基于PIR传感器的防盗报警器的设计

【摘要】本文针对传统防盗报警系统感应部分存在缺陷的问题，提出了一种以单片机为核心采用PIR传感器作为感应器件的电子防盗器的设计方法。本文硬件设计部分介绍了系统总体硬件电路设计、PIR传感器硬件电路设计，软件设计部分给出主程序的工作流程图。本设计的实际性能通过长期使用得到验证，达到了预期的效果。

【关键词】单片机；PIR传感器；数据采集；防盗报警器

1.引言

随着社会经济的不断发展，人们生活水平有了很大的提高，对私有财产的保护意识在不断增强，因而对防盗措施提出了新的要求。目前市面上主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等多种防盗装置，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。本设计采用了PIR传感器（热释电红外线传感器），它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作，是一种性能优良的电子防盗装置。

2.总体设计

本设计须包含如下结构：热释电红外传感器探头电路、报警电路、单片机、复位电路、LED显示控制电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图1所示。

系统设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89S51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟一段时间（10秒）后自动解除，也可手动解除报警信号，然后通过LED显示报警次数，当警情消除后复位电路使系统复位，或者在声光报警10秒后由定时器实现自动消除报警。

3.系统硬件选择

3.1 PIR传感器简单介绍

PIR传感器（热释电红外线传感器）是近年来发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器。它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。

红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，虽然其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，使用简单可在常温下工作。相反量子型操作复杂，而且需要冷却条件，所以不易推广。

PIR传感器的特点为：

（1）传感器接收的是被测对象自身发射红外线，因此不必另设光源。

（2）大气对2-2.6lLm、3-5lLm、8-141lm三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测。

（3）中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。

3.2 PIR传感器的原理特性

PIR传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“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，从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9～10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过用部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

3.3 PIR传感器结构特性及安装

图2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20μm。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜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，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。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。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。

本设计所用的热释传感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如图3所示，在VCC电源端[2]利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2、R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。

双探测热释电红外探头的优缺点在于本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。

3.4 红外线热释电传感器的安装要求

红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：

（1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

（2）红外线热释电传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方。

（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

（4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度是极为重要的一环。

4.硬件电路实现

本设计的电路原理图如图4所示。

5.软件的程序实现

按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如图5所示。

本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止声光报警的作用。

该设计程序的结果达到了预期的目的，通过多次调试和修改，且在程序设计过程中应考虑到各方面的干扰以及输入输出信号在工作中的不稳定因素，都应该在程序设计或硬件外围电路中对这些干扰和不稳定因素进行消除和稳定。在本设计中已经对外部输入信号和按键中断进行了软件消抖和防干扰处理，本设计在设计过程中，应该考虑的问题和因素都已经进行了对应的处理，所以，一些隐患在设计过程中都已经消除了，根据仿真实现了设计功能。

6.结语

本次设计的一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器，以AT89S51单片机为工作处理器核心，外接热释电红外传感器。它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警，同时通过显示电路显示出报警次数，以便人们识别了解报警情况。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低等，应用前景广阔。

参考文献

[1]元增民.单片机原理与应用[M].长沙：国防科学大学出版社，2006.

[2]徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.1.

[3]唐桃波，陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器[J].电子设计应用，2003（6）：49-51.

基金项目：常州机电职业技术学院2013年院级课题“基于PIR传感器的防盗报警器的开发”（项目编号：2013/YJ-KJ/10）。

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