基于紅外探測的ATM設備報警裝置設計

中國石油大學（華東）理學院，山東青島 266580

一、前言

ATM設備自1937年問世以來發展迅速，人們已經習慣使用ATM設備轉賬、查詢、提取現金。由于ATM設備具有分布地域復雜、犯罪誘惑性高、無固定人員值守等特點，在ATM服務區域，盜竊案件頻繁發生[1]。

近年來，不法分子利用他人遺忘在ATM機中處于交易狀態的銀行卡進行取款、轉賬。此類案件的屢次發生，不僅給客戶造成不可估量的經濟損失，也給各地公安機關造成巨大的壓力，同時給社會穩定蒙上陰影。

為防止此類案件的發生，目前各大銀行ATM設備通常采用24小時監控系統。這種非智能的檢測裝備對ATM設備上發生的犯罪活動進行調查、追蹤，需要耗費大量的人力物力，而且效果很不理想[2]。因此，需要一個能夠實時提醒持卡人取卡的報警系統。

針對以上需求，設計出一套基于紅外探測技術的ATM設備報警裝置，在不改變ATM后臺程序的前提下，當持卡人離開未取卡，此裝置能夠及時通過聲音和燈光提醒持卡人取卡。

二、系統總體設計方案

為實現ATM遺卡報警功能，需要設計實現紅外脈沖發射和接收、多路信號實時處理及聲光報警。本裝置主要由AT89C51中央控制芯片、持卡人檢測模塊（紅外發射模塊1、HS0038紅外接收一體化接收頭Q1、Q2）、銀行卡檢測模塊（紅外發射模塊2、HS0038紅外接收一體化探頭Q3、Q4）和報警模塊構成，如圖1所示。

其中，將紅外發射模塊1 放置在銀行門口處，接收頭Q1Q2相鄰放置，間隔在可檢測范圍內，Q1在外Q2在內，發射模塊D4放置在ATM機插卡處上方，Q3Q4在插卡處下方相鄰放置，Q3在外側，Q4在內側。

首先進行持卡人檢測，先檢測到Q1后Q2，則持卡人進入；然后進行銀行卡檢測，先Q3后Q4則銀行卡插入；在持卡人操作結束之后，先Q4后Q3，表示銀行卡已取出，再Q2Q1表示持卡人離開，若未檢測到銀行卡取出，檢測到持卡人離開Q2Q1則報警。

為避免環境光干擾，提高可靠性，系統檢測模塊的工作頻率采用38kHz，并且采用單片機控制，無需人為干預，具有操作性強、穩定性好、實時性突出等優點。

三、系統硬件電路設計

系統的原理圖如圖2所示。系統主要由紅外發射模塊、紅外接收模塊、控制芯片AT89C51 以及報警模塊組成。

1、紅外發射模塊

紅外發射模塊由紅外發光二極管、三極管和電阻構成。調整電阻阻值，可改變通過紅外發光二極管的電流強度，為紅外發光二極管提供（可承受的功率范圍內）最合適、最佳的工作狀態[3]。紅外光的發射則通過紅外發光二極管配合單片機、三極管實現，此裝置具有體積小，靈敏度高，價格低廉等優點。

本系統需要的頻率為38kHz的紅外信號由單片機控制產生。單片機自帶的兩個定時器/計數器T0、T1有四種工作方式，在設計時選用計數器T0，并且選擇工作方式1，編寫程序產生38kHz的方波并加載到三極管的基極。三極管作為可控開關以一定的時間間隔重復導通和截止。當三級管導通時，紅外發光二極管發射紅外光。

2、紅外接收模塊

紅外接收模塊由紅外一體接收頭HS0038構成。接收頭由黑色環氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內附磁屏蔽，功率低，靈敏度高。HS0038接收38kHz的紅外信號，周期約為26μs，同時能對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號[4]，在小功率發射管發射信號情況下，接收距離可達35m，其內部結構如圖3所示。

HS0038用于接收來自紅外發射模塊的紅外信號，處理后傳輸給AT89C51中央控制芯片。在VCC 和GND之間并入一個0.1μF的電容，用以改善信號質量[5]。

3、控制芯片AT89C51

由美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機作為控制模塊，該單片機是一種自帶4k字節FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS8位微處理器，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[6]。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，其工作效率非常高，并且可實現反復擦除1000次。它的工作電壓范圍為直流4.5～5.5V，全靜態操作0～24MHz，通過RST實現重啟和復位。

