通信電纜紅外防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　通信電纜紅外防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電子信息工程 </p>

2、;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本

3、課題介紹了一種用新型光電防盜報(bào)警系統(tǒng)來(lái)制作通信電纜防盜器?，F(xiàn)代電子信息技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)為智能報(bào)警系統(tǒng)的研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。雙探測(cè)技術(shù)是兩種探測(cè)技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，以“相與”的關(guān)系來(lái)觸發(fā)報(bào)警。當(dāng)紅外線傳感器感應(yīng)到入侵者的紅外熱輻射(人體體溫)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)電路放大處理后輸出。超聲波探測(cè)傳感器測(cè)量報(bào)警器和入侵者之間的距離，再經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析判斷，若兩信號(hào)同時(shí)達(dá)到與門(mén)，智能報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警聲音。</p>

4、;<p>　　通信電纜報(bào)警系統(tǒng)具有良好的隱蔽性，不管白天黑夜都能夠全天候工作而且該系統(tǒng)有著非常強(qiáng)的抗干擾能力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：通信電纜 紅外傳感器 超聲波探測(cè)器</p><p>　　The design of communication cable infrared alarm system</p><p><b>　　Ab

5、stract</b></p><p>　　This paper introduces a method how to do a guard against theft and alarm system of communication cable , using a new photoelectric security alarming system . The rapid development o

6、f modern communication technology and electronic information provides strong technical support for the research of intelligent alarming system . Double detecting technology integrates the two detecting technology with t

7、he relation of "together" to trigger the alarming system . The infrared radiation (human body tempe</p><p>　　The alarm system of communication cable has fine conceal, may be used for day and dark,

8、 and anti-interference ability is strong .</p><p>　　Keywords: communication cable the infrared sensor Ultrasonic detection sensor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　

9、摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2防盜報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　1.3 課題研究的主要

10、內(nèi)容和意義3</p><p>　　2課題方案的設(shè)計(jì)和總設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1課題方案設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　2.2方案評(píng)價(jià)5</b></p><p>　　2.3課題總體設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　3通信電纜紅外防盜報(bào)警器原理與設(shè)計(jì)7</p>&

11、lt;p>　　3.1熱釋電紅外探測(cè)原理與器件7</p><p>　　3.1.1熱釋電效應(yīng).............................................................................................7</p><p>　　3.1.2 熱釋電光敏器件的結(jié)構(gòu)...........................

12、.............................................9</p><p>　　3.1.3 多視場(chǎng)菲涅爾光學(xué)鏡..........................................................................10</p><p>　　3.2 超聲波探測(cè)原理及活動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)方法................

13、...................................12</p><p>　　3.3硬件電路設(shè)計(jì)................................................................................................12</p><p>　　3.3.1熱釋電紅外探測(cè)電路的設(shè)計(jì).............

14、..................................................13</p><p>　　3.3.2 超聲波探測(cè)電路的設(shè)計(jì)......................................................................14</p><p>　　3.3.3聲光報(bào)警系統(tǒng)和振動(dòng)電路的設(shè)計(jì)...............

15、........................................16</p><p>　　3.3.4 電源電路的設(shè)計(jì)..................................................................................17</p><p>　　3.3.5 AVR最小系統(tǒng)......................

16、.................................................................18</p><p>　　3.4軟件設(shè)計(jì)主要工作模塊流程........................................................................18</p><p>　　4防盜報(bào)警系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)....

17、...........................................................................21</p><p>　　4.1熱釋電紅外探測(cè)器件性能的檢測(cè)................................................................21</p><p>　　4.2通信電纜防盜報(bào)警器測(cè)試

18、........................................................................... 25</p><p><b>　　結(jié)論26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　致謝28</b>

19、;</p><p><b>　　附錄29</b></p><p>　　附錄圖1 實(shí)物圖29</p><p>　　附錄圖2 原理圖..................................................................................................30</p&

20、gt;<p>　　附錄3 程序代碼..............................................................................................31</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></

21、p><p>　　二十一世紀(jì)是信息時(shí)代，它象征著人類(lèi)時(shí)代的跨越。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，互聯(lián)網(wǎng)正以其前所未有的速度改變著人們的學(xué)習(xí)和工作方式，給人類(lèi)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活帶來(lái)了深刻的影響。但由于目前有色金屬價(jià)格的日益高漲，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)，犯罪分子對(duì)電信和網(wǎng)通等龐大戶(hù)外通信線纜瘋狂盜割，獲取電纜中的銅材，這給通信公司造成巨大損失，而且破壞了當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)，給用戶(hù)也帶來(lái)了不可估量的損失。然而在

22、現(xiàn)代化技術(shù)高速發(fā)展的今天，犯罪更趨向于智能化，手段更隱蔽[1]。因此設(shè)計(jì)一款高科技報(bào)警器在所難免，如今采用以電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)三技術(shù)融合在一起的防盜報(bào)警系統(tǒng)為通信電纜穿上了“保護(hù)衣”。</p><p>　　隨著人們對(duì)傳感器技術(shù)不斷深入研究，紅外探測(cè)技術(shù)逐漸滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)之中。在安全防范領(lǐng)域，應(yīng)用紅外探測(cè)技術(shù)的紅外入侵報(bào)警器又稱(chēng)紅外防盜報(bào)警器，作為一門(mén)新的技術(shù)，它以其實(shí)惠的價(jià)格、高靈敏度等特

23、點(diǎn)，廣受人們的喜愛(ài)和歡迎。紅外入侵報(bào)警器按照探測(cè)手段的不同可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和多技術(shù)復(fù)合入侵報(bào)警器[2] 。</p><p>　　利用紅外光敏器件的被動(dòng)式紅外傳感器是把從生物體上采集到的微量紅外輻射轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理來(lái)控制被監(jiān)控對(duì)象。它能將運(yùn)動(dòng)的生物體和飄落的物體進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，它還具有誤報(bào)率低、隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)和監(jiān)控范圍大等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　被動(dòng)式紅外報(bào)警器使用

24、了熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器的工作原理是通過(guò)以非接觸形式檢測(cè)出人體的熱輻射，同時(shí)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的電信號(hào)，于此同時(shí)，它還擁有鑒別出非生物與活動(dòng)的生物。 熱釋電紅外傳感器是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)，所以要求熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)在8-12 um范圍內(nèi)的紅外線特別的敏感。在熱釋電元件的前面通常安裝有特殊的菲涅爾透鏡系統(tǒng)，可以明顯地控制環(huán)境因素的干擾。熱釋電紅外傳感器擁有兩個(gè)相互并聯(lián)或串聯(lián)的熱釋電敏感元，兩個(gè)敏感元的電極化方向恰恰相反[3]

25、。兩個(gè)熱釋元件在環(huán)境背景紅外熱輻射下幾乎具有相同的作用，產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)也可以相互抵消，探測(cè)器也就沒(méi)有輸出信號(hào)。如果入侵者一旦闖入探測(cè)區(qū)域，部分鏡面就會(huì)聚焦人體的紅外熱輻射，同時(shí)也被熱釋電元采集。但由于采集到的熱量不同，兩片熱釋電元產(chǎn)生熱釋電也不相等，不能互相抵消，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大處理而報(bào)警。按性能要求的不同，菲涅爾透鏡系統(tǒng)可以產(chǎn)生不同的感應(yīng)距離(焦距)，從而適合不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密[4]。</p><p

