1、单片机课程设计红外报警系统汇编湖 南 科 技 大 学单 片 机 课 程 设 计 题 目 基于单片机的红外报警控制系统姓 名 _ _ 学 院 专 业 学 号 指导教师 成 绩 二一三年六月二十二日摘要本系统是基于AT89s52 单片机控制的红外线防盗报警器，主要由红外线感应部分、单片机以及声光报警部分组成。可通过红外感应器的红外线被遮挡时控制报警系统报警，通过单片机控制报警电路的运行，并能同时进行声光报警，用红外线收发管进行检测，安装隐蔽，不易被发现；探测信号采用脉冲信号，节能且抗干扰。系统可以探测到一定范围内的人的闯入，可以应用在安防范围比较确定的情况下。采用这种方法设计的防盗报警器具有成本廉
2、价和探测效果好的优点，有着广阔的市场前景。关键词：单片机；红外线防盗报警器；声光报警ABSTRACT The system is a infra-red anti-theft alarm controlled by single-chip AT89S52 , including infra-red part of the launch , part of the infrared receiver , microcontroller , as well as part of sound and light alarm . The system will alarm when infrared
3、ray has been blocked , through the single-chip microcomputer to control the operation of alarm circuit , and at the same time sound and light alarm , with infrared transceiver test tube , install hidden , can not easily be found ; detection signal using pulse signal , energy-saving and anti-jamming
4、. This system can detect a certain person within the scope of the intrusion, security can be applied to determine the scope of the case. Designed using this method of anti -theft alarm and detection in a cost-effectiveness of low-cost best advantages, has broad market prospects. KEY WORDS : Single c
5、hip microcomputer；Infrared anti-theft alarm; Sound and light alarm目录1. 绪论 11.1 前言 11.2 设计任务与要求 11.3 传感器的选择 22. 热释电红外传感器概述 32.1 PIR传感器简单介绍 32.2 PIR 的原理特性 32.3 PIR 结构特性 42.4 红外传感器RE200B的相关参数 63. 方案设计 73.1 系统概述 73.2 总体设计 83.3 系统硬件选择 93.4 硬件电路实现 93.5 软件的程序实现 124. 程序设计及仿真 134.1 主程序 134.2 外部中断程序 155. 结论概述
6、 135.1 主要论述 175.2 结束语 17致谢 18参考文献 18附录一：红外报警系统后续测试及注意事项附录二：附录二：系统程序清单附录三：电路原理图附录四：仿真图第一章 绪 论1.1 前 言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果园防盗报警系统。目前，葡萄已成为农民增收的主要经济作物，但每年葡萄成熟季节，由于多种因素使得成熟的葡萄遭受损失或毁坏。为了防止葡萄受损或被盗，果农通常在葡萄园周围铺上铁丝网，一来可用于葡萄挂果，二来可以防盗。一旦有异常，铁丝网牵动葡萄树就会发出声音，提醒守
7、园人，有外客造访。这些铁丝网还可以直接阻止一些动物的侵袭。一般，夜晚最易失窃，这就需要守园人整夜守着葡萄园子，一旦听到风吹草动就得出去巡查。无疑给守园人造成了极大的困扰，休息时间没有保障，长期精神紧张。因此，配置一套经济实用的葡萄园专用防盗报警系统是非常必要的。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：（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
8、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。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和用户操作。1.2 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
9、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
10、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AT89S51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。（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。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员活动；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。2.1 方案讨论如何使用传感器来简单地实现移动人员检测呢？在设计这样的系统时，应该记住两个目标：一是低功率，二是低成本。这两者都是在设计移动检测系统时需要考虑的关键因素。1.3 选择传感器传感器是指能感受规
11、定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。防盗报警系统的前端探测部分主要是各种类型的探测器，其中最主要的是入侵探测器。入侵探测器通常由传感器、信号处理器和输出接口组成，入侵探测器主要包括有主动红外入侵探测器、被动红外入侵探测器、微波入侵探测器、微波和被动红外复合入侵探测器、超声波入侵探测器、振动入侵探测器、音响入侵探测器、磁开关入侵探测器、超声和
12、被动红外复合入侵探测器等，其中最常用的是被动红外探测器。被动红外探测器的组成 ：被动红外探测器主要是探测接收外界的红外辐射，探测器本身不发射任何能量，而只对人体发出的红外线波段敏感。人体辐射的红外光波长是350m，其中814m占46%，峰值波长在9.5m，所以被动红外探测器主要是接收波长814m的红外辐射。 被动红外探测器基本工作原理是：当防范区域内有人体移动时，人体发出的红外线经过光学透镜聚焦到热释电红外传感器上，热释电红外传感器感应到红外线信号，输出热电信号，输出的热电信号非常微弱，并且夹杂着很多干扰信号，为此需要设计特殊的热电信号处理电路，在放大热电信号的同时，滤除掉造成干扰的杂波信号。
13、 由于要检测是否有活动的人员，所以通过研究各种类型的传感器，比较各类传感器的优点、缺点和合理性，最终确定本设计选择的传感器是双元件热释红外传感器。其基本原理为：当防范区域内有人体移动时，人体发出的红外线经过光学透镜聚焦到热释电红外传感器上，热释电红外传感器感应到红外线信号，输出热电信号，输出的热电信号非常微弱，并且夹杂着很多干扰信号，为此需要设计特殊的热电信号处理电路，在放大热电信号的同时，滤除掉造成干扰的杂波信号。第二章 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化，并将其转化成
14、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，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。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。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。
15、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10-20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
16、其能量幅度。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。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
17、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2.3.1、热释电红外传感器的结构 图2-1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。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透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电
