1、红外线防盗报警系统课程设计课程设计（论文） 题目： 基于单片机的防盗报警系统的设计 系 别： 通信与电子工程学院 专 业： 通信工程 学 号： 2009152089 班 级： 姓 名: 指导教师： 日 期： 2011.12.22 .1设计要求及方案论证人们生活水平不断提高，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预防抢劫、盗窃等意外事件的需要而设计的红外防盗报警系统。本设计主要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
2、制下工作的。软件部分可以划分为以下几个模块：数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。关键词：单片机、红外传感器、数据采集、报警电路。1.1 设计任务与要求 （1）该设计主要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。（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、智能报警器、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、本地显示、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。为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器
3、内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消。但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0 ,从而达到了探测移动人体的目的。因此可把报警系统设置在外出布防状态，使探测器工作。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。2. 热释电红外传感器2.1 热释电红外线传感器简介热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变
4、化，并将其转化成电压信号输出。热释电红外线传感器应用电路如下：为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消。但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0 ,从而达到了探测移动人体的目的。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的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。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7-1
5、0um，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。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。 2.3 PIR结构特性及安装 图是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。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2所示, 在VCC电源端利用
6、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，电荷信号经过场效应管FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过三极管Q2的转化，输出OUT为低电平。 图2 热释电红外传感器原理图3.1 AT89C51单片机的结构 AT89C51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，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位中央处理器和ISP
7、Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89C51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，AT89C51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RAM的数据，停止
8、芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。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3-1为AT89C51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件。 程序存储器4 KB ROM 外中断 控制 P3 P2 P1 P0 RXD TXD 图3-1 AT89C51 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，具有运算和控制功能。AT89C51的CPU是一个字
9、长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。2.数据存储器（内部RAM） 芯片中共有256B的RAM单元，但其中后128个单元（80H-0FFH）被专用寄存器占用，能作为寄存器提供用户使用的只是前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.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制。5
10、. 并行I/O 口 AT89C51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。6. 串行口AT89C51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 AT89C51 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/INTO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 AT89C51 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。时钟电路为
11、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。AT89C51 较详细的内部结构如 图 3-2 所示。 图 3-2 AT89C51 内部结构框图3.1.1 管脚说明AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图3-3所示。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引
12、脚具有第二功能。图3-3 AT89C51引脚图 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
13、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。 P3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
14、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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，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
15、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，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
16、/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。3.1.2 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程
17、序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.1.3 振荡器特性（1）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。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2 AT89C51单片机的工作周期单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必
18、须有一个准确的定时脉冲。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图3-6所示。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图1.2所示。图 3-6 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期振荡周期：是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。 状态周期：每个状态周期为振荡周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为P1、P2。机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个振荡周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 指令周期：它