26、>　　將被動(dòng)式紅外傳感技術(shù)應(yīng)用到通信電纜防盜中，可以為通信公司大大降低損失。</p><p>　　1.2防盜報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　現(xiàn)如今人們?cè)诟呖萍挤矫鏍?zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)就是傳感器技術(shù)。尤其20世紀(jì)80年代以來(lái)，各各國(guó)家都將傳感器技術(shù)的研究和應(yīng)用視為現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵。以美國(guó)為首的西方國(guó)家都把傳感器技術(shù)列為國(guó)防技術(shù)和國(guó)家科技發(fā)展的重點(diǎn)，而日本更是將傳感器技術(shù)作為國(guó)家

27、優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)。因此基于傳感器技術(shù)的智能防盜盜報(bào)警系統(tǒng)也得到了高速的發(fā)展。</p><p>　　人們最早應(yīng)用地不可見(jiàn)光束入侵物探測(cè)器是由發(fā)射機(jī)將一個(gè)編碼信號(hào)饋送到一只IR LED中。LED將輸出聚焦成一束很窄的光束，并使其對(duì)準(zhǔn)按置在遠(yuǎn)處的接收機(jī)中地一只匹配的IR光敏探測(cè)器。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程:當(dāng)光束打在接收機(jī)上時(shí)，接收機(jī)的輸出就處于關(guān)閉狀態(tài)，但是如果人、動(dòng)物或其它物體把光束遮蔽時(shí)，接收機(jī)就會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，開(kāi)啟外部

28、繼電器、報(bào)警器或者計(jì)數(shù)器。該探測(cè)器正是應(yīng)用了針尖視線的工作原理，只要是大于光束直徑的物體落于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)透鏡之間的直線上 ，系統(tǒng)就會(huì)被觸發(fā)。這種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)存在一個(gè)非常大的弱點(diǎn)，要是一只飛蛾或者蒼蠅之類(lèi)的小昆蟲(chóng)不經(jīng)意飛過(guò)光束或者落于某一個(gè)透鏡上，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。因此，這種系統(tǒng)的誤報(bào)率非常高，后來(lái)采用了多光束系統(tǒng)，再后來(lái)被動(dòng)式紅外傳感器技術(shù)被應(yīng)用于入侵報(bào)警器，它利使用紅外光敏器件采集移動(dòng)生物體所發(fā)出的微量紅外熱輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)進(jìn)

29、一步放大處理，將信號(hào)傳到報(bào)警模塊上，它能有效的區(qū)別移動(dòng)的活物體(人)和飄落的東西。同時(shí)，它還擁有誤報(bào)率低，隱蔽性好，監(jiān)控區(qū)域大，和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。</p><p>　　有關(guān)紅外技術(shù)，1800年英國(guó)物理學(xué)家F·W·赫胥爾從熱學(xué)角度來(lái)研究各種色光時(shí)，發(fā)現(xiàn)了紅外線。開(kāi)始了人類(lèi)歷史上紅外技術(shù)的研究，使得紅外線技術(shù)不斷發(fā)展成熟起來(lái)。紅外線的波長(zhǎng)在0.76-100 um之間，它處于可見(jiàn)光和無(wú)線電

30、波之間的范圍區(qū)域，它按波長(zhǎng)范圍可分為極遠(yuǎn)紅外、遠(yuǎn)紅外、中紅外、近紅外四類(lèi)。</p><p>　　紅外光譜儀是紅外線技術(shù)最初發(fā)展應(yīng)用的產(chǎn)物，人們對(duì)于紅外探測(cè)材料技術(shù)的不斷研究深入，紅外傳感技術(shù)現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如對(duì)交通管理、防盜報(bào)警，分子機(jī)構(gòu)的判定、野外環(huán)境的監(jiān)測(cè)、石油開(kāi)采、礦產(chǎn)資源的勘探和分析、醫(yī)療保健等。其方法和原理日益成熟，各類(lèi)紅外產(chǎn)品層出不窮，儀器的精度也越來(lái)越高。早在19世紀(jì)，人們就就發(fā)明了紅外

31、探測(cè)器，在一戰(zhàn)期間就有國(guó)家把紅外探測(cè)器技術(shù)應(yīng)用到軍事行動(dòng)中，但是直到上個(gè)世紀(jì)三、四十年代人們發(fā)明了PbS探測(cè)器以后，這門(mén)技術(shù)才真進(jìn)步入人們的視野并被廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著技術(shù)研究的不斷深入，三個(gè)大氣窗口（1-3 um，3-5 um和8-12 um）很快就被探測(cè)器的響應(yīng)波段覆蓋。除此之外，紅外技術(shù)隨著不斷深入研究，紅外傳感器材料質(zhì)量的不斷改善，使其性能也得到了大幅度的增強(qiáng)。早在上世紀(jì)五十年代我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了PBS紅外探測(cè)器材料的研究，通過(guò)

32、多年努力，研制成功了很過(guò)紅外探測(cè)產(chǎn)品，而且種類(lèi)繁多，性能已逐步接近國(guó)外先進(jìn)的研究水平[6]。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容和意義</p><p>　　紅外探測(cè)技術(shù)已成為高新技術(shù)的重要組成部分，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。由于紅外線是不可見(jiàn)光，具有很強(qiáng)的保密性和隱蔽性，而且又有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此非常適合用來(lái)制作防盜報(bào)警系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有防盜報(bào)警裝置優(yōu)缺點(diǎn)的研究，

33、進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，同時(shí)研制出一種新型的適合于通信電纜防盜的紅外報(bào)警系統(tǒng)。</p><p>　　在查閱了一些國(guó)內(nèi)的參考文獻(xiàn)之后，確定了基于熱釋電紅外—超聲波雙探測(cè)技術(shù)的通信電纜防盜報(bào)警系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)研制了熱釋電紅外－超聲波雙探測(cè)技術(shù)的通信電纜防盜報(bào)警系統(tǒng)，雙探測(cè)技術(shù)是將兩種探測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，以“相與”的關(guān)系來(lái)觸發(fā)報(bào)警。此紅外報(bào)警系統(tǒng)安裝在通信電纜附近，讓熱釋電紅外探測(cè)器探測(cè)環(huán)境中的紅外射線，當(dāng)檢測(cè)到入侵者自身發(fā)

34、出的熱量時(shí)，觸發(fā)超聲波探測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)探測(cè)到入侵者的距離大小，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有自我保護(hù)功能，當(dāng)防盜器受到外力作用時(shí)，報(bào)警器同樣會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，并且能夠自動(dòng)或手動(dòng)取消報(bào)警。</p><p>　　本課題通過(guò)對(duì)通信電纜紅外線報(bào)警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，用集成運(yùn)放、紅外傳感器、超聲波和水銀開(kāi)關(guān)等器件設(shè)計(jì)電路，可監(jiān)視幾米內(nèi)運(yùn)動(dòng)的人體，當(dāng)有人試圖在探測(cè)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)系統(tǒng)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。使用Altium Des

35、inger 軟件畫(huà)原理圖以及制作電路板，制作實(shí)物并調(diào)試、展示功能。</p><p>　　為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，本課題需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式,可以使用干電池供電。</p><p>　　紅外感應(yīng)距離能夠達(dá)到7m。</p><p>　　通過(guò)超聲波傳感器對(duì)人體行為進(jìn)行探測(cè)，能夠探測(cè)到1.5m范圍內(nèi)

