基于红外探测原理的多路无线安防系统设计

    随着电子技术和微机技术的迅速发展和广泛应用，给现代家庭防盗、车库。办公室、银行、博物馆等重大安全场所的报警系统带来新的变革，出现了新的面貌。在日常生活中，各种无线检测系统孕育而生，大大节约了铺设专用通信电路的费用，便于各种安全场所的规划。通过无线通信报警是一种极为方便、有效的手段，相关运用推广。无线通信作为通信系统的一部分，由信号源和收信者、发送设备、传输介质、接收设备组成。无线数字通信系统的发送设备分为信源编码与信源解码两部分。无线数字通信设备的接收设备进行解调、译码、解密等，即完成发送设备反变换的功能，其目的就是从带有干扰的信号中正确恢复原始信号，同时可以对多路复用信号的解除，实现正确分路。基于无线通信的安防系统采用各项无线通信技术，为控制技术，以及模块化，结构化、功能化技术来构造基本的系统功能，是该系统便于维护和改进调整。红外探测传感器根据红外探测原理可以分为可分为光子探测器和热探测器两种。光子探测器是利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。其原理是探测器中电子吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。热释电红外探测器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，其内部的热电元由高热电系数的铁钛铅汞陶瓷以及胆酸铝、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。热释电红外探测器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器3部分组成。传感器作为安防系统的采集者，采用公共接口作为信号的输出接口很好的适用于多种传感器的信号输入。信号输出后采用一个集成开关，当信号达到预设值则打开集成开关，使编码发射模块工作，从而对采集的信号进行编码调制发射。

    1 系统原理

    该安防系统装置是基于热释电红外探测原理，以无线收发传输信号的声光报警设备，其包括数据采集、数据编码、无线收发、单片机控制、信号检测等部分，由ATmega16控制器和热释电红外传感器、编码芯片PT2262、解码芯片PT2272、液晶显示器12864等组成。本系统研究的主要内容是通过热释电红外传感器探测报警信号，有信号则启动无线发射模块对信号进行编码后传给ATmega16单片机，通过无线接收模块接收信号后，将接收到的编码数据输入到解码器上，然后编码器输出端驱动AVR单片机产生外部中断，ATmega16单片机将解码器输出的数据采集到单片机内部，实现声光报警以及判断报警号，把这些数据显示在LCD上并传至控制中心计算机。

    2 系统电路设计

    系统硬件电路包括无线发射系统、无线接收系统、电源电路，其中无线接收系统以ATmega16单片机为控制中心，其外围器件主要由无线接收模块、接收解码、声光报警电路、显示模块组成。系统框图如图1所示。

图1系统框图

    2.1 无线发射电路

    该安防系统通过热释电红外传感器原理采集报警信号进行编码无线发送。传感器采集的信号相对微弱需要进行处理，处理电路选择集成热释电红外处理芯片BISS0001,它具有较高的处理传感信号性能，是由运放器，电压比较器、状态控制器、延时时间定时器以及封锁时间定时器构成的数/模专用集成电路。它具有可重复触发工作方式和不可重复触发工作方式两种工作方式。编码芯片采用台湾普成公司生产PT2262,它发出的编码信号有数据码、地址码、同步码组成一个完整字码，具有功耗低、价位低、通用性好等特点。热释电红外传感器采集的信号通过BISS0001和耦合电容二级放大，热释电红外传感器采集电路如图2所示。

图2热释电红外传感器采集电路原理图

    经过BISS0001处理后输出的信号经两个三极管接通负载，所图3所示，其中R8-R11均为1KΩ的上拉电阻，R4、Q1、Q2组成电子式开关调制电路，R7、C18、Q4、L1和声表谐振器Y1组成315MHz的功率振荡级，当OUT为高定平时，Q1导通，接通编码器将数据码以及相应的地址码和同步码发射出去。

图3无线发射原理图

    2.2 无线接收电路

    该系统无线接收芯片选用超再生SH9902,解码芯片用的是PT2272,它接收到信号后，其地址码经过两次核对比较后，VT引脚输出高电平，经过施密特反相器之后转换成低电平，触发单片机的外部中断，与此同时相应的数据脚输出接收到的数据，PT2272的地址与编码器PT2262的地址必须相同。无线接收电路原理图如图4所示。

图4无线接收电路原理图

    2.3 LCD显示电路

    本系统选用LCD显示器12864,它使用ST7920控制器，5V电压驱动，带背光，内置8192个16×16点阵、128个字符（8×16点阵）及64x256点阵显示RAM（GDRAM）。与外部CPU接口采用并行或串行两种控制方式。LCD与MCU的通信接口设计可以使用直接或间接的访问方式。系统直接通过I/O口与ATmega16进行并行连接，12864的8位数据线直接与ATmega16的8位I/O口连接。报警信号在2个以上（包括2个）时，液晶显示器会轮流显示各个报警点的"报警序号".12864液晶显示器与ATmega16并行接口框图如图5所示。

