基于热释电传感器的家用防盗报警器设计.docx
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基于热释电传感器的家用防盗报警器设计
摘要
本设计论文从硬件和软件两方面对系统进行了详细的设计。
介绍了系统的构成，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件。
系统采用7805、7809芯片输出5V、9V电压，通过稳压模块给系统供电。
整个设计采用模块化思想，主机采用STC89C51实现控制，由热释电传感器和振动位移传感器对住宅的模拟信号（人体发出的红外信号、引起的振动信号等）进行自动检测，当检测到异常情况，产生数字信号输入单片机，单片机根据输入信号，输出给蜂鸣器报警，做出反应处理。
复位电路采用低功耗，四引脚的IMP812监控芯片。
系统硬件电路简单、安装方便、操作简单，并且具有低成本的优点，可适用于各种类型的住宅和人群。
关键词：
热释电传感器；STC89C51单片机；报警系统
ABSTRACT
Thispaperfrombothhardwareandsoftwareonthesystemcarriedoutadetaileddesign.Itintroducedtheselectionofthecorechip,theexternalcircuitconnections,chipandtheconnectionbetweenthecircuitchip,programdesignmethodsandthecorrespondingsoftware.7805.7809chipsystempoweroutputby5V,9Vvoltageregulatormoduletothesystemthroughtthepowersupply.Thewholedesignismodularthinking,hostSTC89C51usedtoachievecontrol,bythepyroelectricsensorandvibrantiondisplacementsensorforresidentialanalogsignal（thehumanissuedbytheinfraredsignalfromthevibrationsignals,andsoon）forautomaticmonitoring,whendetectedabnormalcircumstances,producingadigitalsignalinputSCM,theMCUaccordingtotheinputsignalandoutputtothebuzzeralarm,torespondtotreatment.Resetcircuitusinglow-power,four-pinIMP812monitoringchip.
Systemhardwarecircuitsimple,easytoinstall,simpleoperation,andhastheadvantageoflowcost,applicabletoalltypesofresidentialandthecrowd.
Keywords:
pyroelectricsensor;STC89C51MCU;alarmsystem
Index
第1章绪论
1.1设计背景
随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。
同时，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出增长趋势，传统的依靠安装防盗门窗、或靠人防的防范方式已经越来越不能满足人们的要求。
于是各种自动报警系统应运而生，被广泛地应用于需要高安全要求的各种场所。
1.2防盗报警系统的构成
防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。
防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。
防盗报警系统由探测器、传感器、控制器、报警器、显示器几部分构成，如图1-1所示。
控制器实现对热释电传感器和振动位移传感器的循环扫描，并控制报警信号电路作出相应状态处理，如果有报警信号的话，控制报警电路报警，同时通过数码显示单元显示具体的事发位置。
图1-1防盗报警系统构成图
1.3防盗报警器的分类
（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外\微波报警探测器、玻璃破碎报警器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。
（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。
（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。
（4）防盗探测器是否采用电源分类可分为无源和有源两种。
（5）从防盗报警器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分为有线与无线。
除了以上区分以外，还有其他方式的划分。
在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。
报警探测器作为传感探测器，用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。
在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。
这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。
因此，就需要各种各样的报警探测器，以满足不同的安全防范要求。
1.4防盗报警系统在国内外的发展
从上世纪初，报警系统就已经在北美稍具雏形。
在北美，报警呼救箱放置在街头巷尾，在呼救时发出声响提示，以寻求附近警察的帮助；同时，这种呼救箱直接连接到附近的警局，使得稍远一些的警察也能够收到呼救信息。
随后，由于通信技术的发展，提供远程通信服务的电报公司加入到这个行业中，从而使得报警信息可以通达到更远的地方；不过，这种电报方式毕竟难以普及，所以稍后出现的电话理所当然成为报警通讯的主要手段。
