引言
隨著人們經(jīng)濟(jì)收入的增加,，如何有效的保障財(cái)產(chǎn)安全成為一個十分重要的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),，目前大多數(shù)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(jī),；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(xiàn)象時有發(fā)生。為了保障人們的財(cái)產(chǎn)安全,，就必須有成本低,、易安裝、性能穩(wěn)定的安保設(shè)備來實(shí)現(xiàn),。
本文將介紹一種利用熱釋電紅外傳感器作為探測源,， 經(jīng)過信號調(diào)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(shè)備,。系統(tǒng)有“自動”、“商場”、“場館”和“家庭”四種工作模式供用戶選擇,。
當(dāng)有人進(jìn)入房間時,，傳感器就會檢測到人體輻射的紅外線信號， 經(jīng)過調(diào)理電路的放大和整形,， 送入C P U ,CPU 根據(jù)用戶的設(shè)定工作方式進(jìn)行判斷,，決定將啟動哪些電路。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)各模塊介紹
如圖1 所示,， 系統(tǒng)核心控制部分是單片機(jī),， 外圍分別由信號檢測部分，手動設(shè)定部分（鍵盤）,、時鐘計(jì)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(tǒng)整體模塊圖
2.1.1 單片機(jī)
單片機(jī)作為控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種CPU,具有價格低廉,，編程簡單，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),，因而具有廣闊的市場空間,。本設(shè)計(jì)使用AT89S52,它負(fù)責(zé)采集來自檢測單元的信號和從時鐘芯片讀取的時間，根據(jù)用戶設(shè)定的工作模式,，進(jìn)而啟動相應(yīng)的聲光報警電路,、出口封鎖電路、計(jì)數(shù)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(jù)科學(xué)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(guān),， 且滿足λ m ×T= μm × K ≈ 3000,。應(yīng)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(yīng)用于通訊,、軍事、航天,、醫(yī)療等科學(xué)領(lǐng)域,。
本設(shè)計(jì)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(jù)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(nèi)部將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式,，可以抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾,。引入的N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管接成共漏形式來完成阻抗變換， 將電荷信號轉(zhuǎn)為電壓信號,。如圖2 所示,。在傳感器前加裝菲涅爾透鏡，當(dāng)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(jìn)入“高靈敏區(qū)”,， 這樣就使接收到的紅外信號以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，有效的增大了探測范圍,。
圖2 RE200B 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及菲涅爾透鏡示意圖
?。?） 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(nèi)， 因此,， 需要設(shè)計(jì)濾波器截取該段頻率范圍內(nèi)的脈沖信號,， 濾除帶外噪聲， 以降低系統(tǒng)的誤報率,。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jù)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(jīng)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(jìn)一步剔除,，直接放大后送給單片機(jī)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(tǒng)采用價格低廉的LM324 組成,，如圖3 虛線框所示。根據(jù)疊加定理不難得到， 當(dāng)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(guān)， 放大倍數(shù)取決于R2/R1的值,，在本系統(tǒng)中,，第一級放大20倍。
?。?） 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(shù)， 本系統(tǒng)中,， 放大器要完成從1 m V 到4 V 信號的轉(zhuǎn)換,，需要放大4000 倍。在第一級中已經(jīng)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(yùn)放實(shí)現(xiàn)200 倍放大， 第二級是電壓跟隨器,， 以實(shí)現(xiàn)阻抗變換功能,。
（5） 門限比較
當(dāng)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(qiáng)弱變化的脈沖信號,， 因而， 需要設(shè)定一個門限值,， 當(dāng)信號大于門限值時,， 輸出一個脈沖信號。系統(tǒng)采用雙門限電路,，如圖5 所示。上下門限分別設(shè)置為3.75V 和1.25V,。兩個二極管可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)采用美國D A L L A S 公司的低功耗實(shí)時時鐘芯片DS1302 提供當(dāng)前時間，它可以對年,、月,、日、星期,、時,、分,、秒進(jìn)行計(jì)時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能,，有主/ 備兩路電源供電,， 可以實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)不丟失， 它與單片機(jī)之間采用SPI 總線連接,。
當(dāng)用戶選擇工作模式后,， 系統(tǒng)在時鐘芯片的協(xié)助下， 完成實(shí)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(dāng)應(yīng)用于“場館”工作模式時,，顯示場館內(nèi)人員總數(shù)；當(dāng)工作于其他模式時,，顯示當(dāng)前時間,， 以判斷是否到達(dá)下班時間， 并決定是否啟動防盜報警裝置,。本設(shè)計(jì)采用LED 顯示數(shù)字直觀醒目,，它與單片機(jī)之間通過驅(qū)動器74LS245 實(shí)現(xiàn)通信。
報警電路也有兩個功能：當(dāng)工作于“商場”模式,，且是營業(yè)時間時,，播放“您好，歡迎光臨,！”,；當(dāng)工作在“家庭”模式或者其他模式下時間到達(dá)用戶設(shè)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(shè)計(jì)采用ISD4004 語音芯片和功放電路來實(shí)現(xiàn)。
2.1.5 出口封鎖部分
經(jīng)過上述分析,， 當(dāng)出現(xiàn)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(cái)產(chǎn)的安全,，需要同時采用措施防止犯罪分子逃脫。本設(shè)計(jì)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(jī)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(dǎo)通打開電磁鐵裝置,， 將各個出口封鎖。
2.2 系統(tǒng)各種模式詳細(xì)介紹
1）“商場”工作模式,。如果在營業(yè)時間內(nèi),， 則播放“您好，歡迎光臨”,；若不在營業(yè)時間段內(nèi),，則啟動聲光報警和出口封鎖電路， 防止盜竊現(xiàn)象的發(fā)生,。
2）“場館”工作模式,。如果在上班時間，則統(tǒng)計(jì)進(jìn)出人數(shù)目并顯示,， 若超過設(shè)定的人數(shù)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(dāng)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(jìn)入都將啟動防盜報警,；自動模式即為單片機(jī)根據(jù)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(shè)定,。
4）“自動”模式與“家庭”模式中的自動方式相同
3 系統(tǒng)軟件流程
3.1 系統(tǒng)主流程
如圖6 所示，系統(tǒng)初始化完畢后,，當(dāng)檢測到有人體信號,， 單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前的工作模式和設(shè)定的時間段啟動相應(yīng)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(tǒng)主流程圖
3.2 DS1302控制流程
當(dāng)系統(tǒng)上電后，需要用戶設(shè)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(dāng)前時間,， 單片機(jī)可以隨時從時間芯片中讀取時間數(shù)據(jù),。
圖7 DS1302 程序流程圖
4 結(jié)束語
1） 本設(shè)計(jì)采用51 系列單片機(jī)作為CPU,價格低廉,，程序編寫簡單， 運(yùn)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(yīng)靈敏，探測精度高,，誤報率低,；
3） 用鍵盤和時鐘芯片實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，供用戶靈活選擇,，應(yīng)用范圍廣泛,；
4） 本設(shè)計(jì)在報警的基礎(chǔ)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(cái)產(chǎn)安全,；
5） 樣機(jī)試運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，針對特定用戶,，加以改進(jìn)后可考慮量產(chǎn),。