警器能探测人体发出的红外线,当人进入报警器的工作区域内,即可传到指令到工人携带的耳机,从而发出报警声,适用于工厂、仓库、实验室等比较重要场合。整个系统由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。基本原理为热释电效应原理和被动式热释电传感器防盗报警工作原理。 关键词:红外感应 报警 热释电效应 单片机 菲涅尔透镜 安全生
2、产目录第一章 绪 论31.1设计概述31.2设计背景31.3设计要求31.4设计意义3第二章 系统方案设计与研究42.1方案设计42.2方案选定4第三章 课题理论基础53.1 热释电效应原理53.2 被动式热释电传感器防盗报警工作原理53.3 被动式红外报警器组成结构53.4 DYP-ME003人体感应传感器6第四章 硬件设计84.1 单片机电路84.2 红外热释电报警传感器电路94.3 温湿度传感器器及检测电路104.4 DS1302 实时时钟电路114.5 LCD 显示电路114.6 EEPROM 存储器电路124.7键盘电路124.8供电及程序下载电路13第五章 软件软件流程图14第六章
3、 下载与调试146.1 USB转串口驱动安装146.2 下载程序15第七章红外报警监控系统安装运行15参考文献:17附录:18第一章 绪论1.1设计概述 该报警器能探测人体发出的红外线,当人进入报警器的区域内,即可发出报警声,适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。 由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时,由IC1的脚输出微弱的电信号,经三极管VT1等组成第一级放大电路放大,再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大,此时由IC2脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器,它的
4、第脚由R10、VD1提供基准电压,当IC2脚输出的信号电压到达IC3的脚时,两个输入端的电压进行比较,此时IC3的脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路,R14和C6组成延时电路,其时间约为1分钟。当IC3的脚变为低电平时,C6通过VD2放电,此时IC4的脚变为低电平,它与IC4的脚基准电压进行比较,当它低于其基准电压时,IC4的脚变为高电平,VT2导通,讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后,IC3的脚又恢复高电平输出,此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变,故通过R14向C6缓慢充电,当C6两端的电压高于其基准电压时,IC4的脚才变为低电平,时间约为1分钟,即持续1
5、分钟报警。 。1.2设计背景随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在工厂生产方面客。这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件?热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。1.3设计要求熟悉电路的工作原理。掌握该电路中元器件的识别方法。掌握电路的调试方法。熟悉电路简单的故障分析方法。论文符合其格式、字数的基本要求,内容要求充实、作图严谨规范等。详细说明设计方案,并计算元件参数。1.
6、4设计意义掌握红外探测防盗器的原理及设计制作与仿真调试,熟悉实用电路设计的一般过程。训练及提高学生综合运用所学知识进行电路设计的原理仿真能力。加强对一些无人场所的危险报警,以及对一些危险地带生命迹象的探测。第二章 系统方案设计与研究2.1方案设计方案一:基于单片机的红外感应报警器。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为:热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。基于单片机的红外感应报警器特点是用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。方案二:利用模拟电子电路构成被动红外线感应报警器。系统主要有红外线传感器、信号
7、放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。被动红外线感应报警器的红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。方案三:利用模拟电子电路构成主动红外入侵报警器。主要由发射机和接收机组成,发射机是由电源、发光源和光学系统组成。接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是当有人入侵该警戒线时,红外光束被遮挡,接收机收到的红外信号发生变化,提取这一变化,经放大和适当处理,控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。一般