而此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户，更使得通过电话线报警的方式得到了前所未有的发展。
从以上过程来看，报警行业的发展是以工业技术发展为基础的，只有具备良好的通信手段，才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门，然后由权威部门负责分配有限的警力来帮助到所有的社会个体。
国外智能监控防盗技术发展已处于一个较高水平阶段，从具有代表性的北美发展过程，可以清楚的看出世界智能监控防盗技术的发展概况。
其具有以下特点，值得我们借鉴。
目前，对北美的安防产业来说，最成功的经营模式就是联网报警服务模式，联网报警将整个北美的安防产业从横向到纵向进行整合串并，形成了一个集中许多高科技手段和产业化管理水准的一体化综合性产业。
比如世界排名第一，北美最大的安防跨国公司——美国奇亚诺公司。
到七十年代，它对其产业的整体发展方向做了很大的调整，变为互联报警服务商，建立了首家网管中心，尤其引用了大量的网管技术、系统集成技术和电子技术，现已成为十分先进的联网报警服务平台，它在美国、加拿大、英国、香港、台湾等多个国家和地区都有分公司，北美的客户数已超过600万，2003年防盗报警收入总产值达105亿美元。
1982年，公安部和公安部第一研究所根据当时的放到报警技术的发展为故宫很多展厅安装了主动红外、被动红外、微波、超声波、声控等防盗报警探测器，形成了多种探测手段的防盗报警系统，防盗报警技术提高到一个新水平。
进入九十年代，人们注意到周界防范的重要性，要利用周边的围墙，铁栅栏等屏障建立周界防范，如果没有条件形成大周界也要建立建筑物的墙体、窗户、门外和建筑物之外。
在防护区和禁区内采用3种以上不同探测原理的探测器构筑多道防线，与此同时防遮挡功能的探测器也问世了，促进了入侵探测器技术的发展。
目前，全国的安全技术基本上和国际上接轨。
在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下，安防系统也是一个很完善的计算机控制系统，防盗报警系统，电视监控系统，声音系统，门禁系统和巡更系统统一由一台计算机进行管理，标志我国的安防事业进入一个新阶段。
1.5防盗报警的技术发展趋势
数字化、无线化、集成化是防盗报警系统进一步发展的要求，所以我们不难发现防盗报警的技术发展趋势：
（1）更稳定可靠：
如探测器可抗电磁干扰或射频干扰、防雷电等，以适应恶劣气候；
（2）更多样的功能：
如探测器可调频、防遮挡、防破坏等；
（3）更精美、小巧的外观：
以符合品味日益提高的室内装潢需求；
（4）更智能化的设计：
方便地设/撤防，人性化的操作界面；
（5）更强大的联网功能；
（6）更方便的扩展性。
上述发展趋势，事实上都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。
1.6设计系统功能要求
（1）可实现非法入侵报警；
（2）采用复合式防盗传感器，热释电红外传感器和震动位移传感器并接使用，增加报警可靠性；
（3）蜂鸣器报警，显示出事发地；
（4）采用双电源技术，主电源停电或被切断，备用电源自动工作
第2章系统设计方案
2.1总体设计方案
智能住宅安防报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅建设的实际情况，为满足新时期居民的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性。
系统组成框图如图2-1所示，根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块：
电源电路、热释电红外传感器电路、振动位移传感器模块、STC89C51模块、警铃电路、数码管显示电路等。
探测器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房、卧室等，当系统开机时，一旦有人入侵，与之相对应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）报警，同时显示出出事位置。
2.2系统的相关技术
本系统主要有电源电路、热释电红外传感器电路、振动位移传感器模块、STC89C51控制电路、警铃电路、数码管显示电路部分组成。
下面简要介绍传感器和单片机技术。
2.2.1传感器技术
传感器技术是信息采集技术的第一步，传感器是将能够感受到的及按规定被测量的按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分，转换元件是指传感器中能敏感元件感受的或响应的感应量转换成适于传输和（或）测量的电信号部分。
传感器的作用：
A：
信息的收集。
对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据，对系统或装置的运行状态进行检测。
B：
信息数据的交换。
把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上的信息数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介上的信息并进行转换。
C：
控制信息的采集。
检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。
在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户的欢迎。
被动式热释电红外探测器的工作原理：
在自然界，任何高于绝对温度的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。
人体都有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10um左右的红外线通过菲尼尔滤波光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用一些热释电元件作成。
这种元件在接受到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电荷变化最终将以电压或电流的形式输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
被动式热释电红外探测器的特性：
这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射非常敏感。