36、的物體。 </p><p>　　當(dāng)通信電纜紅外防盜器受到外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。</p><p>　　2課題方案的設(shè)計(jì)和總設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1課題方案設(shè)計(jì) </p><p>　?。?）超聲波微波探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)</p><p>　　超聲波/微波式傳感器用于防盜報(bào)警效果非常好。微波系統(tǒng)由發(fā)射電路和接

37、收電路構(gòu)成。系統(tǒng)發(fā)射出聲波使其覆蓋整個(gè)探測(cè)區(qū)內(nèi)。當(dāng)接收電路收到的反射頻率恰好等于系統(tǒng)發(fā)射電路發(fā)射出的發(fā)射頻率時(shí)，不觸發(fā)報(bào)警。一旦探測(cè)區(qū)域里由于物體移動(dòng)造成接收機(jī)接收到的頻率與原來(lái)發(fā)射的聲波頻率有差別，傳感器將檢測(cè)出該頻率的波動(dòng)，通過(guò)將信號(hào)放大來(lái)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。</p><p>　　人們可以采用同一個(gè)控制裝置控制一臺(tái)或多臺(tái)探測(cè)器，它能有效覆蓋封閉區(qū)域。這種探測(cè)技術(shù)一般適用于室內(nèi)。但它有一個(gè)特點(diǎn)和中斷光束的探測(cè)器相似，

38、都是無(wú)法用肉眼看到現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)。</p><p>　?。?）主動(dòng)紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)</p><p>　　主動(dòng)紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是一種利用系統(tǒng)的發(fā)射端口發(fā)射紅外線，接收端口接收到信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這樣就成為了一個(gè)報(bào)警回路。它有三個(gè)部分非常重要。最重要的部分是紅外發(fā)射管，由于主動(dòng)紅外探測(cè)的防護(hù)區(qū)域一般都比較遠(yuǎn)，所以對(duì)于紅外發(fā)射管的發(fā)射功率要求很高；第二部分是探測(cè)外罩部分，一般大部分主動(dòng)

39、紅外探測(cè)器要在戶(hù)外工作，自然光和其他光線如閃電等都會(huì)影響它的正常工作，造成報(bào)警器誤報(bào)，因此一般要在探測(cè)器前面安裝一個(gè)濾除紅外干擾的透鏡以降低錯(cuò)報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象；剩下一個(gè)重要部分是發(fā)射端和接收端的鏡片。該類(lèi)鏡片具有兩種功能，一種是過(guò)濾功能，過(guò)濾掉紅外干擾，另一種是聚焦功能，在發(fā)射端口產(chǎn)生的紅外線經(jīng)聚焦作用后，平行射出，接收端的鏡片再經(jīng)過(guò)相反過(guò)程采集二極管上的紅外信號(hào)，因此能夠大大提高了發(fā)射效率，增加探測(cè)距離。當(dāng)然為了防止探測(cè)器遭到破壞，在每個(gè)

40、探測(cè)器上往往都加裝有防震開(kāi)關(guān)，探測(cè)器一旦受到外力震動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。</p><p>　　主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)一般用于需要防范的空間區(qū)域，如草坪、圍墻等，其使用安裝靈活，可以與其他探測(cè)器組合使用，安全、可靠、經(jīng)濟(jì)性好，為當(dāng)今民用周界防范的主要選擇產(chǎn)品。缺點(diǎn)是對(duì)安裝環(huán)境要求比較嚴(yán)格，要求防護(hù)環(huán)境為水平、無(wú)遮擋[8，9]。</p><p>　?。?）被動(dòng)紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)</p>

41、<p>　　被動(dòng)式紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是使用探測(cè)器將活動(dòng)物體身上的微量紅外輻射轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)一些列的信號(hào)處理，實(shí)施控制被測(cè)對(duì)象。它能非常有效地區(qū)別有生命的物體和飄落下來(lái)的物體。除此之外，低成本，低誤報(bào)率、極強(qiáng)抗干擾能力、大面積探測(cè)以及良好隱蔽性能都是它的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　2.2方案評(píng)價(jià)</b></p><p>　　目前國(guó)內(nèi)使用的各類(lèi)

42、防盜報(bào)警器基本都是以超聲波、微波以及主動(dòng)式紅外發(fā)射／接收等技術(shù)為基礎(chǔ)。 相比與被動(dòng)式紅外探測(cè)器，主動(dòng)式紅外探測(cè)器對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的防護(hù)是非常有效的，它具有靈敏度高，對(duì)氣候與氣象變化有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，適合與室外或某些特殊警戒使用。但其缺點(diǎn)是視場(chǎng)角小，警戒區(qū)狹窄，安裝比較復(fù)雜，價(jià)格稍貴。超聲波系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、電子放大器和控制裝置組成。將一臺(tái)超聲波發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組合在一起就可以構(gòu)成一種簡(jiǎn)單的入侵物探測(cè)器或報(bào)警系統(tǒng)。</p>&l

43、t;p>　　上述三種入侵防盜報(bào)警器都是利用一種傳感或探測(cè)方式，即單探測(cè)技術(shù)進(jìn)行報(bào)警的。雖然他有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但由于易受各種因素的影響，如環(huán)境溫度變化、震動(dòng)、電磁干擾、光強(qiáng)變化、小動(dòng)物活動(dòng)等的影響，在某些情況下的誤報(bào)，漏報(bào)率會(huì)相當(dāng)高，因此采用多種探測(cè)技術(shù)能夠較好的解決誤報(bào)率高這一難題。多技術(shù)復(fù)合報(bào)警器是將兩種或兩種以上的探測(cè)技術(shù)結(jié)合在一起，以“相與”的關(guān)系來(lái)觸發(fā)報(bào)警裝置，即只有當(dāng)兩種或兩種以上探測(cè)器，同時(shí)或相繼在短暫時(shí)

44、間內(nèi)都探測(cè)到入侵目標(biāo)時(shí)，才產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。采用兩種探測(cè)技術(shù)復(fù)合在一起，可以使誤報(bào)率大大降低[8]。</p><p>　　雙鑒探測(cè)器工作時(shí)紅外和超聲波兩種信號(hào)同時(shí)處于高電平時(shí)，自動(dòng)報(bào)警器才會(huì)產(chǎn)生盜情報(bào)警信號(hào)，否則不報(bào)警。在紅外傳感器中，通過(guò)菲尼爾透鏡的分割方式可以降低由于小動(dòng)物引起的誤報(bào)，從而彌補(bǔ)了超聲波的弱點(diǎn)；但紅外傳感器對(duì)于環(huán)境溫度的變化非常敏感，超聲波對(duì)于環(huán)境溫度變化影響不是太大，如果只是環(huán)境溫度變化引起的干擾

45、，報(bào)警器并不會(huì)自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)兩種探測(cè)器弱點(diǎn)相互“互補(bǔ)”就進(jìn)一步減小了外界的干擾，大大提高了通信電纜防盜器防盜的效率</p><p>　　2.3課題總方案設(shè)計(jì)</p><p>　　防盜報(bào)警器種類(lèi)繁多，但是任何一種報(bào)警器都由以下幾種部分組成：傳感器部分、警報(bào)產(chǎn)生部分、控制部分、聲光報(bào)叫部分和電源部分。按照各部分技術(shù)指標(biāo)的不同，配置可簡(jiǎn)單可復(fù)雜，可大可小，應(yīng)根據(jù)用途場(chǎng)合分別設(shè)計(jì)和配置。</

