引言
隨著人們經濟收入的增加，如何有效的保障財產安全成為一個十分重要的問題。據統計，目前大多數家庭的安保措施還比較薄弱， 即便是有物業(yè)管理的*園小區(qū)， 也不可避免的存在疏忽和漏洞， 給犯罪分子以可乘之機；在有的中小型超市和商鋪，由于成本的原因，很多都沒有任何的防范措施，入室盜竊現象時有發(fā)生。為了保障人們的財產安全，就必須有成本低、易安裝、性能穩(wěn)定的安保設備來實現。
本文將介紹一種利用熱釋電紅外傳感器作為探測源， 經過信號調理后送給CPU 處理， 在異常情況下發(fā)出聲光報警信號，同時自動封鎖出口的安防設備。系統有“自動”、“商場”、“場館”和“家庭”四種工作模式供用戶選擇。
當有人進入房間時，傳感器就會檢測到人體輻射的紅外線信號， 經過調理電路的放大和整形， 送入C P U ,CPU 根據用戶的設定工作方式進行判斷，決定將啟動哪些電路。
2 系統設計
2.1 系統各模塊介紹
如圖1 所示， 系統核心控制部分是單片機， 外圍分別由信號檢測部分，手動設定部分（鍵盤）、時鐘計時部分、顯示和聲光報警部分， 以及出口封鎖部分組成。
圖1 系統整體模塊圖
2.1.1 單片機
單片機作為控制系統中經常使用的一種CPU,具有價格低廉，編程簡單，運行穩(wěn)定等特點，因而具有廣闊的市場空間。本設計使用AT89S52,它負責采集來自檢測單元的信號和從時鐘芯片讀取的時間，根據用戶設定的工作模式，進而啟動相應的聲光報警電路、出口封鎖電路、計數電路和語音播放電路，同時完成顯示模塊的輸出控制。
2.1.2 信號檢測部分
（1） 核心檢測器——熱釋電紅外傳感器據科學家研究，任何溫度高于絕對零度（-273℃）的物體， 總是不斷的向外界輻射紅外線， 輻射能量的大小與物體的溫度和紅外輻射的波長有關， 且滿足λ m ×T= μm × K ≈ 3000。應用紅外線原理的探測器一般工作在2 ～2.6 μ m,3～5 μ m,8～14 μ m 三個波段。
目前，紅外探測越來越廣泛的應用于通訊、軍事、航天、醫(yī)療等科學領域。
本設計采用RE200B,工作電壓3-10V,主要檢測8～14 μ m 的紅外線信號，輸出1mV,0.1～10Hz（根據人體移動的速度而定）的微弱類正弦波信號。人體由于體溫的恒定性而輻射1 0 μ m 左右的紅外線， 剛好在檢測波段的中部區(qū)域，因此靈敏度較高。其內部將兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式，可以抑制因自身溫度變化而產生的干擾。引入的N 溝道結型場效應管接成共漏形式來完成阻抗變換， 將電荷信號轉為電壓信號。如圖2 所示。在傳感器前加裝菲涅爾透鏡，當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”， 這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，有效的增大了探測范圍。
圖2 RE200B 內部結構及菲涅爾透鏡示意圖[!--empirenews.page--]
?。?） 帶通濾波器
由于探測器輸出的有用信號集中在0.1～10Hz 范圍內， 因此， 需要設計濾波器截取該段頻率范圍內的脈沖信號， 濾除帶外噪聲， 以降低系統的誤報率。本設計中，采用RC 低通濾波器和高通濾波器組成0.16～16Hz的一階帶通濾波器，電路設計如圖3。其中，R10 和C3 組成低通濾波器， C 1 和R 1 1 組成高通濾波器。根據公式12fpRC= 可得帶通濾波器的上下限頻率為fL=0.16Hz,fH=16Hz。
圖3 0.16～16Hz 帶通濾波器及差分放大電路
?。?） 差分放大
雖然經過上述帶通濾波器可以抑制帶外噪聲，但傳感器輸出的脈沖信號只有1mV,在有用信號（差模信號）里還不可避免的會夾雜比有用信號大得多的共模信號干擾，將有用信號淹沒，若不把這些信號進一步剔除，直接放大后送給單片機判斷， 則差模信號被放大的同時，共模干擾也被同步放大， 無法加以區(qū)分。因此， 需要先通過差分電路抑制共模信號、放大差模信號，保證后續(xù)電路的正確檢測。系統采用價格低廉的LM324 組成，如圖3 虛線框所示。根據疊加定理不難得到， 當R 1= R 5 ,R 2=R 6 時， 差分放大器的輸出為：
上式中，Vo 只與輸入端的信號差值和R2/R1有關， 放大倍數取決于R2/R1的值，在本系統中，第一級放大20倍。[!--empirenews.page--]