8、应用在周界防范居多,最大的优点就是防范距离远。2.2方案选定通过比较由于方案一单片机芯片相对于模拟电子器件而言成本较为昂贵,并且单片机的软件编程对于时间的处理不够准确;方案三的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案二较为复杂。综上所述选择方案二:由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。主要由电路由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、音响报警延时和12V电源电路组成。组成框图如下: 图2-1 人体红外线感应报警器组成框图第三章 课题理论基础3.1 热释电效应原理热释电传感器是一种将热量变化转换为电量变化的能量转换器件。因红外线具有很强的热效应,当交互变化的红外线照射到晶体表面时
9、,晶体温度迅速变化,这是会发生电荷的变化,从而形成一个明显的外电场,这种现象称为热释电效应。热释电红外传感器内部的热释电晶体的极化,随着温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器探头上时,热释电晶体温度不变,晶体对外呈电中性,探测器没有电信号输出,因而恒定的红外辐射不能被检测到。另外热释电晶体输出的是电信号,不能直接使用,需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104M欧,故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外线元件是一种典型的热量传感器,常用红外光发射能量作为整个防盗报警装置中检测入侵者及其活动的手段。3.2 被动式热释电传感器防盗报警工作原理热释电人体红外线
10、传感器是上世纪80年代末出现的一种新感传感器件,现在电子防盗报警设备研制中已得到广泛的应用。通常我们采用的热释电传感器防盗报警电路,是利用该电路检测到有人进入防范区时通过能量变化导致产生电信号,最终电声报警。其工作原理如下:一般人体体温是37,所以会发出波长10um左右的红外线,被动式红外传感器探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到红外感应源上,红外感应源通常采用热释电元件,这种元件接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,经后续电路检测处理后就能产生报警信号了。在红外探头中有两个关键性的器件,一
11、个是热释电红外传感器,它能将波长为812um之间的红外信号的变化转变为电信号,并对自然界中的可见光信号具有抑制作用,因此在红外探测器的有效警戒区内,当无人体移动时,热释电红外感应器应到的只是背景温度,没有信号变化,所以不能产生电信号,也不会报警;当人体进入警戒区,通过菲涅耳透镜,热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号,此时产生电信号,从而报警。另外一个器件就是菲涅耳透镜,它具有聚焦?即将热释电的红外信号反射在红外传感器上的作用,还能将警戒区内分为若干个明区和暗区,使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号,这样热释电红外传感器产生变化的电信
12、号,后续电路经检测处理后产生报警信号。3.3 被动式红外报警器组成结构被动式红外报警器主要有菲涅耳光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大电路、信号处理和报警电路等几部分组成。(如图1所示)图1 被动式红外报警器组成框图 菲涅耳透镜一般采用聚乙烯塑料片制成,颜色为乳白色或黑色,呈半透明状,但对波长为10Lm左右的红外线来说却是透明的。菲涅耳透镜的焦点一般为5厘米左右,除有聚焦作用还可以形成可见区和盲区,实际应用时一般把菲涅耳透镜固定在传感器正前方1-5厘米的地方。当物体射出的红外线通过菲涅耳透镜后,传到热释电红外探测器,这时热释电红外探测器将输出脉冲信号,脉冲信号经放大和滤波后,由电压比较器
13、将其与基准值进行比较,当输出信号达到一定值时,报警电路发出警报。 被动式热释电红外探头的优点是本身不发生各种类型的辐射,器件的功耗小,隐蔽性好、价格低。缺点是具有容易受各种热源、光源及射频辐射的干扰;被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收;当环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度下降,有时还会短时失灵。 目前市场上经常采用P288型热释电红外传感器作为敏感元件,能以非接触方式检测出人体辐射的红外能量,并将其转化为电信号输出。该传感器外接12V电源,内部装有菲涅耳透镜,检测区域为球形,有效警戒距离为12-15M,方向角为85都。当红外警戒区内无移动物体时,传感器无输出信号,报
14、警电路不工作;当有人闯入警戒区时,只要人体移动,其辐射出的红外线便会被热释电红外传感器所接收,并输出微弱的电信号。该信号经运算放大器A1和A2放大后,会输出一个较强的电信号。再输送给由A3和A4组成的双限电压比较器。具体电路如图2所示: 图2热释电传感器检测电路3.4 DYP-ME003人体感应传感器 图2所示电路比较繁琐,调试难度较大。目前市场上有集成红外人体感应传感器,将热释电传感器、菲涅耳透镜和调理电路集成在一个模块上,可以实现5V电压供电,性能稳定,使用方便。DYP-ME003人体感应传感器就是这样一款基于红外线技术的自动控制产品,灵敏度高,可靠性强,超低电压工作模式,广泛应用于各类自
