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设计论文111
摘要
随着社会的不断进步,电子技术的不断发展,人们生活水平得到了很大的改善,许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律,因此人们对自己所处环境的安全需求就越来越高,特别是家居安全,不得不时刻留意不速之客的光顾。
为此许多小区、家庭都安装了报警系统,这有效的保证了居民的人身财产安全。
在本文中,介绍一种利用热释电红外传感器进行安全检测监控报警的系统的设计。
系统概述该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路、接收模块、报警电路等组成。
本人主要承担传感器部分、信号放大部和驱动部分的设计。
本设计中,详细的介绍了热释电红外报警器的检测部分的整个制作过程,也按本设计内容成功的做了实物
:
介绍了热释红外传感器的工作原理)给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应
用电路。
这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中,从而实现了防盗报警功能,达到了
安全防护之目的。
关键词:
被动式红外报警器;热释电红外*+,-.传感器;双精度单稳多频振荡器
关键词:
热释电红外传感器菲涅尔透镜红外报警器
第1页
目录
第一章绪论4
1.1开发背景及意义4
1.2国内外历史和现状4
1.3本文所要解决的问题4
第二章报警器的总体介绍
2.1设计要求
2.2设计方案
第三章元件选择及其参数计算
3.1红外传感器8
3.2同相比例运算放大器………………………………………………………
第四章电路图
4.1开关电路图…………………………………………………………………
4.2总体仿真电路原理图13
第五章电路调试
5.1信号比较。
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5.2硬件调试……………………………………………………………………………………
5.2.1调试环境(仪器)、测试对象………………………………………………
5.2.2调试方法……………………………………………………………………
5.2.3调试步骤……………………………………………………………………
5.2.4 测试数据记录………………………………………………………………
5.2.5数据分析
第六章总结与展望16
结束语17
致谢18
参考文献19
附录120
附录221
第2页
第一章绪论
1.1背景及意义
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,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客。
现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全。
由于红外线是不可见光,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应用。
此外,在电子防盗、人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。
而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。
用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点:
●不需要用红外线或电磁波等发射源。
●灵敏度高、控制范围大。
●隐蔽性好,可流动安装
1.2国内外历史与现状
测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上,使其产生一个电压信号,经过放大、模/转换等环节处理,最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。
红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成,其体积小,便于携带,操作简单,在各行各业中得到广泛应用。
红外测温仪已经有了几十年的发展历史,最早出现的是隐丝式光学高温计
,它出现在上世纪初,直到现在仍在高温(800℃以上使用)测量领域被使用
。
它的结构简单、使用方便、测温范围广,但是在使用光学高温计的过程中,经常需要用人的眼睛进行亮度平衡,手动调节灯丝的温度,使高温计灯丝瞄准区域均匀地消失在辐射源或被测物体的背景上,但是由于生理限制,人眼的辨别能力会带来一定的观察误差,不适合于自动控制系统.长期以来,三个方面的问题困扰了红外测温仪的发展,第一个是微弱信号的放大和抗干扰问题;二是信号与所需要的温度值的非线性对应问题;三是探头所处温度对信号的影响.自二次大战以来,光电导和光伏探测器及红外透光材料的高速发展,促使了红外测温和红外技术应用的发展
。
20世纪60年代后,由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片以及数字信号处理技术的发展。
大大促进了红外技术的应用的进程
。
在60年代中期,出现了以光电倍增管作为检测器的光电高温仪,具有较高的灵敏度和精度。
在70年代初,硅光电探测器由于稳定性、线性度及灵敏度优良,结构牢固,逐渐受到重视,意大利国家计量院IMGC首先制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计
。
与此同时,辐射温度计的工作波长也从单波长逐步发展为多波长,仪器的功能也渐趋智能化,测量精度、响应速度、稳定性和分辨率都达到了相当高的水平
,测温范围也从以往的中高温延伸到室温或更低温度,辐射测温仪的使用范围也越来越广.例如在煤矿生产中的胶带输送机在运行过程中,可用红外测温仪来检测胶带与滚筒的温度,避免发生胶带与滚筒因长时间摩擦发热直至引发火灾等事故
;在工业生产中,可利用红外测温仪对运行着的带电设备,如导线、供电装置等定期检测,防止不良事故的发生;在钢铁企业的热轧生产过程中,需要采用红外测温仪对钢坯表面温度进行测量。
以严格控制工艺参数,确保钢材的质量.由于当年非典型肺炎爆发,高精度的红外测温也从原来的工业领域走进了医疗领域和日常生活.