46、p><p>　　根據(jù)要求，本課題是基于單片機(jī)的通信電纜紅外報(bào)警系統(tǒng)。此紅外報(bào)警系統(tǒng)安裝在通信電纜附近。讓熱釋電紅外探測(cè)器探測(cè)環(huán)境中的紅外射線，當(dāng)檢測(cè)到入侵者自身發(fā)出的熱量時(shí)，觸發(fā)超聲波系統(tǒng)，根據(jù)探測(cè)到入侵者的距離大小，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有自我保護(hù)功能，當(dāng)防盜器受到外力作用時(shí)，報(bào)警器同樣也會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，并且能夠自動(dòng)或手動(dòng)取消報(bào)警。</p><p>　　通信電纜防盜器由熱釋電紅外

47、探測(cè)電路、超聲波探測(cè)電路、振動(dòng)感應(yīng)電路、聲光報(bào)警電路、復(fù)位電路以及電源電路共六大部電路組成。</p><p>　　通信電纜防盜器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 通信電纜防盜器總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3 通信電纜防盜報(bào)警器的原理與設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1熱釋電紅外探測(cè)原理與器件</p>

48、<p>　　紅外光線的特性容易受到許多非電量的影響和改變，通過(guò)使用紅外光敏器件采集紅外光，并通經(jīng)過(guò)放大處理就可以確定待測(cè)非電量。從這種意義上講，紅外光線可以作為測(cè)量多種非電量的一種媒體。把紅外光線作為測(cè)量媒介，相比用可見(jiàn)光做媒介體具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：</p><p>　　(1)任何高于絕對(duì)溫度的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射——紅外線，因此不必另備光源；</p><p>　　(2)大氣

49、對(duì)某特定波長(zhǎng)范圍的紅外光線吸收很少；</p><p>　　(3)紅外光線不會(huì)受到周?chē)梢?jiàn)光的干擾，因此可在同樣條件下實(shí)行晝夜測(cè)量。</p><p>　　紅外光敏器件按工作原理分類(lèi)可大體分為量子型和熱型兩大類(lèi)。</p><p>　　量子型又可分為肖特基勢(shì)壘式、光磁電式、光電導(dǎo)式和光生伏特效應(yīng)式等。</p><p>　　量子型紅外線傳感器的特點(diǎn)是

50、響應(yīng)速度快，響應(yīng)的靈敏度跟波長(zhǎng)有關(guān)，探測(cè)靈敏度高，與可見(jiàn)光相比，紅外光的能量較小?？捎眉t外線具有的能量E和波長(zhǎng)λ表示其關(guān)系，即為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：c為光速，c=3*108(m/s)。</p><p><b>　　h為普朗克常數(shù)。</b></p>&l

51、t;p>　　熱型有熱釋電式、電容式、熱電偶式以及電阻式等。熱型紅外光敏器件首先把紅外光能轉(zhuǎn)變成器件自身溫度的提高(或變化)，然后通過(guò)熱點(diǎn)效應(yīng)將非電信量轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號(hào)。因此，熱型紅外光敏器件的反應(yīng)速度比較慢，相比于量子型紅外光敏器件靈敏度也要稍低些，但是它擁有不需要冷卻并可在常溫下使用，價(jià)格實(shí)惠以及響應(yīng)紅外光譜范圍寬等一系列突出優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是通過(guò)紅外線照射而產(chǎn)生熱量才有輸出

52、的，從這種角度講，它和波長(zhǎng)沒(méi)有什么實(shí)際聯(lián)系，但需要一種選用適合于波長(zhǎng)測(cè)定的濾光器作為窗口材料，例如把硅作為窗口材料，可允許1µm以上的光通過(guò)。有的窗口材料只能通過(guò)4.1µm附近的光，而有的卻可通過(guò)6.1µm以上的光，等等。因此使用哪種窗口材料，就可確定出那個(gè)范圍內(nèi)波長(zhǎng)產(chǎn)生的熱量。</p><p>　　3.1.1熱釋電效應(yīng)</p><p>　　熱釋電效應(yīng)(Hyd

53、roelectricity effect)的提出比較遲。把熱釋電效應(yīng)作為原理應(yīng)用到紅外光敏器的研制中也僅是近二十年來(lái)的事。</p><p>　　最初科學(xué)家發(fā)現(xiàn)給水晶、電石或羅謝耳鹽(酒石酸鉀鈉)等晶體加熱時(shí)，晶體表面會(huì)產(chǎn)生自然極化并有電荷產(chǎn)生的現(xiàn)象，就把這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。</p><p>　　通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱釋電效應(yīng)最明顯的是一種叫做強(qiáng)電介質(zhì)鈦酸鋇的材料。</p>

54、<p>　　圖3.1是產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的過(guò)程演示圖。</p><p>　　1—黑化膜；3—強(qiáng)電介質(zhì)；2、4—電極</p><p>　　圖3.1 熱釋電效應(yīng)示意圖</p><p>　　在BaTio3的兩個(gè)表面都設(shè)置電極，通過(guò)紅外輻射對(duì)晶體加熱，其中黑化膜的作用是為了增強(qiáng)紅外線的吸收能力。當(dāng)晶體溫度提高△T，其原子的排列順序也將改變，從而會(huì)產(chǎn)生自然極化現(xiàn)象△

55、PS。但是由于整個(gè)晶體為了保持自己的電中型，于是其表面必然產(chǎn)生△Q的電荷[9]。</p><p>　　熱釋電系數(shù)λ是表征某材料熱釋電效應(yīng)大小的參數(shù)，它可表示為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　通過(guò)圖3.2觀察 ，當(dāng)溫度在居里點(diǎn)(Tc)時(shí)，BaTio3結(jié)構(gòu)自然極化程度最強(qiáng)。</p><p&

56、gt;　　圖3.2 BaTio3的基本變化規(guī)律</p><p>　　3.1.2 紅外熱釋電光敏器件的結(jié)構(gòu)</p><p>　　熱釋電傳感器件的結(jié)構(gòu)和封裝</p><p><b>　　(A)塑料封裝圖</b></p><p>　　(B)KP506B型封裝</p><p>　　圖3.3 熱釋電傳感

57、器兩種封裝</p><p>　　熱釋電傳感器的封裝一般可分為兩種，即塑料封裝和金屬封裝，分別如圖3.3(A)和圖3.3(B)所示。KP506B屬于金屬型封裝。</p><p><b>　　(2)干涉濾光片</b></p><p>　　任何高于絕對(duì)溫度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，但是各種物體溫度的不同其所輻射的能量隨波長(zhǎng)的變化是不同的[10]。人體紅外

58、輻射的光譜范圍在7～14um，其中心波長(zhǎng)在9～11um附近。根據(jù)不同物體發(fā)出紅外光譜的不同，可對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測(cè)和判別。圖3.4 (A)是常溫為37℃的人紅外輻射光譜，為了使熱釋電紅外傳感器件輻射到的紅外線與紅外透射率相結(jié)合，同時(shí)考慮到人體外其它紅外輻射的干擾（特別是近紅外輻射），常在熱釋電傳感探測(cè)元件前加一塊8～14µm紅外濾光片，以抑制人體以外的紅外輻射的干擾。它透射過(guò)來(lái)的光譜如3.4 (B)所示。波長(zhǎng)小于8µ

