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基于热释电红外的安防系统设计

导读: 本文将介绍一种利用热释电红外传感器作为探测源, 经过信号调理后送给CPU 处理, 在异常情况下发出声光报警信号,同时自动封锁出口的安防设备。系统有“自动”、“商场”、“场馆”和“家庭”四种工作模式供用户选择。

  引言

 

  随着人们经济收入的增加,如何有效的保障财产安全成为一个十分重要的问题。据统计,目前大多数家庭的安保措施还比较薄弱, 即便是有物业管理的*园小区, 也不可避免的存在疏忽和漏洞, 给犯罪分子以可乘之机;在有的中小型超市和商铺,由于成本的原因,很多都没有任何的防范措施,入室盗窃现象时有发生。为了保障人们的财产安全,就必须有成本低、易安装、性能稳定的安保设备来实现。

  本文将介绍一种利用热释电红外传感器作为探测源, 经过信号调理后送给CPU 处理, 在异常情况下发出声光报警信号,同时自动封锁出口的安防设备。系统有“自动”、“商场”、“场馆”和“家庭”四种工作模式供用户选择。

  当有人进入房间时,传感器就会检测到人体辐射的红外线信号, 经过调理电路的放大和整形, 送入C P U ,CPU 根据用户的设定工作方式进行判断,决定将启动哪些电路。

 

  2 系统设计

 

  2.1 系统各模块介绍

  如图1 所示, 系统核心控制部分是单片机, 外围分别由信号检测部分,手动设定部分(键盘)、时钟计时部分、显示和声光报警部分, 以及出口封锁部分组成。

 

  

  图1 系统整体模块图

 

  2.1.1 单片机

  单片机作为控制系统中经常使用的一种CPU,具有价格低廉,编程简单,运行稳定等特点,因而具有广阔的市场空间。本设计使用AT89S52,它负责采集来自检测单元的信号和从时钟芯片读取的时间,根据用户设定的工作模式,进而启动相应的声光报警电路、出口封锁电路、计数电路和语音播放电路,同时完成显示模块的输出控制。

  2.1.2 信号检测部分

  (1) 核心检测器——热释电红外传感器据科学家研究,任何温度高于绝对零度(-273℃)的物体, 总是不断的向外界辐射红外线, 辐射能量的大小与物体的温度和红外辐射的波长有关, 且满足λ m ×T= μm × K ≈ 3000。应用红外线原理的探测器一般工作在2 ~2.6 μ m,3~5 μ m,8~14 μ m 三个波段。

  目前,红外探测越来越广泛的应用于通讯、军事、航天、医疗等科学领域。

  本设计采用RE200B,工作电压3-10V,主要检测8~14 μ m 的红外线信号,输出1mV,0.1~10Hz(根据人体移动的速度而定)的微弱类正弦波信号。人体由于体温的恒定性而辐射1 0 μ m 左右的红外线, 刚好在检测波段的中部区域,因此灵敏度较高。其内部将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,可以抑制因自身温度变化而产生的干扰。引入的N 沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换, 将电荷信号转为电压信号。如图2 所示。在传感器前加装菲涅尔透镜,当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就交替从“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,有效的增大了探测范围。

 

  

  图2 RE200B 内部结构及菲涅尔透镜示意图

 

  (2) 带通滤波器

  由于探测器输出的有用信号集中在0.1~10Hz 范围内, 因此, 需要设计滤波器截取该段频率范围内的脉冲信号, 滤除带外噪声, 以降低系统的误报率。本设计中,采用RC 低通滤波器和高通滤波器组成0.16~16Hz的一阶带通滤波器,电路设计如图3。其中,R10 和C3 组成低通滤波器, C 1 和R 1 1 组成高通滤波器。根据公式12fpRC= 可得带通滤波器的上下限频率为fL=0.16Hz,fH=16Hz。

 

  

  图3 0.16~16Hz 带通滤波器及差分放大电路

 

  (3) 差分放大

  虽然经过上述带通滤波器可以抑制带外噪声,但传感器输出的脉冲信号只有1mV,在有用信号(差模信号)里还不可避免的会夹杂比有用信号大得多的共模信号干扰,将有用信号淹没,若不把这些信号进一步剔除,直接放大后送给单片机判断, 则差模信号被放大的同时,共模干扰也被同步放大, 无法加以区分。因此, 需要先通过差分电路抑制共模信号、放大差模信号,保证后续电路的正确检测。系统采用价格低廉的LM324 组成,如图3 虚线框所示。根据叠加定理不难得到, 当R 1= R 5 ,R 2=R 6 时, 差分放大器的输出为:

  

  上式中,Vo 只与输入端的信号差值和R2/R1有关, 放大倍数取决于R2/R1的值,在本系统中,第一级放大20倍。

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