1.3本文所要解决的问题
应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。
本系统利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理,设计的新型探测器,测量范围广,响应速度快,灵敏度高,抗干扰能力强,安全可靠。
并采用单片机89C51作为人体探测系统的核心,以热释电红外线为数据采集部件,经过比较放大之后,输入单片机进行数据判断及处理。
当检测到有被测物体进入测量范围时,系统自动发出声光报警信号,等待一段延迟时间后自动消除报警信号,并可手动解除报警信号。
当有主人在家系统无需报警时,可开启楼道灯控制系统,即传感器探测到有人经过时照明灯亮,等待一段延迟时间后自动熄灭,并可手动来控制延迟时间的长短。
系统的另外一个功能是检测人数及最大容量人数控制,当探测头探测到有人经过时,系统自动计数加一,并可以通过键盘控制最大容量人数,如果探测到的人数超过最大容量人数时则发出自动报警信号,并通过LED显示检测到的人数与最大容量报警人数。
系统使用单片机与PC机通信原理,把采集到的数据传输给计算机统一处理。
第二章报警器的总体介绍
2.1设计要求
这个红外报警器的总体设计要求是由红外探测放大电路和比较延时报警电路两部分组成。
探测放大电路通过热释电红外传感器探测人体的红外辐射信号,然后将信号通过集成运放电路进行放大,将微弱的电信号放大为可以利用示波器方便观察的信号;比较延时报警电路是利用比较器将已放大的信号比较出高低电平,然后通过二级管将比较后的信号送入定时器,输出高电平或低电平驱动报警装置进行延时报警。
2.2设计方案
根据设计要求,本系统主要由电源模块,信号探测模块,信号放大模块,信号比较模块,信号触发模块,报警模块组成。
具体的系统模块图如下:
第3章元器件选择及其参数计算
3.1、红外传感器
由设计要求可以看出,我们所要用的传感器是能探测人体的红外辐射信号的传感器,并且能输出电信号,因此我们选择热释电红外传感器。
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度传感器件,利用热释电效应工作。
在本实验中,我们选用D203-S型号的热释电红外传感器。
当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜(考虑到实际情况本实验没使用只是将从传感器传出的信号尽量放大)被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时,电路中的传感器将输出电压信号,然后使该信号由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有1mV左右),而且是一个变化的信号,同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式(脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定,通常为0.1~10Hz左右),所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。
3.2、同相比例运算放大器
由设计要求和方案可以看出,热释电红外传感器探测输出的信号电压非常弱,因此需要对其进行放大。
在此放大电路中,我们可以采用集成运放741或者LM358作为运算放大器。
LM358是双独立、高增益内部频率的单一功率供给到宽电压范围的补偿运算放大器。
但是在电路的实际测量中不方便易读。
集成运放741是单运放,双电源供电,在电路的实际测量中可以方便的进行测量记录。
因此,我们选择集成运放741实现电路的放大功能。
利用同相放大原理公式
可调整相应R3、R4阻值以调整放大倍数使其具有合适的放大倍数。
而电阻R1则用来作为输入信号的平衡电阻,在模拟仿真中
。
Lm358电路图如下:
3.3、一般単限比较器
比较部分利用集成运放741组成一般单限比较器来实现电路:
电阻R4、R5用来控制阀值电压其阀值电压为
。
当输入信号高与这个阀值时输出变为低电平,低于阀值时输出高电平。
Lm358:
3.4、延时电路
延时电路采用NE555作为定时器。
其工作电压范围较宽,可在4.5~18V范围内工作,其驱动电流可达200mA。
NE555内部电路:
2脚为置位输入端,当该端输入电压低于1/3U+时,NE555电路就置位,3脚输出高电平,放电端7脚就对搭地点断路(内部放电三极管T1截止)。
6脚为复位输入端,当该端输入电压大于2/3U+时,NE555电路就转入复位,3脚输出低电平,7脚就对搭地点短路(内部放电三极管T1导通)。
4脚为强制复位端,当输入高电平时,该器件就正常工作;当输入低电平时,该器件就强制复位,3脚就输出低电平。
5脚为电源控制端,不用时通过0.01μF电容器搭地。
NE555作为定时器用5V的直流电源供电
即可
555定时器的电路结构及其工作原理
由电路框图和功能表可以得出如下结论:
1.555定时器有两个阈值,分别是0和1。
2.输出端3脚和放电端7脚的状态一致,输出低电平对应放电管饱和,在7脚外接有上拉电阻时,7脚为低电平。