图512864液晶显示器与ATmega16并行接口框图

    2.4 声光报警电路

    当接收到系统检测到有报警信号时，定时器启动，产生周期性中断，控制ATmega16单片机的P4和P5口发出周期是1s的脉冲信号，蜂鸣器发出蜂鸣，发光二极管闪烁。实现声光报警，当按下复位键之后，系统复位，报警解除。声光报警电路如图6所示。

图6声光报警电路

    2.5 电源电路

    电源电路由变压器、整流滤波电路和稳压电路组成。变压器用于将220V的交流电压转换成7.5V和9V低压交流电压；整流滤波电路用于将交流电整流滤波成较平滑的直流电压；然后通过稳压电路输出+5V（Vcc）和+9V的直流电，供系统的接收系统和发射系统使用。电源电路如图7所示。

图7 电源电路原理图

    3 软件设计

    系统软件设计主要是AVR单片机程序设计，由主程序和各种功能块子程序组成，包括LCD显示程序、外部中断服务程序、定时器中断程序等，具有结构清晰，调整改进容易的特点。该系统主要由C程序实现系统控制功能，实现系统初始化、控制功能设置和报警模式设置等，完成自动检测控制和报警任务。当热释电红外传感器检测到报警信号，无线编码发射系统开始工作，对地址信号和数据信号进行编码发射。无线接收系统接收到信号时，就对信号进行解调并将解调的信号输入到解码集成电路，若地址信号完全相符，则单片机外部中断被触发，在中断服务程序中读取报警信号并设置中断标志位，同时在12864上显示，蜂鸣器发出警报声，发光管闪烁，单片机把接收的数据通过RS-485传输给中心控制计算机。接收系统的主程序流程图如图8所示。

图8主程序流程图

    3.1 LCD显示程序设计

    系统上电后，首先需要对液晶初始化，12864显示器分两行，初始化时，第一行显示"采集数据：单次",第二行显示"控制命令：等待".当下位机单次数据采集时，第一行显示单次采集的数据；当下位机连续采集数据时，12864显示的采集的数据；第二行显示PC机发出的命令，当PC机没有发送命令时，显示"等待";当PC机发送命令后，显示"命令".可以直接使用MCU的总线方式读写液晶或者间接使用I/O软件模拟LCD时序对液晶进行读写，本设计采用间接的方式，首先ATmega16对系统进行初始化，设置I/O的状态，再初始化液晶，对液晶的显示功能设置，通过写命令控制写入数据地址。其流程图如图9所示。

图912864控制流程图

    无线接收系统通过接收到的报警信号，将报警序号实时显示在12864上，如果有多个报警数据，则需要循环显示报警点序号，因此需要动态更新12864上显示的数据。其流程图如图10所示。

图10动态修改显示流程图

    3.2 外部中断服务程序设计

    系统外部中断触发方式选用边沿触发方式检测无线接收系统是否接收到报警信号，这种触发方式如果相继两次采样，一个周期采样为高，下个周期采用为低，则置"1"中断申请触发器，直到CPU响应此中断才清零。这样不会丢失中断，但输入的负脉冲宽度至少需要保持12个时钟周期，才能被CPU采样到。当无线接收系统接收到报警数据时，单片机的外部中断0产生外部中断，接收报警数据，并关闭外部中断0同时启动定时器1开始计数，2s后重新开外部中断0,以接收下次的报警数据。中断服务子程序流程图如图11所示。

图11中断服务子程序

    3.3 定时中断服务程序设计

    本系统采用8MHz的时钟晶振，定时器1作为外部中断响应报警数据的时间间隔计数器，避免一次报警信号使单片机产生多次中断。定时器1是16为计数器初值为3CAFH,中断5次后，开外部中断。

    定时器0作为声光报警电路的脉冲发生控制器，设置初值为06H,每中断500次，控制单片机的P4和P5口改变输出电平状态，即声光报警电路发出周期为1s的声光报警信号。定时器0和定时器1的中断子程序如图12所示。

图12定时器中断子程序

    4 结束语

    本系统根据红外热释电传感器原理，完成了多路无线安防系统的软硬件开发。系统能够完成15路报警点的报警信息，并且使用液晶显示器循环显示报警序号，通过发光二级管和蜂鸣器进行声光报警，同时把得到的数据传输给上位机。系统具有易于操作维护、很强的实时性等优点，系统还可以对电磁干扰方面进行改进，使用单片机内部晶振可以减小系统本身的电磁干扰。