毕业论文设计基于单片机控制的家庭智能防盗报警系统设计 精品.docx

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毕业论文设计基于单片机控制的家庭智能防盗报警系统设计精品

四川信息职业技术学院

毕业设计说明书（论文）

设计（论文）题目:

基于单片机控制的智能家庭

防盗报警系统设计

专业:

楼宇智能化工程技术

班级:

楼宇10-1班

二〇一二年十二月二十日

四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书

学生

姓名

学号

1059009

班级

楼宇10-1

专业

楼宇智能化工程技术

设计（或论文）题目

基于单片机控制的智能家庭防盗报警系统的设计

指导教师姓名

职称

工作单位及所从事专业

联系方式

备注

教授

四川信息职业技术学院

工程师

能士智能港科技有限公司

设计（论文）内容：

1．设计主要内容：

（1）设计一种家庭用、与电话线连接、操作简单、工作稳定可靠的智能防盗报警装置。

（2）防盗报警系统的设计

（3）完成单片机硬件设计和软件流程设计

进度安排：

第4～8周：

查找资料选择参考方案；

第9～11周：

确定设计方案；

第12～14周：

试验、调试，撰写论文初稿；

第15～16周：

检查定稿；

第17～18周：

答辩。

主要参考文献、资料（写清楚参考文献名称、作者、出版单位）：

《单片机应用技术（C语言版）》，王静霞主编，电子工业出版社

《电子技术基础》，吕强主编，机械工业出版社

《智能小区弱电工程设计与实施》，李连业、畅编著，中国电力出版社

审

批

意

见

教研室负责人：

年月日

备注：

任务书由指导教师填写，一式二份。

其中学生一份，指导教师一份。

目录

摘要1

第1章绪论2

1.1发展概况与设计背景2

1.2本设计概述2

第2章方案选择3

2.1方案选择4

2.2主控芯片单片机的选择4

2.2.1AT89C51的引脚结构4

2.2.2AT89C51的主要性能5

2.3传感器的选择5

2.3.1传感器的红外辐射与红外探测的原理结构5

2.3.2红外测原理6

2.3.3热释红外传感器的结构6

2.3.4菲涅尔透镜9

2.4热释电红外传感器控制电路芯片的选择10

第3章系统硬件设计12

3.1低频带通放大电路12

3.2电压比较整形电路13

3.3声音报警电路14

3.4灯光警示电路15

3.5状态显示电路16

3.6供电电源电路16

3.7单片机最小系统17

第4章系统软件设计18

4.1主程序流程图18

4.2中断函数流程图18

第5章结论20

致谢21

参考文献22

附录123

附录224

摘要

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、低频带通放大电路、电压比较整形电路、声音报警电路、灯光警示电路、状态显示电路、供电电源电路等部分组成。

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。

关键词单片机；红外传感器；数据采集；报警电路

第1章绪论

1.1发展概况与设计背景

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，人们私有财产也不断地增多，因而也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。

它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。

不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。

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，主人在家走动时，都很容易失报和误报，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，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。

再者，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。

1.2本设计概述

综合以上报警器的不足，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利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。

本设计遵循国家相关法规和政策和行业规范。

比如：

GB12663-2001《防盗报警控制器通用技术条件》；

GB50394-2007《入侵报警系统工程设计规范》；

GB/T16572—1996《防盗报警中心控制台》；

GB50348-2004《安全防范工程技术规范》；

第2章方案选择

2.1方案选择

防盗报警系统一般是由入侵探测器、防盗报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。

它的最简单形式是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。

该系统设计方案有以下两种：

方案一；利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖派出所经历分布，及时调动警力做出快速处理。

方案二；通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。

通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。

2.2主控芯片单片机的选择

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

故此设计采用AT89C51。

2.2.1AT89C51的引脚结构

AT89C51的引脚结构如图2—1所示：

图2-1AT89C51的引脚结构图

2.2.2AT89C51的主要性能

1．与MCS-51单片机产品兼容

2．4k字节在系统可编程Flash存储器

3．1000次擦写周期

4．全静态操作：

0HZ~24HZ

5．三级程序存储器锁定

6．32个可编程I/O口线

7．两个16位定时器/计数器

8．五个中断器

9．可编程串行通道

10．低功耗空闲和掉电模式

11．看门狗定时器

2.3传感器的选择

2.3.1传感器的红外辐射与红外探测的原理结构

热释电传感器是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的,红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。

非接触红外测温有以下几点优点：

1.测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。

2.测温范围宽。

3.探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。

4.不必接触被测物体，操作方便。

5.可以确定微小目标的温度。

非接触测温技术的意义是显而易见的。

随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。

在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。

通常将电磁波谱间隔在0.76～1000μm的区域称为红外光谱区，红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。