输出高电平对应放电管截止,在有上拉电阻时,7脚为高电平。
3.输出端状态的改变有滞回现象,回差电压为。
4.输出与触发输入反相。
555定时器外部结构
3-2555定时器外部结构
3-3单稳态触发器
555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。
外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等,应用十分广泛。
第4章电路图
4.1开关电路图
总体流程框图如下:
4.2总体仿真电路原理图如下:
第5章电路调试
按照电路图依次连接好放大比较延时部分然后加入输入信号验证输出信号是否正确,正确后加入传感器等D203S
调试:
5.1信号比较
原信号与放大信号的比较原信号与比较后信号比较信号与延时信号
图2仿真结果图
5.2硬件调试
5.2.1调试环境(仪器)、测试对象
调试环境:
示波器,数字式万用表,直流电源、各电阻阻值。
测试对象:
同相放大器的放大倍数、单限比较器的阀值电压、555定时
器的延时时间等。
5.2.2调试方法
仪器调试:
测导线是否导通:
将万用表打到蜂鸣档,两只表笔接导线两边,若听到有响声,说明导线是好的,否则导线已断路。
测电阻:
将万用表打到电阻档,两只表笔接电阻两边,万用表上的示数即为电阻值,若其阻值不符合电路要求就要马上更换。
测运放:
用万用表电阻的中间档(“×100”或“×1K”档,避免电压或电流过大)对照管脚测试有无短路和断路现象。
示波器自检:
检查电源电压应适应220V
10%。
使用环境温度为零下十度到四十度,工作环境无强烈电磁场干扰。
输入端不应馈入超过规定的电压。
显示光点的辉度不宜过高,以免损坏屏幕。
函数信号发生器:
调试输出信号的频率和输出信号的Vp-p
检查电路有无短路或断路:
用万用表的蜂鸣档测试,测试方法跟测导线是否导通一样。
打开试验台电源开关通过调节原副线圈匝数比进行直流电源调试。
测量电阻是否为电路图要求的值并记下各阻值。
对象测试:
同相放大器测试可在输入端加入峰值为1V频率为60HZ左右的交流信号观察示波器上放大的倍数即可,若不是调节电阻R3直至调出合适电压为止。
单限比较器的阀值电压调节可先通过测量从放大部分输出信号的电压值确定要保证在0V到其峰值内,然后再利用公式确定量电阻阻值。
555定时器的调试可通过调节电阻和电容值来改变。
5.2.3调试步骤
万用表使用:
(1)接通电源前进行机械零点校正。
(2)接通电源,将与“输入”插孔相连接电缆的两只鳄鱼夹短接,待2到3分钟后调节面板“调零”旋钮使指针指在零位.(3)测量电压时,电表与被测电路必须共地,且接地良好,避免人体与测量线接触造成测量误差,测量后应将开关转向最大量程位置。
直流电源调试:
用调试好的万用表测量所制作的直流电源,红表头接正,黑表头接负,调节变压器原副线圈匝数比,直至得到大约10V左右的直流电压为止。
将电源与各个需要供电的元器件相连接
函数信号发生器的输出信号:
.调试函数信号发生器,使其输出1Vp,1KHz的双向正弦波交流信号,将其接入同相放大电路的信号输入端。
示波器使用前自检:
(1)用示波器附件中的探针分别接到输入端和校准信号输出端。
(2)按电源开关,指示灯亮,表示电源接通。
(3)经预热后,调节“辉度”,“聚焦”电位器,是亮度适中,聚焦最佳,在调节“触发电平”使波形同步,若波形显示方波,将X扩展值“拉出*10”,10div显示一个周期,说明示波器工作基本正常。
然后将示波器依次接到同相放大器的输出端,单限比较器的输出端,NE555定时器的输出端。
将输出信号显示在示波器的屏幕上。
测各电阻阻值时应将电源关掉然后用调节好的万用表测个部分电阻的阻值按照原理图依次记下各电阻阻值。
同相放大器的放大倍数测试时应打开电源在同相输入端加入峰值1V的信号用示波器连接输出端观察放大波形的峰值看是否为所计算的值并看与实际是否相符。
单限比较器的阀值电压要根据同相放大器输出信号的幅值确定,阀值电压不能超过输出信号的峰值电压,根据阀值电压计算公式
可确定两电阻阻值。
555定时器的延时时间通过改变连接6、7管脚的电容和电阻来调节使其延时时间合适。
5.2.4测试数据记录、
a
频率/HZ
电压/Vp-p
波形
输入信号
199.5
1.1
放大信号
199.5
7.5
比较信号
199.5
7.6
输出信号
0
4
b
电源电压
理论值(V)
测试值(V)
集成运放741
+5—5
+5.16—5.83
蜂鸣器
5
5.13
D203-S
5
5.11
c
R1(
)
R2(
)
R3(
)
R4(
)
R5(
)
R6(
)
R7(
)
理论值
测试值
理论值
测试值
理论值
测试值
理论值
测试值
理论值
测试值
理论值
测试值
理论值
测试值
1K
0.98K
1K
0.99K
6K
4.17K
1K
16.8K
1.5K
17.7K
5K
46K
100
99
d
电容
理论值
测试值
C1(
)
10
10
C2(
)
0.01
0.01
e
理论值(s)
测试值(s)
延时时间
5
4.8
5.2.5数据分析
图3输入信号波形
图4放大信号波形
第五章总结与展望
