1、基于单片机控制的红外防盗报警器的设计说明书化工学院课程设计说明书 题 目： 基于单片机控制的红外防盗报警器的设计 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 专 业 年 级： 2009级自动化 所 在 班 级： 2009级自动化班 完 成 日 期： 2013年6月6日 答 辩 日 期： 2013年6月14日 基于单片机控制的红外防盗报警器的设计摘要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，人们对区域治安环境以及安全防范的要求也越来越高，同现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，所以保证区域安全必须从运用现代化的防盗报警技术。设计将介绍一种基于单片
2、机控制的红外防盗报警器的装置，由于它是利用人眼不可见的红外光束，组成监控区域，所以具有极强的保密性和可靠性。系统除用于家庭、仓库、门窗、围墙、栅栏防盗报警外，也可用于其他需要监控的场合。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AT89S51。整个系统是在系统软件控制下工作的。系统程序可以划分为以下几个模块：数据采集、键盘控制、报警和显示等模块子函数。关键词:红外传感器，单片机AT89S51，数据采集，报警电路DESIGN OF INFRARED ALARM SYSTEM BASED ON SI
3、NGLE-CHIP CONTROLABSTRACTAlong with societys unceasing progress and science and technology, economical unceasing development, the people living standard obtains the very big enhancement, peoples requisition for regional public security environment and safe precaution is higher and higher, at the sam
4、e time today when modernized technological high develop, the crime is more intelligent, the means is concealed even more, so guarantee the security of the area must use the modernized warning technology of guarding against theft. Design will introduce a microcontroller based on control infrared burg
5、lar alarm device, because it is the use of the human eye invisible infrared beam to form the monitored area, it has a strong confidentiality and reliability. In addition to this system for home, warehouse, doors, windows, walls, fences burglar alarm, but also need to be monitored can be used for oth
6、er occasions.This design designs two parts including the hardware and software. The hardware partially including the monolithic integrated circuit control circuit, infrared pokes head in the electric circuit, the actuation execution alarm circuit, the LED control circuit and so on the partial compos
7、itions. The processor uses 51 series monolithic integrated circuits AT89S51, the overall system is works under the system software control. The system program may divide into following several modules: The data acquisition, the keyboard control, reports to the police with the demonstration small ste
8、elyard function.Key words ：infrared sensor，AT89S51 monolithic integrated circuit，data collection， alarm circuit1.绪论1.1 引言在多元化发展的今天，随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人民收入得到大幅度的增加，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。1.2 课题背景和意义在现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更加隐蔽，所以采用以电子技术、传感器技术和计算机技术为基础的安全防范技术的器材设备，并将其构成一个系统，这将
9、发挥最大的监控防盗的功能作用。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，为了满足现代防盗的需要，由此产生了以红外探测器为核心部件的报警装置。就目前市面上报警器装置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：（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，很容易失报和误报，其可靠性低。（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时若遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也
10、不高。还有，就闭路监控电路防盗系统而言：它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。而我所研究的防盗报警器采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。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，红外探测也由于价格低廉、技术下稳定，更是受到了很多专业人士的欢迎。同时它也是当前使用比较普遍的报警器之一，并以其灵敏度好、价格实惠，而收到了广大用户的欢迎1.3 课题的研究现状国内的报警器基本都是以超声波、红外发射接收以及微波等技术为基础。从单一封闭式、被动型安全防范模式向多元化、综合化、电控化以及红外报警处理方向发展。防盗报警产品的发
11、展趋势，产品技术将在数字化、无线化、集成化核心前提下力求突破。而在应用市场上，将朝更细化的方向前进，成长最快的住宅小区应用为例，有厂商表示，专为住宅小区设计的定向幕帘式和防宠物探测器，成本低、安装简单、适合家庭用的无线联网报警系统，以及小区智能化安防和报警集成系统产品都将是亮点。国外的红外报警器大多数都是采用先进技术，其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红外报警器，红外监控无线报警器，超声波防盗报警器，红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器，触摸式防盗报警器等等。目前国际上应用最多的是主动红外对射总线制报警主机的方式，这种方式具有技术成熟、可靠性高、易扩展、操作简便、经济性好等优点。1.4 课
12、题的应用前景在现代化技术高度发展的今天，由于犯罪更趋智能化，手段更加隐蔽，社会治安状况更趋复杂，所以人们对私有财产的保护更加注重，而作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要”。从而使传统的机械式（防盗网、防盗窗）家庭防盗在实际使用中暴露出越来越多的问题，如：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险等。而红外防盗报警器以其制作简单、成本低，安装比较方便，而且安防性能比较稳定，有很强的隐蔽性和保密性，灵敏度高、安全可靠、功耗低等优点越来越受到人们广泛的重视和青睐。2. 红外报警器系统总体设计2.1 系统概述 由于系统采用了热释电红外
13、传感器，它具有防盗性能比较稳定，抗干扰能力强，灵敏度较高，安全可靠，安装隐蔽等特点；则系统可实现如下功能：（1）设计仅限于对人体的探测；（2）可探测范围10-20米；（3）有人闯入时，红外探头将探测到的人体辐射的红外光谱信号送至AT89S51单片机，并进行声光报警；（4）报警延时10S后可自动解除，也可人工手动解除报警信号，并通过LED显示报警次数；（5）警情消除后复位电路可使系统复位；（6）LED显示报警次数，报警次数超过10次，显示清零。就设计的核心模块来说，AT89S51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、