15、动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品中。其功能特点: 全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平。 光敏控制:可设置光敏控制,白天或光线强时不感应。 温度补偿:在夏天当环境温度升高至30-32,探测距离稍变短,温度补偿可作一定的性能补偿。 两种接触方式:a.不可重复触发方式:即感应输出高电平后,延时时间段一结束,输出将自动从高电平变为低电平;b.可重复触发方式:即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间
16、段, 并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点。 具有感应封锁时间默认设置:2.5S封锁时间:感应模块在每一次感应输出后(高电平变成低电平) ,可以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信号。 工作电压范围宽:默认工作电压DC4.5V-20V。 微功耗:静态电流50微安,特别适合干电池供电的自动控制产品。 输出高电平信号:可方便与各类电路实现对接。 DYP-ME003人体感应传感器的感应范围如图3 所示: 图 3 DYP-ME003人体感应传感器的感应范围 DYP-ME003人体感应传感器的电气参数如表1所示: 表 1 DYP-ME003人体感应传感器的电气参数电气参数D
17、YP-ME003 人体感应模块工作电压范围DC 4.5-20V静态电流50uA电平输出高 3.3 V /低 0V触发方式L 不可重复触发/H重复触发延时时间5-200S可调可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间2.5S默认可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸32mm*24mm感应角度100 度锥角感应距离7 米以内工作温度-15-+70 度感应透镜尺寸直径:23mm第四章 硬件设计 本研究设计的温湿度控制器框图如图5所示。 图 5红外报警监控系统方框图 图中STC89C52单片机随时监控DYP-ME003红外人体传感器送来的报警信。当报警功能打开并且传感器检测到有人侵入时,单片机通过声(蜂鸣
18、器)光(LED发光管)报警,同时将入侵时间记录在外部存储芯片 AT24C04中。系统还可以即时显示当前环境温湿度值。单片机每 2 秒钟从DHT11温湿度感器中读入温度和湿度,在液晶屏上即时显示。系统通过 DS1302 时钟电路获得并显示当前时间。该时间初始值可以通过设置键、上调键和下调键设定,由于具有后备电池,主控系统断电后时钟仍然继续运行。系统通过四键键盘切换开、关报警状态,设定时钟初始值,查询报警时间等。系统各单元电路介绍如下: 4.1 单片机电路 本设计选用宏晶公司高性能单片机STC89C52采用主控芯片,其管脚如图6所示。 图6 STC89C52管脚 该芯片为52内核8位单片机,兼容I
19、ntel等52内核单片机,支持ISP下载,适用于常用检测控制电路。由 STC89C52 组成的单片机系统原理图如图7所示。 图7单片机系统电路 图中ALERT引脚输入DYP-ME003红外人体传感器信号,该信号为高电平时有人入侵,为低电平时表示没有检测到人。DATA 引脚为温湿度传感器单总线引脚。2402_SCL和2402_SDA为外存芯片AT24C04通信引脚,该芯片为IIC接口芯片,通过时钟线和数据线二线接口通信。K1、K2、K3、K4为四只按键,分别为设置键、上调键、下调键和查询键。L2为报警LED发光管。P0.0?P0.7为LCD数据线,P2.5?P2.7为LCD 控制线。系统采用11
20、.0572MHz外部晶振电路。4.2 红外热释电报警传感器电路 图8 DYP-ME003红外人体传感器电路 传感器使用DYP-ME003红外人体传感器,图中 ALERT 引脚输出信号,该信号为高电平时有人入侵,为低电平时表示无人入侵。R17电阻为下拉电阻,防止管脚误报。4.3 温湿度传感器器及检测电路 图9 DHT11温湿度传感器外型及管脚 DHT11温湿度传感器外型及管脚如图9所示。其中电源引脚的供电电压为3.5?5.5V。传感器上电后,要等待1s以越过不稳定状态在此期间不要发送任何指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容,用以去耦滤波。DHT11典型应用电路如图9所示
21、,其连接电路简单,只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接。建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。 图10 DHT11 典型应用电路 DHT11数字湿温度传感器采用单总线数据格式,即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte(40Bit)组成。一次通讯时间最大3ms,数据分小数部分和整数部分。一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式如表2: 表2 DHT11数据格式湿度温度校验整数小数整数小数8Bit8Bit8Bit8Bit8Bit4.4 DS1302实时时钟电路 DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片
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