59、;m的紅外線被吸收，因此熱釋電紅外傳感器能較好地對(duì)人體發(fā)出的紅外線進(jìn)行探測(cè)。</p><p><b>　　波長(zhǎng)（µm）</b></p><p>　　(A)人體輻射紅外光譜圖</p><p>　　(B)紅外濾光片通透曲線</p><p>　　圖3.4 人體紅外輻射和干涉濾光片的通濾光譜</p>&

60、lt;p>　　(3)場(chǎng)效應(yīng)管匹配器</p><p>　　在熱釋電傳感器的內(nèi)部，裝有一個(gè)柵極電阻Rg和場(chǎng)效應(yīng)管(FET)。熱電探測(cè)元跟Rg并聯(lián)，Rg把表面探測(cè)元的電荷或極化值的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)加至FET的柵極。FET在電路中起到變換阻抗作用，它有非常大的輸入阻抗，但輸出阻抗卻很小。通過(guò)放大和匹配，F(xiàn)ET源極上的輸出就能反映出所采集到紅外輻射能量變化的電脈沖。它的輸出阻抗范圍在10到47k?之間，電脈沖頻率在0

61、.3Hz到5Hz附近。</p><p>　　(4)熱釋電陶瓷元件</p><p>　　它也被稱(chēng)為熱電探測(cè)元，是由高熱電系數(shù)的BaTi03等材料構(gòu)成的。這種強(qiáng)電介質(zhì)的熱電元件能夠遙感到從人體發(fā)出的微量紅外線，其相對(duì)溫度會(huì)有明顯的變化，導(dǎo)致探測(cè)元的自發(fā)極化值也發(fā)生變化，即產(chǎn)生熱—電效應(yīng)。</p><p>　　一般的熱釋電器件內(nèi)裝一個(gè)或兩個(gè)陶瓷元件。裝有兩個(gè)陶瓷元件的器件

62、是將兩個(gè)特性相同的探測(cè)元進(jìn)行串接，組成一個(gè)差動(dòng)平衡電路，其目的可以用來(lái)抑制因探測(cè)元自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾。</p><p>　　3.1.3 多視場(chǎng)菲涅爾光學(xué)鏡</p><p>　?。?）紅外作用距離與光學(xué)聚焦系統(tǒng)</p><p>　　人體身上所發(fā)出的紅外線其實(shí)非常微弱，僅僅采用熱釋電紅外傳感器組裝的探測(cè)器，其探測(cè)距離也只有2米左右。因而，為了提高其探測(cè)距離和靈敏度

63、，</p><p>　　最好在熱釋電探測(cè)器的前面加上一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊處理的光學(xué)系統(tǒng)，這就是菲涅爾透鏡(Fennel Lens)。</p><p>　　目前，市場(chǎng)上紅外傳感器配套的光學(xué)系統(tǒng)可分為三種，即透射式、反射式以及折射式，其中靈敏度最高的屬反射式光學(xué)系統(tǒng)，其探測(cè)距離最高可達(dá)60m；透射式的靈敏度最差，探測(cè)距離在1～10m附近；折射式居中，兼有反射式和透射式的優(yōu)、缺點(diǎn)。由于反射式系統(tǒng)的紅外傳

64、感器必須置于鏡前，占用了很大的體積且不適合密封，在抗擊打、防水、防塵、隱蔽性等方面表現(xiàn)較差，在防盜報(bào)警方面就不適合采用。而透射式系統(tǒng)有著體積小，相對(duì)低廉的價(jià)格，容易密封，穩(wěn)定性又很好，因此目前國(guó)內(nèi)外大多采用透射式系統(tǒng)。</p><p>　?。?）紅外能量的變化值和菲涅爾鏡</p><p>　　當(dāng)紅外輻射能量的絕對(duì)值趨向于零時(shí)，熱釋電紅外傳感器并不敏感。例如當(dāng)一個(gè)人紋絲不動(dòng)的站在傳感器前面時(shí)

65、，傳感器并沒(méi)有反應(yīng)，而一旦人稍微移動(dòng)下，紅外傳感器并立即產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。也就是熱釋電紅外傳感器對(duì)于紅外能量的變化值非常敏感。</p><p>　　采用上述的檢測(cè)原理，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅應(yīng)把采集到的紅外線聚焦至傳感器上，而且傳感器還能夠敏銳的覺(jué)察到紅外線能量的變化。因此，在制作聚光透鏡時(shí)，往往要對(duì)光滑的光學(xué)鏡面進(jìn)行柱狀或棱狀處理。這兩種設(shè)計(jì)的用意都在于被檢測(cè)的空間能夠產(chǎn)生一系列交替的狹小的紅外“盲區(qū)”和“高

66、靈敏感應(yīng)區(qū)”。當(dāng)有人從透鏡的前面走過(guò)時(shí)，人體上所發(fā)出的紅外線就會(huì)不斷地從“高靈敏區(qū)”進(jìn)入“盲區(qū)”，使得紅外傳感器斷斷續(xù)續(xù)地接收到紅外線，即有大量光脈沖傳至紅外探測(cè)元，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化并能輸出相應(yīng)變化的電脈沖，因而可以大大提高其接收的靈敏度，增大其探測(cè)距離。</p><p>　　下圖3.5　(a)、(b)分別是某種菲涅爾透鏡的形狀及其安裝示意圖。</p><p>　　圖3.5 一種菲涅爾透鏡的外

67、形及其安裝示意圖</p><p>　?。?）菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　菲涅爾透鏡是一種由塑料注成的薄鏡片，片上有排列整齊的紋理和精細(xì)的鏡面，它按照接收角度和靈敏度的要求來(lái)設(shè)計(jì)和制作的，其技術(shù)精度要求很?chē)?yán)格。一片好的菲涅爾透鏡必須有清晰的紋理和光潔的表面，其厚度也要求在0.65mm左右，對(duì)紅外線的透過(guò)率要高于65%。</p><p>　　下面就以

68、Q-6型菲涅爾透鏡主要技術(shù)指標(biāo)作為例子：</p><p>　　(1)外形尺寸：38mm×68mm；</p><p>　　(2)水平角度：120°；</p><p>　　(3)垂直角度：要求架高不低于1.5m</p><p>　　(3)傳感器與鏡面間的距離在29mm左右，這樣能夠最大化提高傳感器的靈敏度。</p>

69、<p>　　事實(shí)上，不同規(guī)格的菲涅爾透鏡具有不同的幾何尺寸和特點(diǎn)，它要求安裝外殼和聚乙烯薄片相稱(chēng)，不同的透鏡其安裝距離各不相同的 。</p><p>　　除了上面提到的Q-6型外，常見(jiàn)的還有Q-8半圓型，Q1A等，一般的菲涅爾透鏡有10m左右的探測(cè)距離，采用雙重反射形式的透鏡可增加到20m以上。</p><p>　　3.2超聲波探測(cè)原理及活動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)方法</p>

70、<p>　　超聲波探測(cè)從原理上可分為兩種：共振式和脈沖反射式。超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)共振板和兩個(gè)壓電晶片。當(dāng)它的兩極間外加電脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時(shí)帶動(dòng)了共振板振動(dòng)，并產(chǎn)生超聲波。相反，如果兩電極間沒(méi)有外加電壓，共振板接收到了超聲波，壓迫壓電晶片振動(dòng)，同時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這就是超聲波接收器的工作原理。超聲探測(cè)電路時(shí)，將一系列方波輸入到發(fā)射端，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)