19、是指CPU完成一条操作所需的全部时间。3.3 AT89C51单片机的工作过程和工作方式单片机工作过程遵循现代计算机的工作原理（冯诺依曼原理），即程序存储和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。 单片机的工作方式有：复位、程序执行、掉电保护和低功耗、编程、校验与加密等方式。1复位方式通过某种方式, 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。复位方式是单片机的初始化操作。单片机除了正常的初始化外，当程序运行出错或由于操作错误
20、而使系统处于死循环时，也需要按复位键重启机器。MCS51单片机复位后, 程序计数器PC和特殊功能寄存器复位的状态如图3-7所示。 复位不影响片内RAM存放的内容, 而ALE在复位期间将输出高电平。由图3-7 可以看出，复位后：(1)（PC）=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H，即单片机复位后从0000H单元开始执行程序；(2)（PSW）=00H， 其中RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，表示复位后单片机选择工作寄存器0组；(3)（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立；(4) P0口P3口锁存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入
21、口，无须向端口写1。定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响。 图 3-7 PC与SFR复位状态表单片机在时钟电路工作以后, 在RST/VPD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。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。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位以及“看门狗”复位三种类型。前两种见 图3-8所示。 “看门狗”电路则是一种集成有单片机的电源监测、按键复位以及对程序运行进行监控，防止程序“跑飞”而出现死机而设计的电路。图3-8 （a）上电复位电路; （b）上电/外部复位电路2程序执行方式程序执行
22、方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H，因此程序执行总是从地址0000H开始，为此就得在0000H处开始的存储单元安放一条无条件转移指令，以便跳转到实际程序的入口去执行。5. 编程和校验方式对于内部集成有EPROM可以进入编程或校验方式。（1）内部EPROM编程编程时，时钟频率应定在3-6MHz的范围内，其余各有关引脚的接法和用法如下：P1口和P2口的P2.0P2.3为EPROM的4k地址输入，P1为8位地址；P2.4P2.6以及PSEN应为低电平；P0口为编程数据输入；P2.7和RST应为高电平；RST的高电平可为2.5V，其余的都以TTL的高低电平为准；EA/VPP端加+2
23、1V的编程脉冲，此电压要求稳定，不能大于21.5V，否则会损坏EPROM在出现正脉冲期间，ALE/PROG端加上50ms的负脉，完成一次写入。（2）EPROM程序校验在程序的保险位未设置前，无论在写入的当时或写入以后，均可将片上程序存贮器的内容读出进行检验，在读出时，除P2.7脚保持为TTL低电平之外，其他引脚与写入EPROM的连接方式相同。要读出的程序存贮器单元地址由P1口和P2口的P2.0P2.3送入，P2口的其他引脚及保持低电平，ALE、EA和RST接高电平，检验的单元内容由P0口送出。在检验操作时，需在P0的各位外部加上电阻10k。通过以上对单片机硬件系统的简单介绍，应该已经掌握了单片
24、机的内部结构及工作的原理和过程，但是单片机要实现它的强大控制功能特性，只有硬件是不能工作的，还必须依靠它的指令才能发挥单片机的强大作用。下面介绍单片机的指令系统。3.4 AT89C51的指令系统 1.机器指令的编码格式指令是规定计算机进行某种操作的命令，一条指令只能完成有限的的功能，为使计算机完成一定的或复杂的功能就需要一系列指令。计算机能够执行的各种指令的集合称为指令系统。单片机的主要功能也是有指令系统体现的。2.汇编语言指令格式汇编指令由操作码或伪操作码、目的操作数和源操作数构成，标准书写格式如下： 标号： 操作码/伪操作码 操作数 ；注释（1） 表示该项为可选项。（2）标号：又称指令地址
25、符号。它是用户设定的符号，代表着该指令所在的地址。（3）操作码/伪操作码：是英文缩写的指令助记符。它规定了指令的操作功能，它所对应的汇编语句称为指令性语句，在汇编后有具体的目标代码。而伪操作码说明汇编程序如何完成汇编工作，任何一条指令都必须有操作码或伪操作码，不得省略。3. 寻址方式 寻址方式包括立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址、位寻址等共7种寻址方式，且每一种寻址方式所涉及的存储器空间各有不同。指令中的源操作数可以使用七种寻址方式中的任何一种，但是目的操作数只能使用寄存器寻址、寄存器间接寻址、直接寻址和位寻址四种方式。 4.指令系统在单片机指令系统中，根据功
26、能不同将指令分为数据传送类指令、算数运算类指令、逻辑运算及移位类指令、控制转移类指令和位操作类指令等五大类，共计111条指令。4. 方案设计4.1 系统概述 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机通信，便于多用户统一管理和用户操作。 为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消。但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0 ,从而达到了探测移动
27、人体的目的。它们的进程框图如图4-1 所示。图 4-1 单片机应用系统研制过程框图4.2 总体设计 从设计的要求来分析该设计包含如下结构：热释电红外传探头电路、报警电路、单片机、复位电路、LED显示控制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4-2总体设计框图所示：图4-2 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转换成电信号，经过放大电路、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，经过软件查询、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
28、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，然后通过LED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。 4.3 系统硬件选择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等。所需元器件如下：编号名称型号数量R1 、R6电阻4.7K2R2、R3、R7R10电阻220R6R4、R5电阻10K2C1、C2电容30pF2C3、C4、C5(极性)电容47uF3D1D
29、6发光二极管LED2绿4红Q1、Q2三极管9015/80502U1 、 U2集成电路AT89C51、74LS041 、1Y1石英晶振12MHZ1K1、K2按键*2LS蜂鸣器8R1Tantou热释电传感器3TR1DS1共阴数码管DISPLAY1JP电源接头3OT14.4 硬件电路实现经分析本设计的电路原理图如下图4-3所示 图4-3 基于单片机控制的红外防盗报警器原理图4.5 软件的程序实现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4-4所示； 图4-4 主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点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
30、序处理后，驱动声光报警点路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，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4-5所示； 图4-5 中断服务程序工作流程图1. 主程序清单如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 0200HMAIN: 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 MOV R0,#00H 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 LPDELAY:MOV R1,0AAH LD2:MOV R2,0BBH LD1:NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RE