为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。
而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接受，由于两片热释电元件接受到的能量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理并报警。
抗干扰性能：
防小动物干扰：
探测器安装在推荐的使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警。
抗电磁干扰：
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408（安全防范国家标准）的要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
正确的安装应满足下列条件：
a．红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。
b．红外线热释电传感器远离空调、冰箱、火炉等空气温度变化敏感的地方。
c．红外线热释电传感器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
d．红外热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。
红外线热心的传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
振动位移传感器：
高灵敏度振动位移传感器，是一种集振动和位移测量于一身的全方位固态控制器件，是目前作为状态检测和报警的最佳选择，传感器部分采用目前先进固态加速度检测器件，既对振动有很高的检测灵敏度，又对周围环境的声音信号抑制，具有很强的抗干扰能力，可广泛应用于机动车、保险柜、门窗等场合的防盗装置中，器件的内部均含有专用的控制芯片，应用非常方便，可直接带动小功率负载。
2.2.2单片机技术
单片机的特点：
单片机就是一块芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和多种I/O接口电路等而具有一定规模的微型计算机。
单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下：
a．单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。
ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。
而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。
这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。
但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲器（cache）用。
b．采用面向控制的指令系统。
为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，特别是单片机具有很强的位处理能力。
单片机的运行速度也较高。
c．单片机的I/O引脚通常是多功能的。
由于单片机机芯上引脚有限，为了解决实际引脚和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复位的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。
d．系列齐全，功能扩展性强。
单片机具有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便的扩展外部的RAM、ROM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。
单片机的应用：
单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点：
·体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化；
·面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得更佳的性能价格比；
·抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他机种无法比拟的；
·可以方便地实现多机和分布式布控，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。
单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。
1工业控制
数控机床，温度控制，可编程顺序控制，电机控制，工业机器人，智能传感器，离散与连续过程控制；
2仪器仪表
智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪，数字示波器；
3电讯技术
调制解调器，声像处理，数字滤波，智能线路运行控制；
4办公自动化和计算机外部设备
图形终端机，传真机，复印机，绘图仪，磁盘/磁带机，智能终端机；
5导航与控制
导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；
6汽车与节能
点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，最佳燃料控制，计费器，交通控制；
7商用产品
自动售货机，电子收款机，电子秤，银行统计机；
8家用电器
微波炉，电视机，录像机，音响设备，游戏机。
第3章硬件设计
3.1电源电路设计
本系统电源电路原理图如图3-1所示，系统的电源采用220V交流供电，电网的220V交流电经桥路整流，电容滤波，送入7805和7809的输入端，最后输出5V和9V的直流电。
图3-1电源电路原理图
3.2主机电路设计
报警器的主机采用STC89C51单片机来实现。
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用8位单片机STC89C51，构成系统的主机。
