基于单片机的防盗报警器课程设计(改良版)要点.pdf
0 目录 摘要· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 引言· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 1 设计任务与要求· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 2 基础知识介绍·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 2 2.1 热释电红外传感器简单介绍· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2.2 PIR的原理特性·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 2.3 AT89C51 单片机简单概述·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 3 方案设计·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 3.1 总体设计思路· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 3.2 具体电路模块设计· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 3.2.1 热释电红外传感器原理· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 3.3 系统硬件电路的选择及说明· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 3.4 软件的程序实现·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 3.4.1 主程序工作流程图·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 8 3.4.2 中断服务程序工作流程图· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 4 软件仿真·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 9 5 总结· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 6 参考文献· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 7 致谢· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12 8 附 录· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13 1 摘要 ： 基于社会安全保障的需要，电子报警这门综合技术的正在不断的发展。与此同 时，红外技术已成为先进科学技术的重要组成部分，由于红外线是不可见光，因此 用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜都可以使用，而且其抗干 扰能力强。防盗报警系统利用单片机控制技术，自动探测发生在布防区内的侵入行 为，产生报警信号，一旦发生突发事件，就会向人们发出报警提示，从而让人即使 采取应对措施。本系统采用了热释电红外传感器，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。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括 单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。 处理器采用 51 系列单片机 AT89C51 ，整个系统是在系统软件控制下工作的。因此在 防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域 中，热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专 业人士的欢迎。 关键词 ：单片机 ；红外传感器 ；数据采集； 报警电路 引言 随着社会的不断进步和科学技术、 经济的不断发展， 人们生活水平得到很大的提高， 对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为 了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。 就目前市面上装备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各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。而本设 计中所使用的红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保 装置中得到了广泛的应用。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红 外线，并将其转变为电压信号，同时，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可 用于制动控制、接近开关、遥测等领域。红外线报警器分主动式和被动式两种。 主动式红外线报警器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回 来，被报警器的探头接收。如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红 线线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线 2 的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。 被动式报警器少了一项功能，就是发射红外线。物理学上告诉我们，当物体的温度 高于 0K的时候，就会发出红外线，换句话说任何物体都能发出红外线。而其后的原理， 被动式报警器和主动式是一样的。 红外线报警器对温度敏感 , 温度越高的物体辐射出的红外线越强, 当感应到环境中存 在高出背景强度的辐射时 , 就触发反警。 1 设计任务与要求 (1) 该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、 键盘控制、报警等 模块子函数。 (2) 本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控 制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设 定、本地报警等功能。终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定 模块等部分组成。 (3) 系统可实现功能。 当人员外出时， 可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工 作起来 , 当有人闯入时 ，热释电红外传感器将探测到动作，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 AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声 1 。 (4) 红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有 人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地 增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采 用声光信号。 2 基础知识介绍 2.1 热释电红外传感器简单介绍 热释电红外线 (PIR)传感器是 80 年代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 3 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 2 。如图 1 示为热释电 红外传感器的内部电路框图。 图 1 热释电红外传感器的内部电路框图 2.2 PIR 的原理特性 热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，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。 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0.2-20um 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。 2.3 AT89C51 单片机简单概述 由于我们在单片机原理与接口技术 这门课程中已经熟练掌握了AT89C51单片机 的结构和工作原理，因此在此处就不必过多的讲述。 4 3 方案设计 3.1 总体设计思路 本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子 模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电 路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、 本地报警等功能。 就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应 用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/ 输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用 系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、 报警电路、 单片机、复位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2 总体设计框 图所示： 图 2 总体设计框图 处理器采用 51 系列单片机 AT89C51 。整个系统是在系统软件控制下工作的。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 AT89C51 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10s 一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警 信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s 钟后有定时器实现自 动消除报警 4 。 AT89 C51 复位电路 信号检测电路 报警执行电路 LED 发光显示 放大 驱动 驱动 5 3.2 具体电路模块设计 3.2.1 热释电红外传感器原理 本设计所用的热释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。 RS Y2 Y1 R1 R2 C2 C1 R3 R4 Q2 NPN Q1 FET VccVCC 3v12v OUT 图 3 热释电红外传感器原理图 3.2.2 放大电路的设计 如图 4 所示为最基本的放大电路，Vi 是输入电压信号， Vo是输出放大的电压信号。 图 4 放大电路图 6 3.2.3 时钟电路的设计 XTAL1和 XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振 荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。 因为一个机器周期含有6 个状态周期，而每个状态周期为2 个振荡周期，所以一个 机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ ，一个振荡 周期为 1/12us ，故而一个机器周期为1us 5 。如图 5 所示为时钟电路。 图 5 时钟电路图 3.2.4 复位电路的设计 复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作 6 。例如使用晶振频 率为 12MHz 时，则复位信号持续时间应不小于2us 7 。 本设计采用的是外部手动按键复位 电路。如图 6 示为复位电路。 图 6 复位电路图 7 3.2.5 发光二极管报警电路的设计 由 4 个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接 VCC ，当单片机的 RXD 引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用 8 。图 7 所示为发光二极管报警 电路。 图 7 发光二极管报警电路图 3.2.6 声音报警电路的设计 如下图所示，用一个Speaker 和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音 报警电路，如图 8 示为声音报警电路。 图 8 声音报警电路图 3.3 系统硬件电路的选择及说明 硬件电路的设计见附图1 所示，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89C51 、热释电红外传感器、 LED 、按键、反相器 74LS04 、蜂鸣器等一些单片机外围应 用电路，以及单片机的手工复位电路等。其中D1是正常工作指示灯， D2 D5是起报警 8 指示作用，当 RXD 脚被置低电平时， D2 D5亮红灯开始报警，同样， TXD脚置高电平时 声音报警电路开始工作。电路设有2 个按键，S1键作为模拟盗窃信号输入键, S2键作为 作为电路复位键。 3.4 软件的程序实现 3.4.1 主程序工作流程图 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下图9所示； 图 9 主程序工作流程图 3.4.2 中断服务程序工作流程图 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 系统初始化 声光报警结束 检测外部有 无信号输入 声光报警是否 持续 10 秒 开始 启动声光报警电路开始报警 是否还有检测信 号等待下次报警 结束 Y N N Y Y N 9 警持续 10 秒钟后自动停止报警 , 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，用手工按键停止的声光报警的作用。 手工按键停止报警中断服务程序工作 流程图，如下图 10 所示； 图 10 中断服务程序工作流程图 仿真过程中用到的主程序和中断程序见附录3 4 软件仿真 本设计通过利用Proteus 仿真，将所编写的程序用Keil软件编译，所仿真原理图 见附录 1 图所示。 由于在 proteus 软件中没有专门用作红外线发射与接收的器件，所以在仿真电路图 中以开关代替红外器件，其原理和效果是一致的。 本设计所要求达到的目标： （1）在正常工作情况下，电源指示灯绿灯亮。 （2）在接收到开关 S1带来的低电平信号，可使图中的绿灯由亮变暗，红灯产生报警， 可观察到红灯亮一直亮产生报警信号。