一種主動紅外探測報警系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：介紹一種主動紅外探測式智能報警系統(tǒng)的設(shè)計原理，給出該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場報警遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。該系統(tǒng)主要通過AT89C2051單片機(jī)編程發(fā)出PWM載波以控制紅外光發(fā)射管TSAL6200的發(fā)射，同時接收來自接收模塊HS0038A2的觸發(fā)信號，以達(dá)到主動探測報警的目的。結(jié)合VC++網(wǎng)絡(luò)編程，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞：紅外光發(fā)射檢測；單片機(jī)；串口通訊；VC++網(wǎng)絡(luò)編程

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0314303

Design for an Initiative Infrared Detecting Alarming System

LI Junwei1，ZHAN Zhibiao2

(1.Yingtan Vocational Technical Institute，Yingtan，335001，China;2.Computer Engineering College，Wenzhou University，Wenzhou，325035，China)

Abstract：Active infrared detecting intelligent alarming system design principle is introduced，the system is the hardware and software design methods，realizes the scene alarming system remote monitoring purposes.The system primarily through the issue of programming AT89C2051 to control PWM carrier infrared light—emitting tube TSAL6200 the launch simultaneous reception from the receiver module HS0038A2 the trigger signal to achieve the initiative alarming purposes.VC++ network programming so as to reach remote monitoring purposes.

Keywords：infrared ray′s transmission detection;single chip computer;serial communication;VC++ network programming

隨著生活水平的不斷提高，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，對居住、出行的安全也非常重視。人們對價廉可靠方便的報警系統(tǒng)的需求也越來越大，本文介紹的主動紅外探測報警系統(tǒng)是基于紅外光發(fā)射、紅外光檢測、單片機(jī)控制語音報警、PC監(jiān)控的完整系統(tǒng)，適合那些IT上班族對自家的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 主動紅外探測報警系統(tǒng)的介紹

本系統(tǒng)屬主動紅外入侵探測類系統(tǒng)，主動式紅外探測器是由發(fā)射、接收裝置兩部分組成。為降低成本，簡化安裝，系統(tǒng)底層由一片AT89C2051擔(dān)任紅外光發(fā)射和接收處理任務(wù)，其紅外光發(fā)射器與紅外光接收器均安裝在同一PCB板中。眾所周知，紅外光是一種不可見的光波，他具有光的直線傳播特性，紅外光發(fā)射器發(fā)出紅外光后，若遇阻礙物阻擋，將會產(chǎn)生紅外光漫反射，當(dāng)反射足夠強(qiáng)時，紅外光接收器能夠接收并解調(diào)出該紅外光信號。換言之，當(dāng)紅外光接收器接收到紅外光發(fā)射器所發(fā)射的信號后，說明在有效探測區(qū)中有阻礙物存在。經(jīng)實(shí)際測試，本系統(tǒng)有效探測區(qū)半徑為2 m，適合安裝在家居門窗外面，能有效探測異常物體的入侵。

主動紅外探測報警的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，因為紅外光屬于非可見光源，入侵者難以發(fā)覺與躲避，系統(tǒng)防御界線非常明確，當(dāng)探測到有阻礙物時，紅外光接收器將觸發(fā)語音報警，并啟動單片機(jī)串行發(fā)送程序，通過RS 232與PC串口相接，將報警信號傳向PC，再由PC自動轉(zhuǎn)發(fā)給異地的用戶PC，從而實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。

2 主動紅外探測報警系統(tǒng)的整體設(shè)計

整個系統(tǒng)包括硬件設(shè)計及軟件設(shè)計兩大部分，其中硬件由上下位機(jī)組成，上位機(jī)是PC，下位機(jī)由紅外光發(fā)射電路、紅外光檢測電路、單片機(jī)控制電路、語音報警電路、單片機(jī)—PC串口電路等部分組成，如圖1所示，其中語音報警模塊為可選組件，可根據(jù)需要自由選配；軟件設(shè)計包括單片機(jī)下位機(jī)程序及PC機(jī)C/S監(jiān)控程序兩大部分，其中單片機(jī)程序主要負(fù)責(zé)紅外光微波信號的產(chǎn)生、紅外光接收中斷信號的處理、報警信號的傳輸，PC機(jī)C/S監(jiān)控程序主要負(fù)責(zé)報警信號的接收、異地傳送處理等。下面重點(diǎn)敘述紅外光發(fā)射接收解調(diào)的硬件和軟件設(shè)計。