71、間間隔，接收端得到的脈沖隨被測(cè)物的距離變化而變化，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。</p><p>　　超聲探測(cè)大致有以下兩種方法：①獲取輸出脈沖的平均電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )的大小與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；② 在超聲波發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣傳播過(guò)程中如果遇到障礙物就立即反射回來(lái)，當(dāng)它的接收器接收到反射波時(shí)就立即停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中傳播速度為c，發(fā)射超聲波和接收超聲波的時(shí)間

72、間隔為t,即超聲波測(cè)量輸出脈沖的寬度，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離S,即，S=ct/2.</p><p>　　超聲波在空氣中傳播的速度與環(huán)境溫度的有關(guān)，如果環(huán)境溫度變化不大，可以認(rèn)為聲速基本不變，本課題對(duì)于測(cè)距精度的要求不是很高，只需要超聲波在1.5m范圍內(nèi)就產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，所以不采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)加以校正。</p><p><b>　　3.3硬件電路設(shè)計(jì)</b>

73、;</p><p>　　3.3.1熱釋電紅外探測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　該部分電路如下圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 熱釋電紅外探測(cè)電路</p><p>　　圖3.7 KP506B紅外傳感器實(shí)物 圖3.8 傳感器感應(yīng)方向</p><p>　　圖3.6中探測(cè)電路所采用的是如圖3.7所示

74、的KP506B紅外傳感器，其材料為鉭酸鋰，上有雙探測(cè)元，它具有響應(yīng)度高(3300V/W )，抗電磁干擾性能好，噪聲低，窗口譜響應(yīng)(包括濾光片和探測(cè)元)為7～15μm。它可將人體輻射出的紅外線能量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率(0.3～5Hz)的電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，將信號(hào)輸出。光學(xué)透鏡采用Q6型菲涅爾透鏡，元件尺寸為：5.2mm×3.8mm。</p><p>　　本電路中主要采用的是型號(hào)為BISS0001的集成電路

75、,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感報(bào)警器，廣泛用于安防、自控等領(lǐng)域能。</p><p>　　BISS0001是由封鎖時(shí)間定時(shí)器、延遲時(shí)間定時(shí)器、運(yùn)算放大器、電壓比較器以及狀態(tài)控制器等傳感信號(hào)處理集成電路組成的。</p><p>　　圖3.9 BISS0001內(nèi)部框

76、圖</p><p>　　以下是BISS0001的工作原理，從14管腳獲得信號(hào)，通過(guò)0P1運(yùn)算放大器組成的傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)第一級(jí)放大。然后和第二級(jí)OP2運(yùn)算放大器耦合，再進(jìn)行信號(hào)二次放大，并且把電位抬高到VM。把二級(jí)放大信號(hào)V2傳S送到雙向鑒幅器（由比較器COP1和比較器COP2構(gòu)成）以檢測(cè)出有效的觸發(fā)信號(hào)VS。理論上VL在0.3VDD左右、VH約為0.7VDD，故當(dāng)VDD=5V時(shí)，就能夠把噪聲干擾有效的

77、抑制±1V左右，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 作為條件比較器COP3，如果輸入的電壓在VR>Vc，VR約0.2VDD左右，COP3就會(huì)輸出低電平，把與門(mén)U2封鎖住,使得VS無(wú)法傳遞給向下級(jí)；相反Vc>VR時(shí)，COP3有高電平輸出，芯片處于延時(shí)周期。 如果在A端接低電平，芯片會(huì)處于不可重復(fù)觸發(fā)工作模式，在Tx這段時(shí)間之內(nèi)V2的變化不起任何作用。之后Tx周期結(jié)束，在Vo從高電平跳到低電平的同時(shí)，芯片處于封鎖周期Ti。在Ti

78、周期內(nèi)，VS的改變都不可能改變Vo狀態(tài),這樣可以降低切換負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的各類(lèi)干擾。而當(dāng)A端接高電平時(shí)，芯片處于可重復(fù)處發(fā)工作模式，過(guò)程跟上面剛好相反。</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)圖3.6中的開(kāi)光S3,可以選擇兩種探測(cè)器模式：可重復(fù)觸發(fā)模式和不可重復(fù)觸發(fā)模式。調(diào)節(jié)R13和C9的大小可以調(diào)整輸出延遲Tx，Tx≈24576*R9*C7;觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R11，R12和C10調(diào)節(jié)，Ti≈24*（R11+R12)*

79、C9。</p><p>　　3.3.2超聲波探測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?)圖3.10為超聲波探測(cè)模塊的發(fā)射電路</p><p>　　圖3.10 超聲波探測(cè)模塊的發(fā)射電路</p><p>　　圖中超聲波探測(cè)模塊的發(fā)射電路主要是由74ALS04反相器和超聲波換能器組成的。單片機(jī)OC1端輸出地40KHZ方波信號(hào)其中的一路經(jīng)過(guò)一級(jí)反相器

80、（U4D和U4E組成的一級(jí)）后送到超聲波換能器的一個(gè)電極。另一路方波信號(hào)經(jīng)兩級(jí)反相器（U4A為一級(jí)，U4B和U4CZ組成另一級(jí)）后傳送到另一個(gè)電極。通過(guò)了這種推挽形式的超聲波換能器的兩端才能夠得到方波，大大提高了發(fā)射電路的發(fā)射強(qiáng)度。采用兩個(gè)并聯(lián)的反相器可以增強(qiáng)發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)能力。使用R5和R6兩個(gè)上拉電阻能明顯增強(qiáng)超聲波的阻尼效果，也提高了74ALS04反相器輸出電平的驅(qū)動(dòng)能力，縮短其自由振蕩時(shí)間。</p><p&g

81、t;　?。?）超聲波接收電路</p><p>　　圖3.11 超聲波接收電路 接收電路的原理圖如上圖3.11所示，該電路采用了一款超聲波專(zhuān)用的芯片CX20106，該芯片也經(jīng)常被用于電視機(jī)紅外遙控接收器上。其優(yōu)點(diǎn)是電路連接非常簡(jiǎn)單，大大減小了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩，而且簡(jiǎn)單易用。CX20106內(nèi)部由前置放大器，自動(dòng)偏置電平控制電路、帶通濾波器、峰值檢波器、限幅放大器和波形整形電路等組成。</p>

82、<p>　　圖中2管腳上的電阻R7、電容C21與地之間連接共同組成一個(gè)負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，前置放大器的頻率特性和增益可以通過(guò)修改其中的參數(shù)改變。減小C1或增大電阻R7都能降低放大倍數(shù)，增大負(fù)反饋量，反之，結(jié)果將增大放大倍數(shù)。在這里我們選擇R7=4.7歐，C1=1uF。</p><p>　　第3管腳電容C22與地連接形成一個(gè)檢波電容，電容量大時(shí)，為平均值檢波，其瞬間響應(yīng)的靈敏度低；如果

83、電容量小時(shí)，則變?yōu)榉逯禉z波，瞬間響應(yīng)靈敏度高；檢波輸出地脈沖寬度變化很大時(shí)，容易造成誤操作。當(dāng)電容C22為3.3uF時(shí)，效果不錯(cuò)。</p><p>　　電容C23是一個(gè)積分電容，如果將電容取的太大，會(huì)使探測(cè)距離變短，因此我們選擇標(biāo)準(zhǔn)值為330pF的電容。</p><p>　　接在第5管腳上的電阻R8與電源相連，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越高，在這里我們選擇R8=2

