传感器课程设计红外教案资料.doc
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1、传感器课程设计红外精品文档入侵探测系统设计摘要:随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的提高,人们已经不再仅仅满足对住宅舒适、安逸的追求,对住所安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。本入侵探测系统采用了热释电红外传感器作为数据的采集传感器,采用单片机作为主控核心,由声音和灯光作为报警输出,供电电源采用5V供电。该系统具有成本低、安装简便、系统功耗低、抗干扰能力强和可靠性高等优点,能够达到安全准确的实现预警的效果。关键词:单片机;红外传感器;数据采集;报警电路目录第1章绪论41.1 目的意义41.2 国内外研究现状4第2章 相关技术72.1 红外传感器72.1.1 红外辐射及红外辐射源72.2
2、热释电红外传感器82.2.1 热释电红外传感器原理82.3 单片机92.3.1 单片机简介92.3.2 单片机特点92.4 C语言简介122.4.1 C语言的产生与发展122.4.2 C语言的特点12第3章 方案设计14第4章 硬件设计154.1 单片机最小新系统154.2 人体红外检测传感器电路164.3 红外模块184.4 声光报警模块194.5 电源模块20第5章 软件设计215.1 系统软件设计215.2 中断程序设计225.2.1 中断概念225.2.2 MCS-51的中断系统225.2.2 中断程序编写23第6章 心得体会25参考文献26附件27第1章 绪论1.1 目的意义随着社会
3、经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高,人们对其住宅的要求也越来越高,表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所,而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。相反地,经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应,城乡、区域收入差距进一步拉大,流动人口也开始迅速增加,盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势,人们越来越渴望有一个安全生活的空间,但是犯罪分子的作案手段越来越高明,他们甚至采用一些高科技的作案手段,传统的依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式越来越不能满足人们对安全防范的要求。这时,人们迫切需要一种智能型的家庭防盗报警系统,能可靠的进行日常安全防范工作,及时发现各种险情并通知户主,防范险情于
4、未然,最大限度的保证居民的生命财产安全。于是有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被业界所重视,现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置,但多由于可靠性较差、功能单一或造价高而未得到广泛应用。而随着电子通讯技术的飞速发展,单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和相应传感器来开发一种适合于家庭的低价位、运行可靠的智能型安全防范报警系统安全防范系统,将具有广泛的应用前景。红外线作为一种不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的
5、应用。红外报警器种类繁多、功能各异。其中包括被动式热释电型红外报警器,作为入侵探测系统的传感器。还有红外监控无线报警器,超声波防盗报警器,红外线防盗报警器,高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器, 触摸式防盗报警器,红外报警器, 红外线声光报警器等。通过本入侵探测系统的设计充分的将所学到的理论知识应到了实践当中。1.2 国内外研究现状从上世纪初,报警系统就已经在北美稍具雏形。在北美,报警呼救箱放置在街头巷尾,在呼救时发出声响提示,以寻求附近警察的帮助;同时,这种呼救箱直接连接到附近的警局,使得稍远一些的警察也能够收到呼救信息。随后,由于通信技术的发展,提供远程通信服务的电报公司加入到这个行业中
6、,从而使得报警信息可以通达到更远的地方;不过,这种电报方式毕竟难以普及,所以稍后出现的电话理所当然地成为报警通讯的主要手段。而此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户,更使得通过电话线报警的方式得到了前所未有的发展。从以上过程来看,报警行业的发展是以工业技术发展为基础的,只有具备良好的通信手段,才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门,然后由权威部门负责分配有限的警力来帮助到所有的社会个体。国外智能监控防盗技术发展已处于一个较高水平阶段,从具有代表性的北美发展过程,可以清楚的看出世界智能监控防盗技术的发展概况。其具有以下特点,值得我们借鉴。目前,对北美的安防产业来说,最成功的经营模式就是
7、联网报警服务模式,联网报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并,形成了一个集中许多高科技手段和产业化管理水准的一体化综合性产业。比如世界排名第一,北美最大的安防跨国公司一美国棋诺亚公司,它在世纪年代开始搞简单的防盗报警,其当时的业务范围和技术水平跟中国现在很多安防企业是相当的。到70年代,它对其产业的整体发展方向做了很大的调整,变为联网报警服务商,建立了首家网管中心,尤其是在年代引用了大量的网管技术、系统集成技术和电子技术,现己成为十分先进的联网报警服务平台,它在美国、加拿大、英国、香港、台湾等多个国家和地区都有分公司,北美的客户数己超过600万,2003年防盗报警收入总产值达105亿
8、美元。1979年公安部在石家庄市召开了“全国刑事技术预防专业工作会议”,会议提出要大力开展安全技术防范工作,技防作为公安业务的组成部分就这样正式提出来。其实我国的技防工作早在60年代就开始了,那时候由于形势所迫,博物馆,银行都自发采用各式各样的防范手段,这是我国技术防范工作的初级阶段。当时主要采用的手段是声控报警。罪犯撬玻璃的声音,砸展柜的声音传到了值班室。值班人员判断出罪犯在行窃,及时报告了领导和有关部门,组织保卫人员和警力将罪犯包围后将其擒获。82年公安部和公安部第一研究所,根据当时的防盗报警技术的发展为故宫很多展厅安装了主动红外、被动红外、微波、超声波、声控等防盗探测器,形成了多种探测手
9、段的防盗报警系统,防盗报警技术提高到一个新水平。84年以后安防事业在中国进入了普及与提高阶段,而且发展迅速。相继各个博物馆、银行、商场、超市、居民小区都陆续建立了安全防范系统。进入90年代,人们注意到周界防范的重要性,要利用周边的围墙,铁栅栏等屏障建立周界防范,如果没有条件形成大周界也要建立建筑物的墙体、窗户、门外和建筑物之外。在防护区和禁区内采用3种以上不同探测原理的探测器构筑多道防线,与此同时防遮挡功能的探测器也问世了,促进了入侵探测器技术的发展。目前,全国的安全技术基本上和国际接上了轨。在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下,安防系统也是一个很完善的计算机控制系统,防盗报警
10、系统,电视监控系统,声音系统,门禁系统和巡更系统统一由一台计算机进行管理,标志我国的安防事业进入一个新阶段。随着社会的发展,农村城镇化和人员流动性增大,社会治安状况更趋复杂,因此作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要”。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明显的问题,如:影响楼房美观,市容整洁;影响火灾救援通道;给犯罪分子提供了便利的翻越条件;时间久了会有高空坠物的危险等。所以作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生,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,建设部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、