圖1 主動紅外探測式硬件設(shè)計框圖

3 紅外光發(fā)射、接收解調(diào)電路的設(shè)計

紅外光通訊以紅外光作為通訊載體，通過紅外光在空中的傳播來傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無線傳輸，硬件部分主要由紅外光發(fā)射器和紅外光接收器來完成。在紅外光發(fā)射器電路中，通過單片機(jī)軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)AT89C2051的P3.7輸出38 kHz PWM紅外光載波信號，然后經(jīng)9013驅(qū)動紅外光發(fā)射管TSAL6200[1]發(fā)射出紅外光。圖2是紅外光接收電路，其中接收模塊HS0038A2[2]專門負(fù)責(zé)接收由阻礙物反射回來的紅外光載波，并解調(diào)輸出報警中斷信號到AT89C2051的INT0輸入端，從而引發(fā)單片機(jī)INT0中斷。

在PCB設(shè)計時，由于發(fā)射管TSAL6200與接收模塊HS0038A2共處同一PCB，考慮到周圍元器件的存在，接收模塊極易接收到來自周圍元器件漫反射的紅外光，引起中斷觸發(fā)造成誤報，為避免發(fā)射與接收之間的相互干擾，發(fā)射管與接收模塊應(yīng)盡量分開布置，并做好中間隔離，必要時還要為發(fā)射管和接收模塊增加套管外殼，同時還要注意接收模塊的光敏面應(yīng)與發(fā)射管的發(fā)射面處于同一方向，保證能夠探測有效區(qū)中的阻礙物反射。在調(diào)試時，以前方無阻礙物時不產(chǎn)生INT0中斷信號為合格作為前提。

圖2 紅外光接收電路

4 紅外光發(fā)射接收原理

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，是用一系列待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)去調(diào)制38 kHz載波信號(如圖3)，經(jīng)過調(diào)制的載波信號將通過外圍紅外光發(fā)射電路即AT89C2051的P3.7端口、9013及TSAL6200發(fā)射出去。接收模塊HS0038A2負(fù)責(zé)接收并解調(diào)紅外光信號，圖3是經(jīng)過解調(diào)后輸入INT0的調(diào)制信號。要實(shí)現(xiàn)紅外光波頻率為38 kHz，并采用PWM脈寬調(diào)制方式發(fā)送[3]，可以由單片機(jī)內(nèi)部定時器編程實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計中，發(fā)射和接收共用一個單片機(jī)AT89C2051，一般情況下，單片機(jī)定時程序會不斷地啟動發(fā)射程序，當(dāng)HS0038A2接收到有效紅外光反射時，其輸出信號作為報警信號將觸發(fā)單片機(jī)的INT0中斷。

圖3 調(diào)制過的紅外光發(fā)射信號及接收解調(diào)信號

為保證觸發(fā)報警的靈敏度，系統(tǒng)檢測阻礙反射的最短時間應(yīng)控制在ms級，所以二進(jìn)制調(diào)制信號周期不宜過大，本系統(tǒng)的二進(jìn)制調(diào)制周期為1 200 μs，能滿足紅外探測靈敏度要求。

5 單片機(jī)程序設(shè)計

上面提到過本系統(tǒng)僅采用一塊單片機(jī)，其紅外光發(fā)射與接收任務(wù)均由一塊單片機(jī)完成，這完全得益于靈活的軟件編寫。圖4是單片機(jī)主程序流程圖，其中單片機(jī)初始化程序?qū)⑼瓿蓪Χ〞r器T0，T1，外部中斷口以及串行口中斷等初始化設(shè)置，然后進(jìn)入對R6標(biāo)志的檢測，R6是紅外光接收中斷標(biāo)志，當(dāng)有紅外光接收中斷時，將啟動INT0中斷處理程序，INT0中斷處理程序?qū)㈥P(guān)斷定時發(fā)送程序，并修改中斷標(biāo)志R6為2，在結(jié)束INT0中斷處理程序返回主程序后，主程序通過對R6值的檢測，來判斷是否有中斷產(chǎn)生。如果R6值為2，將被判定有中斷產(chǎn)生，然后恢復(fù)R6值為1，并啟動語音報警和串口發(fā)送處理程序，最后經(jīng)適當(dāng)延時重新啟動T0并進(jìn)入主程序循環(huán)。如果主程序檢測R6值不為2，則將繼續(xù)檢測R6。