热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化ΔP的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。

有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电—铁电体。

例如：

LiTaO2（钽酸锂）和BaTiO2（钛酸钡）等。

为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器。

2.3.2红外测原理

红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（－273.15℃）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。

据斯蒂芬－波兹曼常数，绝对黑体其温度T于与辐射能之间的关系为：

其中：

σ为蒂芬－波兹曼常数，其值为5.6697×10-12w/cm2，k4－为黑体的温度；E0－为黑体辐射能。

实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：

E=εE0

其中：

E为物体在一定温度下的辐射能力；E0为与E在同一温度下的黑体辐射能力；ε为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在0～1之间。

由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。

所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。

2.3.3热释红外传感器的结构

红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。

它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：

其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。

常用的热释电探测器如：

LiTaO2（钽酸锂）探测器、BaTiO2（钛酸钡）探测器等。

如图2-1为热释电红外传感器的电路图。

传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。

它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。

在管壳的顶部设有虑光镜。

图2-1热释电红外传感器的电路图

热释电体的自发极化强度与温度有关。

随着温度升高，自发极化强度下降。

温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。

温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。

由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。

但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。

因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约10－12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。

如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为：

Q=APS

当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。

如图2-2所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。

图2-2热释电传感器的电路连接

若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。

因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。

所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。

如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化。

如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。

如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is通过负载。

热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图2-3所示。

图2-3热释电传感器等效电路

电流源的电流强度为Is为：

式中：

p一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数。

2.3.4菲涅尔透镜

目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。

热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。

菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区（如图2-4所示）。

这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。

图2-4菲涅尔透镜外形图

菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。

需要说明的是:

在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。

2.4热释电红外传感器控制电路芯片的选择

热释电红外传感器输出的检测信号很小。

要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。

使电路执行相关动作。

热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。

本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统。

如图2-5是控制电路的结构框图：

图2-5控制电路的结构框图

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图2-7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图2-7。

图2-6放大器

图2-7LM324的引脚图

LM324的特点：

1.短路保护输出

2.真差动输入级

3.可单电源工作：

3V-32V

4.低偏置电流：

最大100nA

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源

8.行业标准的引脚排列

9.输入端具有静电保护功能

第3章系统硬件设计

3.1低频带通放大电路

热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.1~10HZ，需经高增益、低噪声低频放大器放大后，才能进一步处理，一般来讲，要求放大器的增益为60~70dB,带宽0.3~7HZ。

放大器的带宽对可靠性和灵敏度有重要影响，带宽窄，噪声小误动作率低；带宽宽，噪声大，误动作率高！

如图3-1所示，本系统采用LM324中的两个集成运算放大器构成低频带通放大电路，LM324内部集成了四个独立的高增益运算放大器，其电流小（典型值Is=1.0mA），且与所加电源电压的大小无关，频率补偿及偏置电流均采用了温度补偿措施，性能稳定。

采用单电源供电。

图3-1低频带通放大电路

放大器要求：

增益：

60~70DB

带宽：

0.3~7HZ

工作原理：

放大电路的电压增益为：

A=1+2πfR12C4/（1+2πfR7C4）（1+2πfR12C4）

一般要求放大电路的增益为65DB。

电路的上下限截至频率为：

FH=1/R12C7,FL=1/R7C4

在单电源供电的情况下，外加电压分压器后，可保证运放输出电压有较大的动态范围。

静态下应将输出端电位设在1/2处，方法是：

ICA外接R4、R10分压器，将1/2VCC引至运放的同相输入端，这相当于将输入偏置电压垫高1/2VCC,从而使输出电压的静态电位定在1/2VDD处。

与ICA一样，ICB为了保证运放输出电压有较大的动态范围，同样设置了分压器。

3.2电压比较整形电路

图3-2门限电路

电压比较器的作用是将一个模拟电压与一个参考电压相比较。

在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变。

本系统应用LM324剩余的两个集成运算比较器构成一个双限电压比较器。

双限电压比较器的工作原理:

如图3-2所示：

基准电压分别由（R6+R14）和R14分压提供。

当输入电压VO1<6引脚电压时，比较器输出高电平；当VO1>13脚电压时，比较器也输出高电平。

而当6引脚电压

如图3-3所示：

图3-3双限电压比较图

当人体通过菲涅尔透镜组成的传感器现场时，传感器输出一交变信号。

其变化幅度大于13引脚电压，小于6脚电压，才能使比较器输出高电平，否则为低电平，而前级放大器静态时输出电压基本为1/2VCC，处在6引脚和13引脚电压之间，故比较器输出为0。