本設計中單片機的P1.0-P1.3接口分別與設置在銀行卡檢測區域和持卡人檢測區域的紅外一體化接收頭HS0038的輸出端連接，實現數據的接收。P2.7用于輸出38kHz方波信號控制紅外發射模塊。P1.4-P1.6作為單片機的輸出管腳，控制報警模塊。

4、報警模塊

報警模塊由3個LED和三個電阻構成，共陽極相接，用來顯示當前狀態，D1判斷用戶的進出，D2判斷銀行卡的插拔，D3用來報警。當單片機相應管腳P1.4-P1.6輸出低電平時，對應LED亮起。

當持卡人進入銀行，P1.4輸出低電平，D1亮；當銀行卡插入ATM機，P1.5輸出低電平，D2亮；當持卡人離開銀行P1.4輸出高電平，D1滅；當銀行卡拔出ATM機，P1.5輸出高電平，D2滅；當未拔卡（D2亮），持卡人離開銀行（D1滅）時，P1.6輸出低電平，D3亮，觸發報警電路，報警持續30s。

四、系統軟件設計

1、系統主程序流程

系統主程序流程圖如圖4所示。系統初始化后，單片機發送38kHz方波控制紅外發射裝置，持卡人檢測模塊與銀行卡檢測模塊進入檢測狀態，檢測模塊實時向單片機傳送解調后的數字信號。持卡人進入操作區插卡后，設備檢測到銀行卡進入插卡口，此時系統監控銀行卡和持卡人狀態，若判斷到銀行卡取出，則本次服務結束，返回初始化，等待下次執行；若判斷到銀行卡處于未取出狀態，則轉而進行持卡人狀態判斷，若持卡人離開，則觸發報警裝置，進行時長為30s的提醒，報警結束后，系統重新初始化；若持卡人未離開，則轉而繼續進行銀行卡狀態判斷。

2、紅外發射程序設計

本裝置所需紅外脈沖頻率為38kHz，該頻率可利用單片機定時器產生。在單片機工作方式1中，有：

其中，T=0.1μs，Max=216，f'表示中斷頻率。為輸出 38kHz方 波，f' =72kHz，代入公式（1），得X=65523。故初始化TH0=0XFF，TL0=0XF4。方波產生關鍵程序代碼如下：

3、紅外檢測程序設計

持卡人檢測區的紅外接收模塊負責檢測持卡人狀態。當持卡人進入檢測區，遮擋發射模塊的紅外信號，紅外接收模塊向單片機輸出低電平。各接收頭分別與單片機不同端口連接，單片機通過電平輸入的端口號，獲得紅外接收頭序號。當Q1、Q2依次被遮擋，即P1.0與P1.1先后檢測到低電平，說明持卡人走進ATM設備區域；相反，如果Q2、Q1依次被遮擋，說明持卡人離開ATM設備區域。

五、系統仿真

將程序寫入單片機運行，紅外發光二極管兩端檢測到的方波如圖5。從示波器可以讀出，紅外二極管的發光頻率為38.4615kHz，處于誤差可控范圍內，且方波信號明顯，占空比理想[7]，完全符合HS0038紅外信號接收條件。

利用Proteus軟件驗證電路設計的正確性。仿真電路圖如圖6所示。

模擬報警過程時，紅外一體化接收頭HS0038用開關代替，開關SW8、SW9、SW6、SW7的打開與閉合分別代表紅外一體化接收頭Q1、Q2、Q3、Q4接收到電平信號的高與低。LED燈亮，代表持卡人離開且忘記取出銀行卡。按電路所示，開關打開電路斷電平高，開關閉合接地電平為低。

圖7所示，SW8、SW9依次閉合，模擬持卡人經過紅外接收裝置，進入ATM設備操作區。利用SW6、SW7先后閉合，模擬銀行卡插入ATM設備。當SW6、SW7先后閉合后，在沒有發生SW7、SW6依次閉合的情況下就發生SW9、SW8依次閉合，這代表持卡人離開且沒有取卡，此時LED 亮，即系統報警。

以上仿真結果表明，報警裝置設計正確，且達到預期要求。

六、結論及意義

本文所述是針對持卡人在ATM設備取款后遺忘銀行卡問題的一種嘗試。該裝置是由紅外發光二極管、紅外一體化接收頭和單片機構成的智能報警系統。該系統所采用的紅外檢測方式成熟穩定，可靠性高，檢測靈敏，系統整體高度智能化，能夠真正實現有效的自助安全守護。若其廣泛使用，對防止相關金融案件發生、降低ATM自助存取款風險，必將起到積極作用。