并且报警喇叭一直响， 持续 10 秒后红灯灭， 喇叭 停止报警，电源指示灯绿灯亮。 （3）在报警过程中，外部中断开关S2可使警报解除。 中断源发出中断申请 关中断、保护现场 INTO 端有输入信号关闭报警 恢复现场、开中断 中断返回 10 5 总结 本设计研究了一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。该防盗报警器通过以 AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，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，同时能有效的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。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。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的 快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。 在利用 proteus 软件仿真过程中，出现了很多的问题，初次接触这个软件，一点都 不熟悉，很多知识都是用的时候在网上找的，或者查资料得出的。对于器件库中的元件 的性能不熟悉，不如说是最常用的电容器就有好多种，并不了解我们需要的是哪一个， 而且电容的种类那么多，很难一次性选择正确。再者就是本图中所用的三极管放大器， 由于是从单片机的输出端来导通三极管，所以也要选择功率很小的器件，这样单片机才 能驱动。这一点也是慢慢领悟出来的。仿真图画好之后，虽然整体看起来线条连接都很 可靠，但是有的地方还是“接触不良” ，所以还要认真排查，解决问题。 电路图画好之后就是装入程序进行仿真。我们的程序也有一些问题，开始时中断程 序似乎不起作用，然后查了很多资料，找老师帮忙， 最终问题还是解决了。 用 Keil 软件 编译好程序后载入，满足设计的要求，我们小组充分感受到团队合作重要性和自主克服 困难的喜悦。 通过本次的单片机课程设计，我们不仅掌握了硬件电路设计的基本步骤和方法，还 认真的回顾了汇编语言编程方面的知识。将我们所学的知识应用于生活实践中。真正的 做到了学以致用的效果。同时也锻炼了我们小组每位成员的动手能力，加强了团队合作 的意识和能力。大家都是受益匪浅。 11 6 参考文献 1 吴政江 . 单片机控制红外线防盗报警器J. 锦州师范学院学报 , 2001. 2 宋文绪 . 传感器与检测技术 M. 北京: 高等教育出版社 , 2004. 3 余锡存 . 单片机原理及接口技术 M. 西安: 西安电子科技大学出版社 , 2000. 4 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, 5 李全利 . 单片机原理及接口技术 M. 北京: 北京航空航天大学出版社 , 2004. 6 薛均义 , 张彦斌 . MCS-51 系列单片微型计算机及其应用M. 西安: 西安交通大学出 版社, 2005. 7 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. 8 康华光 . 电子技术基础（模拟部分） M. 北京: 高等教育出版社 , 2004. 9 胡志海 . 单片微型计算机原理及应用. 机械工业出版社， 2003 10 何立民 . 单片机应用技术选编 . 8 北京航空航天大学出版社，2000 11 潘永雄 . 单片机实验与实践 . 电子工业出版社， 2005 12 李光飞 . 传感器技术与应用 . 北京航空航天大学出版社， 2006 13 朱清慧 . Proteus教程电子线路设计、制版与仿真. 清华大学出版社， 2008. 14 郭文川 . 单片机原理与接口技术 . 中国农业出版社 .2007 致谢 通过一周的单片机课程设计， 我不仅学到了很多新的电路设计知识，扩大了自己的 知识面，而且学到了如何将理论知识与实际应用相结合。这将是我以后学习工作的最宝 贵一笔财富，终身受益。 在设计过程中，难免会有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及 同学们的支持，我想这个设计不会完成的这么顺利。在我设计的每个阶段从查阅资料到 12 设计方案的确定和修改，老师和同学们都给了我很大的帮助。 首先感谢这次设计的指导教师王老师，老师渊博的知识，认真负责的工作作风，平 易近人的态度让我受益匪浅，严谨的治学态度以及给我的详细的修改意见都让我有很大 的收获，他教给我买的不仅是知识还有待人处事的积极态度，在此，向王老师表示最衷 心的感谢和最诚挚的敬意。 其次还要感谢和我一起设计的同学们，在我的论文写作过程中他们提出了很多的建 设性意见，并给了我很多的启发，使我的论文能够顺利的完成。在这里，谢谢你们真心 的帮助。 最后，再一次的感谢王老师和同学们，在他们的帮助下我少走了很多的弯路，使我 能够顺利的完成设计，谢谢 ! 13 附录 1 电路图设计与仿真 14 附录 2 PCB 版电路图（立体图与电路板） 15 附录 3 设计编程程序 1. 主程序清单如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP TINT ORG 0200H MAIN: MOV IE,#81H ;CPU开放中断， INT0 允许中断 SETB IT0 ;外部中断为边沿触发方式 MOV SP,#30H ;指针入口地址 SETB P3.0 CLR P3.1 MOV P1,#0FFH ;使 P1口全部置 1 MOV P2,#00H ;P2口清零 CLR P1.2 LP: JNB P1.0,LA ;监测输入信号，是否有输入信号 LA: ACALL DELAY ;延时消抖 JNB P1.0,ALARM ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序 AJMP LP DELAY:MOV R1,0AAH LD2:MOV R2,0BBH LD1:NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RET ALARM:SETB P1.2 ;开始报警使运行正常绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动 CPL P3.0 ;10S 钟定时 : MOV 51H,#14H ;10S循环次数 MOV TMOD,#01H ;定时器 T0 定时 方式 1 MOV TL0,#0CEH ;置 50ms定时初值 MOV TH0,#0FFH SETB ET0 SETB EA SETB TR0 ;启动 T0 TINT: CPL P3.1 16 MOV TL0,#0CEH MOV TH0,#0FFH ;启动 T0 L2:JBC TF0,L1 ;查询记数溢出 SJMP L2 L1: MOV TL0,#0CEH MOV TH0,#0FFH SETB P3.0 ;10s到关闭报警 CPL P3.0 CLR P1.2 ;报警结束，正常运行绿指示灯亮 LJMP LP ;循环, 继续工作 2. 外部中断 INTO服务程序： PINT0: CLR EX0 ;外部中断 0 服务程序开始，屏蔽外部中断 PUSH PSW PUSH ACC JNB P3.2,LN ;监测是否有中断输入 LN: LCALL DELAY ;延时消抖 JNB P3.2,LN1 AJMP LN2 ;无中断输入 ,中断返回 LN1: SETB P3.0 CLR P3.1 CLR P1.2 ;使报警结束，绿指示灯亮 POP ACC POP PSW SETB EX0 ;开放外部中断 0 LCALL LP ;在中断继续检测是否有输入信号 LN2: RETI 17