11、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。数字化、无线化、集成化是防盗报警系统进一步发展的要求,所以我们不难发现防盗报警的技术发展趋势: (1)更稳定可靠:如探测器可抗RFI/EMI(电磁干扰/射频干扰)、防雷电等,以适应恶劣气候;(2)更多样的功能:如探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等; (3)更精美、小巧的外观:以符合品味日益提高的室内装潢需求; (4)更智能化的设计:方便地设/撤防,人性化的操作界面; (5)更强大的联网功能;(6)更方便的扩展性。 上述发展趋势,事实上都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。第2章
12、相关技术2.1 红外传感器2.1.1 红外辐射及红外辐射源(1)红外辐射红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光,由于是位于可见光中红色光意外的光线,故称红外线。它的波长范围大致为0.761000m,红外线在电磁波谱中的位置如图2-1所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分,即近红外、中红外、远红外和极远红外。图2-1 电磁波谱图 红外辐射的物理本质是热辐射,一个炽热物体线外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性,它在真空中也以光速传播,并具有明显的波粒二相性。
13、 红外辐射和所有电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的。大气是红外辐射的主要传播介质,当红外线在大气中传播时,大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带,红外线气体分析仪就是利用该特性工作的,空气中对称的双原子气体,如N 、O 、H 等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是22.6m、35m和814m,统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要,因此红外探测器一般都工作在这三个波段(大气窗口)之内。(2)红外辐射源发射红外电磁波的物体和器件,皆称红外辐射源。它通常分为以下几类: 标准辐射源,包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等,常用于实验室中红外仪器和系
14、统标定; 工业用辐射源,包括碳弧灯、钨灯、电发光辐射器、电加热的杆状和面状辐射器、气体加热辐射器等; 自然红外源,包括太阳、月亮、行星、大气和云层等; 发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器等; 红外装置或系统需要探测的辐射源,包括飞机发动机、机壳或或尾喷管的辐射、弹道火箭、航天飞机、人造地球卫星、机动车辆和人体等。2.2 热释电红外传感器2.2.1 热释电红外传感器原理热释电红外传感器在结构上引入场效应管,其目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用,因而需要用电阻将其转换为电压形式。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测
15、元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元。主要是由一种高热电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,该透镜用透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种
16、具有特殊光学系统的透镜,它和放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出20米范围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理,在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”,以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“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,从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910-um,而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为710-um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外
17、线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。2.3 单片机2.3.1 单片机简介 单片机嵌入式微控制器(Microcontroller Unit),早期也称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、AD转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。用最通俗的语言给出单片机的定义。单片机就是一块集成芯片
18、,但这块集成芯片具有一些特殊的功能,而它的功能的实现要靠我们使用者自己来编程完成。我们编程的目的就是控制这块芯片的各个引脚在不同时间输出不同的电平(高电平或低电平,关于电平在后面会讲到),进而控制与单片机各个引脚相连接的外围电路的电气状态。根据系统的要求以及自己掌握的知识选择了STC89C51作为系统的主控。2.3.2 单片机特点STC89C51的特点:STC89C51是STC公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机,与MCS-51单片机兼容,其功能特点为:4K字节闪烁存储器(FLASH),可进行1000次写、擦除操作。静态操作,外接OHZ-24MHZ晶振。三层程序存储器琐。128字
19、节内部数据存储器(RAM)。32跟可编程输/输出线。两个6位定时/计数器。六个中断源。一个可编程串口。支持低功耗模式和掉电模式。STC89C51引脚排列如图2-2所示,各引脚的功能如下:VCC:供电电压。GND:接地。PO口:PO口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写l时,被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时,PO口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,PO输出原码,此时PO外部必须被拉高。 图2-3 AT89C51引脚排列图P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1/O口,P
20、1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向1/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P
21、2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向1/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口,如下为管脚的备选功能:P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INTO(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 TO(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数
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