圖4 單片機(jī)主程序流程圖

6 紅外光發(fā)射程序設(shè)計

紅外光發(fā)射程序是本系統(tǒng)單片機(jī)程序的關(guān)鍵程序，他的正確編寫直接關(guān)系到接收模塊HS0038A2是否能正確解調(diào)出紅外光。AT89C2051定時器T0負(fù)責(zé)紅外光發(fā)射，其軟件編寫必須根據(jù)HS0038A2的接收解調(diào)特性來編寫，HS0038A2是個標(biāo)準(zhǔn)的紅外光接收模塊，環(huán)氧包裝，帶紅外過濾器，抗干擾能力強(qiáng)，與TTL和CMOS兼容，適合與AT89C2051單片機(jī)直接相接，他能接收解調(diào)載波頻率為38 kHz的紅外光方波。所以編程的關(guān)鍵之一是要能夠正確產(chǎn)生38 kHz的載波，二是用適當(dāng)?shù)亩M(jìn)制0和1去調(diào)制38 kHz載波[4]，最終輸出經(jīng)調(diào)制過的38 kHz載波信號。我們可以利用單片機(jī)定時器的脈寬調(diào)制PWM特性來做，本系統(tǒng)T0設(shè)定為方式1，以便能重裝初值，確保正確調(diào)制要求。T0定時中斷程序控制發(fā)射600 μs 38 kHz載波紅外光脈沖，要求一個載波周期約為1/38 kHz＝26 μs，則在P3.7要輸出600/26＝23個高低電平，系統(tǒng)Fosc若以20 MHz計算，一個系統(tǒng)機(jī)器周期為12/20 MHz ＝0.6 μs，每個高電平或低電平需要執(zhí)行26/(2*0.6)＝22個機(jī)器周期，T0的計數(shù)初值由定時600 μs確定，TC＝216－600/0.6＝0FC18H，在T0計數(shù)期間，P3.7一直輸出低電平。從調(diào)制角度上來說，T0中斷時將發(fā)射由二進(jìn)制1調(diào)制的載波，在T0定時計數(shù)時，將發(fā)射由二進(jìn)制0調(diào)制的載波。因此T0定時發(fā)射程序編寫如下：

T0: CLRTR0;Fosc=20 MHz

TIAO1:MOVR0，#23 ;載波600 μs需調(diào)用子程序23次

TIAO11:LCALLH;調(diào)用高低電平約44個機(jī)器周期子程序

DJNZR0，TIAO11;2個機(jī)器周期

T0EXIT:MOVTL0，#18H ;延時600 μs的時間常數(shù)

MOVTH0，#0FCH

SETBTR0

RETI

H:SETBP3.7 ;執(zhí)行時P3.7仍為低電平，執(zhí)行后為高，1個機(jī)器周期

H1:MOVR1，#10 ;1個機(jī)器周期

DJNZR1，＄;20個機(jī)器周期

CLRP3.7;執(zhí)行時P3.7仍為高電平，執(zhí)行后為低，1 個

MOVR1，#9;1個

DJNZR1，＄;18個

H2:RET;1個

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)Fosc為20 MHz時，為保證單片機(jī)與PC能可靠地進(jìn)行串行通訊[5]，定時器T1設(shè)定為方式2，定時初值定為0F5H，此時串口波特率為4 800 b/s。PC端串口通訊可基于VC++的MSComm控件編程，實(shí)踐證明通訊良好，未出現(xiàn)誤報情況。

7 其他設(shè)計

PC端對報警信號處理，我們可以通過VC++網(wǎng)絡(luò)編程自行設(shè)計，報警信號送至服務(wù)器PC后[6]，利用Internet網(wǎng)絡(luò)將報警信號傳送到異地的客戶端PC。本系統(tǒng)還包括單片機(jī)控制、串口發(fā)送、語音播放、電源等其他軟硬件設(shè)計，限于篇幅，在此就不一一介紹了。

8 結(jié) 語

上述設(shè)計方案已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，整個系統(tǒng)小巧方便，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)試制作簡單，性能可靠。考慮到系統(tǒng)方案的更新擴(kuò)展，還可以利用手機(jī)短信模塊，將報警信號直接發(fā)送到客戶手機(jī)當(dāng)中，以增加異地接收報警的可靠性，從而彌補(bǔ)Internet網(wǎng)絡(luò)即時性差的缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介 李峻薇 女，1970年出生，湖南長沙人，工程師，學(xué)士。

占志彪 男，1966年出生，江西上饒人，實(shí)驗師，學(xué)土。研究方向為人工智能。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。