84、20k，其中心頻率約為40kHZ。</p><p>　　當(dāng)CX20106接收到40KHz（解調(diào)頻率和發(fā)射頻率必須一致）信號(hào)時(shí)，芯片第7管腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，這個(gè)信號(hào)將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，通過(guò)單片機(jī)中的定時(shí)器計(jì)算得出時(shí)間差，再根據(jù)公式S=ct/2計(jì)算出距離。</p><p>　　3.3.3聲光報(bào)警系統(tǒng)和振動(dòng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.12 振動(dòng)感應(yīng)

85、電路</p><p>　　圖3.13 聲光報(bào)警電路</p><p>　　上圖為3.12和3.13分別為為振動(dòng)感應(yīng)電路和聲光報(bào)警電路，電路核心元件是NE555芯片和CK9516音樂(lè)芯片。CK9516音樂(lè)芯片是四聲集成報(bào)警電路。</p><p>　　平時(shí)水銀開(kāi)光處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)若雙鑒探測(cè)器處于低電平狀態(tài)，單片機(jī)輸出高電平，即圖中ONE腳處于高電平；通過(guò)與門(mén)電路，使得

86、555芯片的第2管腳處于高電平,3腳處于低電平，無(wú)電壓供給CK9516的報(bào)警，電路不工作。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)受到外力作用導(dǎo)致水銀開(kāi)光接通，2腳就立即跳變?yōu)榈碗娖剑?腳輸出高電平，直接給報(bào)警電路供電，經(jīng)過(guò)芯片集成電路處理后發(fā)出報(bào)警信號(hào)。但由于555輸出驅(qū)動(dòng)力不夠，發(fā)出的報(bào)警聲音非常微弱，所以我將信號(hào)通過(guò)三極管Q2進(jìn)行功率放大 ，再驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。調(diào)節(jié)電阻R28的大小能夠改變報(bào)警聲音的音調(diào)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，選擇200k左右的電阻產(chǎn)生的效果比較不錯(cuò)。電容

87、C18是報(bào)警器的電源濾波電容，電容C19是振蕩感應(yīng)電路的旁路電容，電阻R26為電路提供信號(hào)工作點(diǎn)。</p><p>　　圖3.12中振動(dòng)感應(yīng)電路采用時(shí)基集成電路555，它與電阻R25、電容C17等組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。當(dāng)有低電平信號(hào)加至其觸發(fā)端2腳(低電平觸發(fā)有效)時(shí)，則555的輸出轉(zhuǎn)呈高電平。高電平維持時(shí)間(即暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間)為</p><p>　　T=R25*C17In3≈1.1*R28*C

88、17 （3.1）</p><p>　　計(jì)算得出其暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間約為10s。</p><p>　　3.3.4 電源設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.14 電源電路</p><p>　　由于制作的防盜報(bào)警器需要擁有體積小，重量輕，而且還要易于安置等特點(diǎn)，我們通過(guò)體積、重量、系統(tǒng)功耗、電壓穩(wěn)定的多方面考慮，使用一組干電池

89、供電就已經(jīng)可以滿(mǎn)足報(bào)警器的長(zhǎng)時(shí)間工作。</p><p>　　圖3.14電源電路中我們采用了兩種電源芯片LM7805和TLV1117。兩種芯片都為3端正穩(wěn)壓電路。</p><p>　　TLV1117為電路提供穩(wěn)定3.3V電壓，它內(nèi)含過(guò)熱、過(guò)熱、過(guò)載保護(hù)電路。專(zhuān)門(mén)給熱釋電傳感模塊、聲光報(bào)警模塊以及振動(dòng)感應(yīng)模塊供電。</p><p>　　LM7805:輸出電壓為5V,輸出

90、電流為1A，它給整個(gè)電路供電。</p><p>　　此外，由于使用單電源供電，會(huì)受到電氣干擾，設(shè)計(jì)時(shí)在芯片兩端要加上電解電容和陶瓷電容進(jìn)行濾波。IN4007二極管在電路中可以起到防止因電源接反，而造成電路燒毀的作用。</p><p>　　3.3.5 AVR最小系統(tǒng)</p><p>　　圖 3.15 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　按照

91、實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)以ATmega16為主控芯片的單機(jī)機(jī)最小系統(tǒng)，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位CMOS微控制器。</p><p>　　該單片機(jī)擁有先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間的特點(diǎn)。其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHZ,從而可減小系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。</p><p>　　在方案中，上圖3.15單片機(jī)最小系統(tǒng)主要用于超聲波探測(cè)電路，

92、以及對(duì)聲光報(bào)警器的控制。</p><p>　　3.4 軟件設(shè)計(jì)主要工作模塊流程</p><p>　　圖3.16 主程序流程</p><p>　　通信電纜紅外防盜器程序的流程圖如圖3.16所示。 軟件的設(shè)計(jì)主要采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能的程序進(jìn)行分塊編寫(xiě)。首先將系統(tǒng)初始化，通過(guò)熱釋電紅外探測(cè)器采集環(huán)境中的紅外線，當(dāng)探測(cè)到有人體散發(fā)出來(lái)的紅外線時(shí)，產(chǎn)生中斷，觸

93、發(fā)超聲波模塊工作，系統(tǒng)再把超聲波反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷；如果入侵者闖入了監(jiān)控區(qū)域，聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音。同時(shí)，系統(tǒng)還具有振動(dòng)感應(yīng)功能，當(dāng)受到外力作用時(shí)，報(bào)警器同樣也會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，并且能夠自動(dòng)或手動(dòng)取消報(bào)警。</p><p>　　4防盜報(bào)警系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)</p><p>　　由于整個(gè)系統(tǒng)都是圍繞著兩種傳感器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，通過(guò)電路的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其它部分電路的性能不作研究，主要針對(duì)

94、對(duì)兩種熱釋電傳感器的基本特性進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性是傳感器的兩種基本特性，它能夠反應(yīng)出一個(gè)傳感器性能的好壞。靜態(tài)特性表示當(dāng)信號(hào)為定值或變化緩慢時(shí)，傳感器輸入和輸出的關(guān)系可以用一個(gè)代數(shù)方程來(lái)描述。當(dāng)一個(gè)傳感器研制成功后，可通過(guò)實(shí)際特性來(lái)反映出它在某種條件下所具有的靜態(tài)特性。傳感器的校準(zhǔn)特性是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得的傳感器的靜態(tài)特性。所謂動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量隨著時(shí)間的變化，傳感器的輸出值與輸入值也會(huì)呈某種關(guān)系變化。因此，當(dāng)測(cè)量

95、隨時(shí)間變化的某些參數(shù)時(shí)，只考慮動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)是不夠的，還得注意其靜態(tài)特性指標(biāo)。只有這樣才能使控制、檢測(cè)比較可靠和正確。</p><p>　　4.1　熱釋電紅外探測(cè)器件性能的檢測(cè)</p><p>　?。?）熱釋電紅外光敏器件的特性</p><p>　　熱釋電紅外光敏器件可以通過(guò)使用檢測(cè)度D、靈敏度R、特定檢測(cè)度NEP以及D*噪聲等效功率等來(lái)評(píng)價(jià)。</p>

96、<p>　　圖4.1　靈敏度R、特定檢測(cè)度D*以及遮光頻率f三者間的關(guān)系</p><p>　　熱電紅外光敏器件是熱型紅外光敏器件的一種類(lèi)型，因此要注意其相應(yīng)時(shí)間。其響應(yīng)時(shí)間一般將定義為器件輸出信號(hào)達(dá)到60%峰值的時(shí)間。</p><p>　　此外，熱釋電式器件比較特殊的問(wèn)題是特定檢測(cè)度D*和靈敏度R與器件前方所置機(jī)械遮光裝置的遮光周期T有關(guān)聯(lián)。由上圖4.1所示可知，熱敏傳感器件工作