所以两引脚电压的差值越接近1/2VCC，电路的灵敏度越高，但容易因噪声干扰产生误动作，若两引脚的差值远离1/2VCC，电路的可靠性将提高，但灵敏度降低。

一般基准电压可按下列式子来计算：

V差值=（4~5）VN

式子中VN为噪声电压。

传感器给出的噪声电压，是指传感器噪声输出的信号经过70dB以上的放大后的噪声电压的峰-峰值。

本产品的噪声电压大约为80mV,所以有V差值=（4~5）80mV=320~400mV.这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。

3.3声音报警电路

如图3-4所示：

高音报警电路选用12V的高音喇叭作为报警装置，使用SS8050大功率三极管做驱动电路，当SPK为高电平时，三极管导通。

反之则截至。

本系统中经过软件设置使报警器真实模拟了声音频率均匀拉高，还原、再拉高的过程。

形成频率在976~1945Hz之间平滑递增的声音效果。

实现报警器声音非常逼真。

图3-4报警电路

3.4灯光警示电路

如图3-5所示：

这里我们选用12V的炫目灯做灯光警示电路，因炫目灯在正常工作状态下电流比较大，所以这里我们选用使用继电器控制其开关的方案。

这里我们照样使用三极管驱动继电器工作。

图3-5灯光警示电路

并联在线圈的两端的是续流二极管，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。

当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。

当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。

续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。

丛而保护了电路中的其它原件的安全。

在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不是立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管。

3.5状态显示电路

如图3-6所示：

本系统使用共阴极数码管做为状态显示电路，在正常无人非法闯入室内时数码管的DP点闪烁，若有人闯入数码管则显示E来提示有人非法闯入。

图3-6状态显示器

在这里，串联的几个470欧电阻是限流电阻。

因为数码管是由发光二极管按照一定的顺序排列制成的元件，每个发光二极管的内阻非常小，正常工作电流大致在10~25mA,如不串入限流保护电阻，直接连接很有可能瞬间烧坏数码管。

我们可以依公式来计算出限流电阻的阻值：

R=U/I;其中U=5V,I=（10~15）mA,可得R=330~500欧。

这里我们选用典型值470欧。

10K电阻为上拉电阻，以保证P0口可以输出高电平。

3.6供电电源电路

如图3-7所示，本系统采用L7805CV来做电压芯片，因为其输出电流可达1.5A,可满足本系统5V供电电压。

图3-7供电电路

在电源的两端并联的大电容和小电容起滤波作用。

大电容是滤除低频，小电容是滤除高频。

在其两端再并入同系列的大小电容可获得很宽频率范围的滤波特性。

3.7单片机最小系统

如图3-8所示，单片机的电源采用5V供电，时钟电路也就是振荡电路采用11.0592MHZ晶振，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。

图中的电容起稳定作用。

其复位电路采用混合复位电路，在上电的时候会自动复位，也可手动复位。

方便在单片机死机的时候进行重启。

图3-8单片机最小系统

第4章系统软件设计

4.1主程序流程图

如图4-1所示:

在开机后，单片机首先进行初始化，将数码管、高音警报器、炫目灯等外设关闭，同时将中断总允许位、外部中断0允许位和定时计数器T1开启，关闭外部中断1允许位和定时计数器T0。

其中布防/撤防按键用来触发外部中断0，热释电传感器用来触发外部中断1，外部中断1允许位的开启与关闭由外部中断0来控制。

方便对报警器进行布防与撤防功能。

定时计数器T0用来控制高音报警器的发音频率以使其发出逼真的报警声；定时计数器T1用作延时函数。

初始化完成后，若无中断请求信号，系统则使数码管的DP小点闪烁。

图4-1主程序流程图

初始化完成后，若布防/撤防按键第一次按下，则触发外部中断0，将外部中断1允许位打开，也就是说现在单片机可以接收传感器的信号并作出相应的动作，若传感器感受到在检测范围内有人活动，则将信号传输给单片机，触发外部中断1，使数码管显示E、同时炫目灯与高音报警器打开，实现声光报警功能。

4.2中断函数流程图

图4-2、图4-3都为中断函数流程图

图4-2中断流程图

图4-3中断流程图

第5章结论

本设计采用KeilC51开发系统，完成了程序模块规划及各个模块的设计与编程，实现了对信号处理过程的编程和调试。

它具有电路简单、功能齐全、性能齐全、性价比高等特点，是一种经济、实用的家庭防盗报警系统。

本论文完成了软硬件主要功能模块的设计，为进一步设计开发及功能扩展打下了良好的基础。

整个系统主要由AT89C51芯片、热释电传感器、声光报警、键控组成。

性能好，工作稳定，非常适合防盗报警领域。

由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的进一步设计过程中不断完善。

为了提高灵敏度，减少误报率，可以采用摄像头作为探测头，将采集到的信号进行图像处理及判断后再决定是否报警。

如果系统接收到报警信号后，保安人员可以通过查询报警