主机部分的电路原理图如图3-2所示，它由复位电路、振荡电路、蜂鸣电路、共阴极7段数码管组成。
引脚P1.0和P1.4分别接到传感器的输出端，用以检测异常情况，以便进行报警处理。
图3-2主机部分原理图
3.2.1时钟电路
STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激震荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。
晶体振荡频率可以在1.2-12MHz之间选择，电容值在5-30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
3.2.2复位及复位电路
本系统利用的是单片机复位监控芯片IMP812。
IMP812是在低功耗微处理器（uP）微控制器（uC）和数字系统中用来监视3.0V、3.3V和5.0V电源工作的低功耗监控电路。
每个都具有去抖动的手动复位输入。
IMP812是美国Maxim公司MAX812的改进型替代产品其工作温度范围扩展为-40℃至105℃。
只要电源电压降至预置的复位门限以下时该电路就发出一个复位信号并在电源已经升高到此门限后至少保持这个信号140ms。
IMP812则具有高电平有效的RESET输出。
复位比较器已设计成可以忽略Vcc电压的快速瞬变。
IMP812的低功耗使之成为便携式及电池供电设备的理想选择。
器件具有紧凑的4引脚SOT143封装仅占用极小的电路板空间。
3.2.3键盘电路
键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：
一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279，CH451,LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。
使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。
本设计因此便使用软件实现键盘的扫描。
常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。
独立按键式键盘应用在需要少量按键的情况，按键和单片机的I/O口线直接连接。
而行列扫描式键盘用在按键需求较多的情形下。
考虑到本系统操作简便，所以采用独立式键盘。
独立式键盘电路如图3-3所示。
图3-3按键电路图
理论上当按键按下或弹起时，可以相应的产生低电平或高电平，但实际并非如此。
键盘按键一般都采用触电式按键开关。
当按键被按下或释放时，按键触电的弹性会产生抖动现象。
即当按键按下时，触电不会迅速可靠地接通，当按键释放时，触电也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来，按键材料不同，抖动时间也各不相同。
按键抖动可能导致单片机将一次按键操作识别为多次操作，一般采用硬件电路或软件程序来消除。
图3-4按键抖动示意图
一次完整的按键过程，如图3-4所示，包含以下几个阶段：
A．等待阶段：
此时按键尚未按下，处于空闲阶段;
B．闭合抖动阶段：
此时键刚刚按下，但信号处于抖动状态，系统在检测时应消抖延时，约5ms到20ms；
C．有效闭合阶段：
此时抖动已经结束，一个有效按键动作已经产生，系统应该在此时执行按键功能，或将按键编码记录下来，待按键弹起时再执行其功能；
D．释放抖动阶段：
许多时候编程人员并不在此时消抖延时，但最好也执行一次消抖延时，以防止误操作;
E．有效释放阶段：
若设计要求在按键抬起时才执行功能，则应当在此时进行按键功能的处理。
按键击键的类型由多种划分方式：
按击键时间分短击和长击；按击键次数分单击和连击；按特殊功能分双击或组合键等。
功能分析如下：
·短击：
用户快速按下单个按键，然后立即释放；
·长击：
用户长时间按下一个按键。
如某些重要的功能键，复位，为防止用户误操作；
·连击：
实现连续操作效果，如连续加1或减1；
·复合按键：
用户同时按下两个或多个按键，实现某些特殊功能；
·无键按下：
当用户在一定时间内未按任何键，执行某些特殊的操作，如自动进入待机或节能态。
3.3数码显示电路的设计
本系统的显示电路采用的是数码管显示电路，数码管显示器由于其成本低，配置灵活，与单片机接口简单，广泛应用于单片机应用系统中。
下面介绍其工作原理及与单片机的接口电路。
3.3.1数码管的工作原理
LED数码管显示器是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的点或线段发光，将这些二极管排成一定图形，控制不同组合的二极管导通，就可以显示出不同的字形。
单片机应用系统中常用到的LED显示器为七段显示器，再加上有一个小数点，因此也可把它称为八段显示器。
3.3.2本系统的数码管显示电路
本系统中的数码管显示电路如图3-6所示，为共阳极数码管，a-g、dp分别接到单片机的P0.0-P0.6、P0.7脚。
图3-6数码管显示电路
3.4蜂鸣器电路
本系统的蜂鸣器报警电路如图3-7所示，蜂鸣器用一个三极管0913来驱动。
单片机引脚P2.0接0913的基极输入端。
当P2.0输出高电平1时，三极管导通，蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P2.0输出低电平0时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
图3-7蜂鸣器电路
3.5用户端探测器设计
本系统采用了两组传感器器件，每组各一个热释电红外传感器和一个振动位移传感器。
每组的两个传感器通过一个或非门连在一起，任何一个传感器接受到报警信号，单片机都会做出反应，处理警情。
这样的复合式传感器设计，增加了安全性，减少了漏报发生的可能性。
3.5.1热释电红外传感器电路设计
本设计采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图3-8所示，引脚功能如下：
（1）数字1脚：
电源负极
（2）数字2脚：
信号输出，高电平有效
（3）数字3脚：
电源正极DC6~9V
（4）W1：
灵敏度调整
（5）W2：
输出延时调整5~120秒
图3-8热释电红外传感器的引脚示意图
它的技术参数如下：
·工作电压：
DC6~9V
·
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