?。?） 二級放大
第一級中主要是抑制共模信號，因此不可能有很大的放大倍數， 本系統中， 放大器要完成從1 m V 到4 V 信號的轉換，需要放大4000 倍。在第一級中已經放大20倍，本級需要放大200 倍，由R4/R3的值決定。電路如圖4。
圖4 二級放大和阻抗變換電路
其中， 第一級運放實現200 倍放大， 第二級是電壓跟隨器， 以實現阻抗變換功能。
?。?） 門限比較
當人體從傳感器前走過時，會隨著與傳感器的夾角不同而輸出強弱變化的脈沖信號， 因而， 需要設定一個門限值， 當信號大于門限值時， 輸出一個脈沖信號。系統采用雙門限電路，如圖5 所示。上下門限分別設置為3.75V 和1.25V。兩個二極管可以實現穩(wěn)定的輸出。
圖5 門限比較器
2.1.3 時鐘和鍵盤部分
本設計采用美國D A L L A S 公司的低功耗實時時鐘芯片DS1302 提供當前時間，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能，有主/ 備兩路電源供電， 可以實現掉電數據不丟失， 它與單片機之間采用SPI 總線連接。
當用戶選擇工作模式后， 系統在時鐘芯片的協助下， 完成實時監(jiān)控和報警功能。
2.1.4 顯示和報警部分
顯示電路有兩個功能：當應用于“場館”工作模式時，顯示場館內人員總數；當工作于其他模式時，顯示當前時間， 以判斷是否到達下班時間， 并決定是否啟動防盜報警裝置。本設計采用LED 顯示數字直觀醒目，它與單片機之間通過驅動器74LS245 實現通信。
報警電路也有兩個功能：當工作于“商場”模式，且是營業(yè)時間時，播放“您好，歡迎光臨！”；當工作在“家庭”模式或者其他模式下時間到達用戶設定時間時，發(fā)出語音報警， 并通過特殊發(fā)光二極管發(fā)出閃爍信號， 以警示犯罪分子、提醒主人。本設計采用ISD4004 語音芯片和功放電路來實現。
2.1.5 出口封鎖部分
經過上述分析， 當出現異常情況時， 若僅發(fā)出聲光報警，一旦主人不在家，并不能保證財產的安全，需要同時采用措施防止犯罪分子逃脫。本設計中附加了出口封鎖裝置， 由光耦TLP521、繼電器組和電磁鐵裝置組成。一旦單片機接收到異常信號，就通過光耦向繼電器組發(fā)出命令， 繼電器組導通打開電磁鐵裝置， 將各個出口封鎖。[!--empirenews.page--]
2.2 系統各種模式詳細介紹
1）“商場”工作模式。如果在營業(yè)時間內， 則播放“您好，歡迎光臨”；若不在營業(yè)時間段內，則啟動聲光報警和出口封鎖電路， 防止盜竊現象的發(fā)生。
2）“場館”工作模式。如果在上班時間，則統計進出人數目并顯示， 若超過設定的人數上限， 則發(fā)出聲光報警信號；若不在上班時間，則發(fā)出防盜報警信號，同時鎖定出口。
3）“家庭”工作模式。該模式分為手動和自動兩種方式。手動方式即為當用戶出門時， 按下啟動按鈕， 則啟動防盜報警模式， 在停止按鈕按下之前， 任何人進入都將啟動防盜報警；自動模式即為單片機根據從時間芯片讀取的時間判斷， 在特定時間段啟動防盜報警， 其他時間段停止報警， 時間段可以自行設定。
4）“自動”模式與“家庭”模式中的自動方式相同
3 系統軟件流程
3.1 系統主流程
如圖6 所示，系統初始化完畢后，當檢測到有人體信號， 單片機根據當前的工作模式和設定的時間段啟動相應的電路；如果沒有傳感器信號輸入，則處于等待狀態(tài)。
圖6 系統主流程圖
3.2 DS1302控制流程
當系統上電后，需要用戶設置初始時間，否則時鐘芯片不會走時。在正常走時過程中， 用戶可以隨時修改當前時間， 單片機可以隨時從時間芯片中讀取時間數據。
圖7 DS1302 程序流程圖
4 結束語
1） 本設計采用51 系列單片機作為CPU,價格低廉，程序編寫簡單， 運行穩(wěn)定；
2） 用熱釋電紅外傳感器RE200B 代替普通的光電傳感器，只對人體反應靈敏，探測精度高，誤報率低；
3） 用鍵盤和時鐘芯片實現人機交互，供用戶靈活選擇，應用范圍廣泛；
4） 本設計在報警的基礎上，增加了異常情況下封鎖出口的功能， 更加有效的保障用戶的財產安全；
5） 樣機試運行狀態(tài)穩(wěn)定，針對特定用戶，加以改進后可考慮量產。
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