14、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。2.2 总体设计从上述系统可实现的功能来分析，设计须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、报警和显示等模块子函数。电路结构组成可划分为：热释电红外探头电路、报警电路、复位电路、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成；则系统的总体设计框图如图2-1所示： 图2-1 总体设计框图处理器采用单片机AT89S51。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
15、门限开关，打开门限阀门送出电平至AT89S51单片机1。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1。当报警延迟10s后自动解除，也可人工手动解除报警信号，然后通过显示报警次数，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。 3. 红外报警器系统的硬件设计电路实现的是一种基于单片机控制的红外防盗报警器。该防盗报警器通过以AT89S51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，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，平时传感器输出低电平，当有人在探
16、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，同时通过显示电路显示出报警次数。3.1 AT89S51单片机概述3.1.1 单片机的选择在众多制作单片机的公司中，我选择了适合系统的ATMEL公司中AT89S51和AT89C51两款单片机，通过对AT89S51与AT89C51比较，它们外型管脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行，结果一样。AT89S51比AT89C51新增了一些功能，如在AT89S51中SP1.5，P1.6，P1.7具有第二功能
17、、支持在线编程、烧写次数增加、最高工作频率增大、内部集成看门狗计时器等，其中支持在线编程和内部集成看们狗是其中主要特点。通过以上的比较和分析，我们可以得出AT89S51功能和性能都优于AT89C51，故我选择单片机AT89S51。3.1.2 AT89S51单片机的结构 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器（EPROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处
18、理器(CPU)和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存
19、RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位2。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 图3-4为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。有图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。外时钟源 外部事件数外中断 控制 并行口 串行通信图3-4 AT89S51 功能方块图（1）中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。AT89S51的CPU是一个字长为8位的中
20、央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。（2）内部数据存储器（内部RAM） AT89S51 中共有256个RAM单元，但其中后128个单元（80H-0FFH）被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个单元（00-7FH），用于存放可读写的数据。因此常说的内部数据存储器是指前128个单元，简称内部RAM。（3）内部程序存储器（内部ROM）芯片内部有4 KB的掩膜ROM，可用于存放程序、原始数据和表格等，因此称为程序存储器，简称内部ROM。（4）定时器/计数器出于控制应用的需要，芯片内部共有两个16位的定时器/计数器以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控
21、制。（5）并行I/O 口AT89S51 共有4 个8 位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），可以实现数据的并行输入、输出2。（6）串行口AT89S51有1 个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可以作为全双工异步通信收发器使用，也可以作为同步移位寄存器使用。（7）中断控制系统AT89S51 的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。它共有5 个中断源：2 个外部中断源/INT0和/INT1 ；3 个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口中断。（8）时钟电路AT89S51 单片机芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需要外接。时钟
22、电路为单片机产生时钟脉冲序列，系统允许的最高晶振频率为12MHz。（9）内部总线上述部件只有通过内部总线将其连接起来才能构成一个完整的单片机系统。总线在图中以带箭头的空心线表示。系统的地址信号、数据信号和控制信号分别通过系统的三大总线地址总线、数据总线和控制总线进行传送，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。由上所述，AT89S51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。3.1.3 管脚说明ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（PDIP）形式，如图3-5所示。AT89S51单片机是高性能单片机，因为
23、受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。图3-5 DIP 封 装 引 脚 图图 3-6 SMT 的 封 装 图VCC：电源电压输入端。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部
24、下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P
25、3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能，如下表所示： P3口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪
26、烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止
27、，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 信号检测与放大电路针对红外辐射信号的探测，设计了一种实
28、用化的基于单片机AT89S51检测放大电路。3.2.1 热释电红外传感器概述（1）PIR传感器简单介绍热释电红外线传感器（PIR)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，例如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外
29、传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、 自动照明及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对2-2.6um、35um、814um三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。 （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的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸
30、锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm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。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它
31、的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。一个正常人的人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而一个标准的探测元件的波长在0.2-20um之间，范围相对比较广，那么会容易使得灵敏度降低，故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，就保证了稳定性和针对性，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3。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
32、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。在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。（3） PIR结构特性及安装 图3-1热释电红外传感器实物图图3-2 PIR结构示意图图3-2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时端接电源正极，端接电源负极，端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔
