智能化高压脉冲电子围栏系统的研制
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摘 要
随着科技水平的发展，生活水平的提高，人们对生命财产的安全意识越来越
强烈。周界安防，作为防范系统的第一道屏障，越来越受到人们的重视。而电子
围栏目前已成为国内周界安防的主流设备，其作用、地位极为重要。但随着电子
围栏应用的日益推广，原有系统的一些缺陷逐渐暴露出来，比如要么误报率很
高，要么检测率较低，系统使用不久就变成一种摆设，造成资源的浪费；功能比
较单一，难以适应各种应用需求；人机界面不友好，不够人性化，使用、操作复
杂，致使相关使用人员拒绝使用。
针对上述存在的问题，本文提出了一种新型的、智能化设计——智能化电子
围栏系统，它集高检测、低误报、能适用于多种不同场所、操作方便于一体，具
有防御、威慑、报警等多项功能。该设计以单片机AT89S51为核心控制器，采用
BOOST升压和反激式升压，产生4档电压可控、宽度可调的高压输出脉冲，根据使
用场所、时间的不同需要可自动切换输出电压，通过采样、光电隔离、整形、硬
件滤波、软件滤波等综合处理，降低高压脉冲、环境变化对检测造成的各种干
扰，通过分析电子围栏返回信号随输出信号的变化情况，由软件算法判断围栏所
处的状态，得出布防、触网、短路、断路等状态信息，实现智能显示、现场声光
报警、远程数据通讯等功能。此外，本系统备有DC12V蓄电池供电系统，辅助以
智能化的充电方案、备用电源自动切换及管理，当主机掉电或者断电时，保证系
统能长时间、连续稳定地运行，真正实现了断电不断防的目的。
该新型智能化设计，通过各种场所、环境、时段的实验测试，系统运行稳定
可靠，其探测率极高，误报率很低，使用方便、操作简单,且制造成本低。因
此，该设计具有很强的市场竞争力和很好的产品化前景。
关键词：单片机 高压脉冲 电子围栏 智能充电
ABSTRACT
With the development of science and technology, improvement of living standards,
people pay more and more attention to safety of life and property. Perimeter security, as
the first barrier to security systems, is being paid more and more attention by people.
The electronic fence has become the mainstream equipment for the demostic perimeter
security ，and its role and position is extremely important. But with the increasing
promotion of the electronic fence applications, shortcomings of the original system is
gradually exposed, such as either a high false alarm rate or low detection rate; the
system becoming a kind of decoration after using soon, resulting in waste of resources;
difficult to adapt to a variety of application requirements due to single function;
unfriendly man-machine interface and complex operations resulting in being refused to
use.
Aiming to the above problems, this paper presents a new type of intelligent design
- Intelligent electronic fence system which combines high detection rate,low mistake
rate.It can be applied to many different places and easy to operate.It sets the function of
defense,deterrence and alarm in one. Based on theAT89S51 as the core controller, the
system uses the way of BOOST and flyback transformer,producing four grades high-
voltage output pulse with controllable voltage and adjustable pulse width.It can
automatically switch the output voltage according to the different needs of application
areas and time.It reduces detection interference caused by high voltage pulse and
environmental change during sampling, plastic, optical isolation, hardware filtering,
software filtering etc. Analysing the change of return signal of electronic fence in the
wake of output signal, it can judge fence states including deployment, OCS, short circuit
and open circuit with statesoftware algorithms and achieve the function of intelligent
display,scene sound and light alarm and remote data communications.In addition, the
system is equipped with DC12V battery power supply system,supplemented by
intelligent charging solutions and backup power supply automatical cutover and
management. When the host power down or power failure,battery can ensure the system
run in continuous and stable state.
Through the experimental test of various places, environment and period, the new
intelligent design system runs stably and reliably.The detection rate is very high and
false alarm rate is very low.In addition,it’s easy to use and operation. Moreover,its
manufacturing cost is very low.Therefore,the design has a strong market
competitiveness and good product prospects
Key Word: SCM, high-voltage pulse, electric fence, intelligent charging
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论…………………………………………………………………………….1
§ 1.1 课题背景………………………………………………………………………1
§ 1.2 研究目的和意义………………………………………………………………1
§ 1.3 脉冲电子围栏的优势…………………………………………………………2
§ 1.4 脉冲电子围栏的发展…………………………………………………………3
§ 1.4.1 电子围栏的发展历程…………………………………………………….3
§ 1.4.2 电子围栏的发展趋势…………………………………………………….4
§ 1.5 研究内容………………………………………………………………………5
第二章 系统总体方案设计…………………………………………………………….6
§ 2.1 系统需求分析………………………………………………………………...6
§ 2.2 电子围栏系统整体方案……………………………………………………...7
§ 2.3 升压方案设计………………………………………………………………...8
§ 2.31 一级BOOST升压……………………………………………………… ...8
§ 2.3.2 二级反激式升压………………………………………………………..10
§ 2.4 充电方案设计……………………………………………………………….14
§ 2.4.1 蓄电池充电理论………………………………………………………..15
§ 2.4.2 蓄电池充电方法的选取………………………………………………..16
§ 2.5通信方案设计………………………………………………………………...21
§ 2.6 本章小结…………………………………………………………………….23
第三章 系统的电路设计……………………………………………………………...24
§ 3.1主控制器的设计……………………………………………………………...24
§ 3.1.1 系统对主控制器的要求………………………………………………..24
§ 3.1.2 主控制的性能…………………………………………………………..25
§ 3.2 人机界面电路……………………………………………………………….27
§ 3.2.1 人机界面电路组成……………………………………….. …………...27
§ 3.2.2 显示模块…………………..………………………................................28
§ 3.2.3 数据锁存模块……………………………………………… … …...….30
§ 3.3 实时时钟电路……………………………………………………………….32
§ 3.3.1 时钟电路的硬件设计………………………………………………......32
§ 3.3.2 时钟芯片的选择……………………………………………………… .33
§ 3.3.3 实时时钟的实现……………………………..…………………………34
§ 3.4 通信的实现………………………………………………………………….35
§ 3.4.1 通信过程………………………………………………………………..37
§ 3.4.2 通信协议………………………………………………………………..37
§ 3.4.3 通信程序………………………………………………………………..38
§ 3.4.4 智能化管理……………………………………………………………..39
§ 3.5 本章小结…………………………………………………………………….40
第四章 关键技术设计………………………………………………………………...41
§ 4.1 智能化充电设计…………………………………………………………….41
§ 4.1.1 智能充电的过程分析…………………………………………………..41
§ 4.1.2 智能充电的硬件组成…………………………………………………..42
§ 4.1.3 智能充电的软件设计…………………………………………………..46
§ 4.2 升压电路的设计…………………………………………………………….46
§ 4.2.1 升压电路的总体设计…………………………………………………..46
§ 4.2.2 钳位保护电路…………………………………………………………..48
§ 4.2.3 BOOST的升压实现…………………..………………………………....48
§ 4.2.4 反激式升压的实现……………………………………………………..50
§ 4.3 围栏状态检测……………………………………………………………….52
§ 4.3.1 围栏检测电路设计……………………………………………………..52
§ 4.3.2 光耦合器的选取………………………………………………………..54
§ 4.4 软件设计流程图…………………………………………………………….55
§ 4.5 本章小结…………………………………………………………………….56