18、材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号通过一个由C4、C5、R6、R7组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率
19、由被测物体的移动速度决定，通常为0.1-10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。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C4和R6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2-2 热释电红外传感器接口电路 图2-3 热释电红外传感器原理图2.3.2、被动红外探测器光学系统的类型：被动红
20、外探测器光学系统包括菲涅尔透镜、抛物面反射镜、遮挡片三种类型。 图2-4 双元红外传感器示意图菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区。 菲涅尔透镜是凸透镜，将物体的红外影像投射在热电元件表面。 热释电红外传感器其热释电器件及前置放大电路封装在圆型金属帽内，金属帽顶部方型开孔镶嵌有抗冷白光的硅红外滤光片，底部有金属引脚，分别为电源引脚，地线引脚，热电信号输出脚。 热释电器件是热释电传感器的核心元件，是将热辐射变为电流的动态能量转换元件，热释电器件的电特征属性是一个以热电晶体薄膜为电介质的平板电容器，随着温度的改变，
21、热电晶体表面自发极化电荷其规模具有跟随变化的性质，即热辐射可引起该电容器的电容量变化，从而可利用这一特性来探测变化的热辐射。热释电红外传感器包括单元、双元、四元三种类型。现在主要使用的是双元和四元传感器。 2.3.3、被动红外传感器优缺点： 优点主要为：1、本身不发射任何类型辐射，安全可靠；2、价格低廉。 缺点主要为：1、容易受各种热源、阳光源干扰；2、受环境温度限制，环境温度和人体温度接近时，灵敏度下降； 针对被动红外探测器存在的缺点，可以采用不同的措施来避免产品误报和漏报现象。一方面是采用新技术来加强抗干扰能力；另一方面是在安装方面加以注意。 2.3.4、安装方向 产品在安装过程中还需要注
22、意安装方向，由于透镜的光学特性决定横切探测区域比较敏感，所以产品安装时要注意入侵方向与探测器视场的夹角，虽然传感器的视场有 139126，但是安装时最好成90o垂直，这样就可以保证有人入侵时能最大程度横切探测区域。 2.4 红外传感器RE200B的相关参数双探测元热释电红外传感器现在市面上卖的品种很多，本次设计选择了一种市面上最常见的RE200B，价格便宜，结构简单，灵敏度满足要求。RE200B是红外传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。其相关参数如下：灵敏元面积 2.01.0mm2 基
23、片材料 硅 基片厚度 0.5mm 工作波长 7-14m 平均透过率 75% 输出信号 2.5V(420k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz 带宽72.5db增益) 噪声 200mV(mVp-p) (25) 平衡度 20% 工作电压 2.2-15V 工作电流 8.5-24A(VD=10V,Rs=47k,25) 源极电压 0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47k,25) 工作温度 -20- +70 保存温度 -35- +80 视场 139126 说明： 该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。 1、上述特性
24、指标是在源极电阻等于47K条件下测定的，用户使用传感器时，可根据自己的需要调整R2的大小。2、注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。 3、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值 4、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部4mm以上。 5、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚.第三章 方案设计3.1 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
25、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人体的目的。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、报警和显示等模块子函数。电路结构做成可划分为：热释电红外传感器、家庭智能报警器、单片机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。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
26、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、在线调试等几个阶段，就本设计来说也包括这些过程。它们的进程框图如图3-1 所示。图 3-1 单片机应用系统研制过程框图3.2 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3-2总体设计框图所示：图3-2 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
27、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。3.3 系统硬件选择双探测元热释电红外传感器现在市面上卖的品种很多，本次设计选择了一种市面上最常见的RE200B，价格便宜，结构简单，灵敏度满足要求。从以上的分析可知在本设计中还需要用到如下
28、器件： AT89S51、热释电红外传感器ER200B、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器、石英晶振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。3.4 具体电路模块设计3.4.1 放大电路的设计如图3-3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3-3 放大电路图3.2.2 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
29、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。如图3-4所示为时钟电路。图3-4 时钟电路图3.2.3 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。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。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图3-5示为复位电路。图3-5 复位电路图3.2.4 声光报警电路的设计由4个发光二极管接上电阻后连上单片的P2.0的引脚，外接VCC，当单片机的P2.0引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起
30、到报警作用。用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P2.1引脚上，构成声音报警电路，如图3-6示为声音报警电路。图3-6 发光二极管报警电路图3.4 硬件电路实现经上述分析，本设计的电路原理图如下图3-7所示:图3-7 基于单片机控制的红外防盗报警器原理图3.5 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3-8所示； N Y NY Y N图3-8 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，然后程序开始循环工
31、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3-9所示； 图3-9 中断服务程序工作流程图第四章 程序设计及仿真4.1、主程序清单1.主程序: ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 0200HMAIN: MOV IE,#81H ;CPU开放中断，/INT0允许中断 CLR IT0 ;外部中断为电平触发方式 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