本文提出了一种以热释电红外传感器为基础的室内感应定位系统,此系统可以为智能家居中的基于位置的智能服务估计出住户的位置。
本文介绍了感应定位系统中的智能家居框架,综合红外传感器收集的信息实现的定位识别算法。
此外,本文提出了住户检测发放。
最后,对PILAS进行了性能评估。
根据各种条件下的多次实验,我们可以证实,该PILAS法可以相当准确的估计出住户的位置。
此外,由于该系统的定位精度小于0.5米,不需要任何定位识别终端,因此非常实用。
而且,通过增加传感器的数量,或排列传感器使它们的感应范围相等,或对外部传感器的中心进行补偿,可以提高它的定位精度。
由于该系统的定位精度根据传感器的不同排列方法有所不同,我们需要找到最优排列方法以提供最准确的定位精度。
为了提高定位精度,还需要对红外传感器的处理方法应用更先进的技术,比如概率理论和软计算。
最后,建议PILAS系统应该扩展到处理一个房间中的多人定位。
结束语
本系统将热释电红外传感器、NE555定时器、LM358和
和AT89S51单片机集合到一起,设计出检测灵敏度高、抗干扰能力
强、信号处理和传输能力好的人体红外检测系统。
其中辐射照面覆盖
特殊的菲尼尔滤光片的热释电红外探测器,使环境的干扰(如小动
物)受到明显的抑制作用。
利用数模混合、具有独立的高输入阻抗运
算放大器的BISS0001集成电路对信号进行放大出理,有效的抑制了
干扰信号。
MAX485芯片和AT89S51单片机对放大信号进行检测分
析,控制报警装置。
此系统可以在许多实际应用中得到使用。
与检测
人体原理一样,热释电红外传感器也可以检测到火源、车辆等,因此可
以在防盗防火,车辆检测中得到广泛的使用。
当然现在的控制系统对
灵敏度抗干扰性自动化等技术提出了更高的要求这些技术还需要、、,
我们在实践中不断的探索和研究
。
致谢
走的最快的总是时间,来不及感叹,大学生活已近尾声,两年多的努力与付出,随着本次论文的完成,将要划下完美的句号。
从课题选择到具体的写作过程,无不凝聚着老师的心血和汗水。
老师要指导很多同学的论文,加上本来就有的教学任务和科研项目,工作量之大可想而知,他还在百忙之中抽出大量的时间来指导我们。
他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪,他的渊博的专业知识,精益求精的工作作风,严以律己、宽以待人的崇高风范,将一直是我工作、学习中的榜样。
在我的毕业论文写作期间,老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议,没有这样的帮助和关怀,我不会这么顺利的完成毕业论文。
在此向崔健老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
感谢曾教过我的各位老师,本人取得的点滴成绩无不渗透着他们的辛苦劳动,正是因为他们一丝不苟,任劳任怨的教学,我们才能具有扎实的基本功来进行设计工作。
他们广博的知识、谦逊的态度、诲人不倦和勇于探索创新的开拓精神给我留下了深刻印象,为我树立了永远的学习榜样。
感谢各位同学在课题研究期间所给予的大力帮助,正是因为有了他们的支持和鼓励,我才能坚持到底。
最后向所有曾在学习、生活和工作中给予我帮助、支持和鼓励的老师、同学以及
朋友、家人们表示最衷心的感谢谢谢你们的支持与帮助
附录一
3 报警器源程序
01 #include
02 unsignedinti,j,k; /*声明无符号整形变量i,j.k*/
03 unsignedintcount,sound,toue; /*声明参数变量*/
04 voiddelaylms(unsignedintk); /*延时函数声明*/
05 baojing(); /*报警调用函数声明*/
06 voidmain() /*主函数*/
07 {
08 P1_2=0;
09 P1_0=0;
10 P3_4=0; /*引脚初始化*/
11 while
(1) /*无限循环*/
12 {
13 baojing(); /*调用函数*/
14 }
15 }
16
17 /* 延时时间为1ms*k */
18 voiddelaylms(unsignedintk) /*延时函数*/
19 {
20 unsignedintj,i;
21 for(i=0;i 22 for(j=0;j<120;j++); 23 } 24 baojing() 25 { 26 count=30; /*对count参数(发音次数)赋值*/ 27 sound=160; /*对sound参数(音长)赋值*/ 28 toue=100; /*对toue参数(音调)赋值*/ 29 if(P1_2==1) /*判断P1.2是否等于1*/ 30 { 31 for(k=0;k 32 { 33 P1_0=~P1_0; /*反相输出,使LED闪烁*/ 34 for(i=0;i 35 { 36 P3_4=~P3_4; /*反相输出,产生方波*/ 37 for(j=0;j 38 {;;} 39 } 40 delaylms(200); /*停留一段时间*/ 41 } 42 } 43 delaylms(100); 44 }
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