第五章 测试与结论…………………………………………………………………...57
§ 5.1 系统测试…………………………………………………………………….57
§ 5.2 论文小结与展望…………………………………………………………….57
参考文献……………………………………………………………………………….59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果…………………….............63
致谢…………………………………………………………………………………….64
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
由于科技水平快速发展，一些不法分子的作案手段越来越具不可预知性，使
得人们的生命财产的保障在日常的生活、生产中面临巨大的挑战，特别是在无人
值守的空间、时间，安全问题就更为严重，国内外对于安保也更为重视。电子围
栏作为安防系统第一道防范，也是最重要的一道防范，引起越来越多的关注[1]。
目前用于周界防范的电子围栏，大都采用红外对射、振动电缆和泄露电缆等前端
报警探测器，普遍存在着价格昂贵、误报率高，不能在复杂地形、气候条件下使
用等问题，使用者及商家都盼望有功能更完善的产品问世[2]。在总结以往类似工
程功能效果、设计施工经验后，我们决定将周界防范探测器的传统防范形式改为
阻挡加报警的形式，提高前端探测器的环境适应能力，给入侵者以威慑力，减少
警情发生，达到防范于未然的目的。
§1.2 研究目的和意义
为了实现阻挡和报警的双重目标，应采用恐吓、威慑等方法给入侵者以警
告，这样既不伤害入侵者的生命，违反国家有关的安全标准，又能达到安防目
的。解决的方案应具有较高的可行性和性价比，易于产品化推广。脉冲电子围栏
因其脉冲为瞬间高压，包含的能量小，即使与之接触也不会发生致命危险，恰好
达到威慑的目的[3]。
电子围栏是目前最流行的周界安防阻挡报警设备，它引进了世界上最新的报
警理念：阻挡为主，报警为辅[4]。但随着电子围栏系统的普及应用，原有系统的
一些缺陷逐渐暴露出来，其功能比较单一，而难以适合各种场合的需求。比如：
幼儿园、小学等场合，要求围栏白天只要较低的工作脉冲电压，而晚上则需要较
高的工作脉冲电压，并且能实现自动切换；而且在电子围栏系统大范围应用场
所，在尽可能减少管理人员投入的前提下，如何实现系统的统一管理；此外，有
些电子围栏系统，人机界面不友好，使用、操作复杂，也不够人性化，还有一些
在使用过程中，要么误报率很高，要么检测率较低，系统使用不久就变成一种摆
设，造成资源浪费。这些问题已经越来越多的由消费者反映出来，引起了生产厂
家和社会的广泛关注。
基于这个思路，我们设计了一种新型智能化电子围栏，作为一种新型智能化
设计，它不但能产生不同等级的高压，可以根据安防需求进行高低压之间的自由
智能化高压脉冲电子围栏系统的研制
2
切换；可独立工作，也可以由管理中心（例如PC机）统一管理、控制，实现多台
脉冲主机并联运行；同时采用光电隔离等方法，降低高压脉冲对检测主机、检测
电路的干扰，使误报率大大降低，检测率大大提高，保证系统能长时间、连续稳
定的运行。
§1.3 脉冲电子围栏的优势
脉冲电子围栏具有威慑（降低作案的欲望）、阻挡（制造入侵的障碍）、报警
（声、光报警并可与其它安防系统联动）等三重功能。阻挡作用首先体现在威慑
功能上，金属线悬挂警示牌，一看到就产生心理压力，并且触碰围栏时会有触电
的感觉，足以令入侵者望而却步[5]；其次，电子围栏本身也是有形的屏障，安装
适当高度和角度，很难攀越；如果强行突破，主机会发出报警信号。脉冲电子围
栏系统的脉冲电压虽然高达5000-8000Ｖ，但是脉冲的重复频率极低，每10μS仅
１次，脉冲持续时间小于等于5μS秒，每个放电脉冲所包含的最大能量不大于5
焦耳，最大电量不大于2.5毫科伦[6]。由此可见，其能量很小，不会伤人，仅给予
入侵者较难受的警告，动摇其攀越围栏的能力与动机，以达到安全阻挡的目的。
脉冲电子围栏的优点[7]：
1)电子围栏采用先进的“阻挡为主，报警为辅”的周界安防理念，集“威
慑、阻挡、报警、安全”于一身。
2)独特的前端围栏触网探测技术使电子围栏真正实现了触网、短路、断路三
种模式报警。
3)由微处理器控制具有高度的可靠性，键盘操作简单方便。
4）先进的脉冲高压输出功能：周界每条围栏线都有电击，使防御无懈可
击。强力阻挡形成的物理屏障，能延迟入侵时间，为安全防范争取主动。
5）误报率极低。先进的报警原理，抗干扰能力极强，报警精确，克服了红
外、微波、静电感应等的技术缺陷，周界各种绝缘端子均为防水设计，保证系统
在报警的同时，不受气候、植物、小动物等因素影响。
6）无盲区、无死角。周界电子围栏可随地形起伏架设，大门口、拐角均可
安装。
7）安全可靠。系统采用了高电压、低能量的设计思路，不会对人体构成生
命危害。
8）高低压可转换模式：用户可根据不同的需求自由切换工作模式。白天或
有人在围栏附近作业时便切换到低压模式，可使前端围栏的脉冲打击力度降低；
在夜间或需要高警戒时，可恢复到高压脉冲模式。
摘要：
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摘要随着科技水平的发展，生活水平的提高，人们对生命财产的安全意识越来越强烈。周界安防，作为防范系统的第一道屏障，越来越受到人们的重视。而电子围栏目前已成为国内周界安防的主流设备，其作用、地位极为重要。但随着电子围栏应用的日益推广，原有系统的一些缺陷逐渐暴露出来，比如要么误报率很高，要么检测率较低，系统使用不久就变成一种摆设，造成资源的浪费；功能比较单一，难以适应各种应用需求；人机界面不友好，不够人性化，使用、操作复杂，致使相关使用人员拒绝使用。针对上述存在的问题，本文提出了一种新型的、智能化设计——智能化电子围栏系统，它集高检测、低误报、能适用于多种不同场所、操作方便于一体，具有防御、威慑、报...
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