97、于電容狀態(tài)，靈敏度R和特定檢測(cè)度D*會(huì)隨著遮光頻率f增大而減少。</p><p>　　通過(guò)圖4.2可發(fā)現(xiàn)，在溫度變化范圍非常大的情況下，器件本身的輸出幾乎保持不變。</p><p>　　圖4.2　器件本身的溫度特性</p><p>　　根據(jù)這一特性使得熱釋電紅外光敏器件并不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。然而在實(shí)際應(yīng)用中卻經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)器件在低溫環(huán)境下使用時(shí)，其靈敏度會(huì)有所下降。其

98、實(shí)靈敏度的改變并非是器件本身受到溫度影響造成的，而是大多數(shù)情況下器件頭部結(jié)露引起的。此類(lèi)問(wèn)題可以考慮通過(guò)改善器件的結(jié)構(gòu)等方面解決。</p><p>　?。?）熱釋電紅外傳感器的噪聲特性</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是以一種非接觸方式探測(cè)人或物體等被測(cè)對(duì)象上的紅外線的傳感器。其測(cè)量溫度范圍大(-80～1500°C)，在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)靈敏度高，頻率響應(yīng)好，才能夠得到廣泛應(yīng)用。

99、一般情況下，熱釋電紅外傳感器所檢測(cè)到的紅外熱輻射信號(hào)非常微弱，再加上電路及傳感器都可能會(huì)產(chǎn)生虛報(bào)信號(hào)情況。因此為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)它的噪聲特性進(jìn)行比較全面的分析研究以便改進(jìn)性能是很重要的[11]。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由熱釋電元件、濾波片 和低噪聲結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體</p><p>　　管(JFET ) 阻抗匹配器組成[12]。熱釋電體是一種強(qiáng)電介質(zhì)材料，如鋯鈦酸鉛(P

100、ZT)陶瓷、鉭酸鋰( LiTaO3)單晶體等。</p><p>　　熱釋電元件的等效電阻達(dá)到1010，為了得到最佳噪聲系數(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配，前置級(jí)一般都采用高輸入阻抗和低噪聲JFET與其匹配。下圖4.3為其等效電路。</p><p>　　圖4.3　熱釋電紅外傳感器等效電路</p><p>　　第一級(jí)JFET輸出信號(hào)的信噪比是由熱釋電紅外傳感器來(lái)決定的[13]。

101、于此同時(shí)，在熱釋電體前安裝透鏡片，就可以讓熱釋電紅外傳感器對(duì)波長(zhǎng)處于某段紅外光譜的紅外線敏感。這樣就可以減小其它波段上紅外線輻射的干擾，從而降低誤報(bào)。</p><p>　　下面公式能夠反映出變化的溫度與紅外熱輻射之間的關(guān)系：</p><p>　　式中：傳感器的熱容量為。其中是傳感器比熱；V是傳感器的體積；，其中和分別作為熱釋電元體的表面積和單位熱釋電元體的熱阻；w(t)是輻射的功率；是熱釋

102、電元體對(duì)紅外線的吸收倍數(shù)。把△T作為的函數(shù)對(duì)式子(4.1)的兩邊同時(shí)進(jìn)行拉普拉斯變換，得出的結(jié)果為</p><p>　　作為熱釋電材料所產(chǎn)生的電流，把熱釋電表面積、溫度變化和熱釋電系數(shù)P三者相乘的結(jié)果作為電荷，得出結(jié)果為：</p><p>　　分別把，代入式(4.2)中，，熱釋電材料的厚度為d；，作為熱時(shí)間常數(shù)，得：</p><p>　　由式(4.3 )可知，熱釋電

103、體可以作為一個(gè)電流源，JFET組成的阻抗變換器作為其負(fù)載。阻抗變換器采用了圖4.3所示的形式時(shí)，電路增益比較小，JFET的低頻跨導(dǎo)gm為0.8左右[14]。下圖4.4為熱釋電傳感器的噪聲模型。</p><p>　　圖中JFET可以視為無(wú)噪聲場(chǎng)效應(yīng)管。圖4.4中熱釋傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)電流為；是電阻引起的熱噪聲；，分別是JFET產(chǎn)生的輸入等效噪聲電壓和等效噪聲電流值；是傳感器信號(hào)的帶寬，那么就可以用均方根值來(lái)表示熱釋

104、電紅外傳感器的寬度輸出的噪聲電壓[15]：</p><p>　　將和 式子代入方程(4.4 )中，化簡(jiǎn)得</p><p>　　圖4.4熱釋電紅外傳感器噪聲模型</p><p>　　通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真方程(4.5)，得出結(jié)果如圖4.5所示，曲線反映了頻率與等效輸出電壓的關(guān)系。</p><p>　　圖4.5　頻率和等效輸出電壓的關(guān)系曲線</p

105、><p>　　通過(guò)計(jì)算人的行走頻率，在0.1Hz到10Hz范圍內(nèi)的電流頻率響應(yīng)最好，可以將較高或者過(guò)低的頻率的信號(hào)都截止掉。觀察圖4.5可以看出，低于0.1 Hz的信號(hào)容易受到元件參數(shù)的改變和天氣變化的影響，而大于10Hz的信號(hào)其噪聲電壓會(huì)隨著頻率的增大而增大，當(dāng)信號(hào)頻率在50Hz電源頻率附近時(shí)，容易受到50Hz電磁的干擾。因此，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)按照信號(hào)頻帶及輸出噪聲電壓變化的要求，采用有源帶通濾波器消除電磁干擾，可以

106、提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[16]。</p><p>　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析負(fù)載電阻、動(dòng)態(tài)電阻與阻抗變換器JFET的關(guān)系，可知JFET工作電壓小于6V且漏電流在0.1到10μA范圍內(nèi)時(shí)，傳感器的性能達(dá)到最好。通過(guò)分析圖4.5頻率與噪聲電壓間的關(guān)系可知，工作帶寬外的任何頻率信號(hào)都會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)附加噪聲，尤其隨頻率的升高，傳感器噪聲性能會(huì)越來(lái)越差。</p><p>　　4.2　通信電纜防盜報(bào)警器電路

107、測(cè)試</p><p>　　本系統(tǒng)模擬了多種室外環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試內(nèi)容有：</p><p>　　(1)要求警戒區(qū)域?yàn)?m左右的；</p><p>　　(2)在警戒區(qū)內(nèi)采用了各種光照實(shí)驗(yàn)，包括日光燈光、自然光、白熾燈光等；</p><p>　　(3)在場(chǎng)地設(shè)置了電火花、大電流強(qiáng)電場(chǎng)等電磁干擾環(huán)境。</p><p>　　

108、通過(guò)在上述環(huán)境下多次重復(fù)測(cè)試，得出了測(cè)試結(jié)果:在9V干電池的供電下能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)；熱釋電紅外探測(cè)器探測(cè)距離在7m左右，超聲波探測(cè)器能敏銳的探測(cè)出距離報(bào)警器1.5m左右的活動(dòng)物體。多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)都保持正常，其性能良好、誤報(bào)率低。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的努力奮斗，我在老師和同學(xué)的幫助下，順利如期的完成了畢業(yè)設(shè)