基于单片机应用系统的报警电路仿真设计.docx
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基于单片机应用系统的报警电路仿真设计
摘要
基于社会安全保障的需要，电子报警这门综合技术的正在不断的发展。
与此同时，红外线技术已成为先进技术的重要组成部分，由于红外线是不可见光，因此用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜都可以使用，而且其抗干扰能力强。
防盗报警系统利用单片机控制技术，自动探测发生在布防去内的侵入行为，产生警报信号，一旦发生突发事件，就会向人们发出报警提示，从而让人及时采取应对措施。
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52系列单片机AT89C52，整个系统是在系统软件的控制下工作的，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，热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。
关键字：
单片机；红外传感器；数据采集；报警电路
Abstract
Basedontheneedsofthesocialsecurity,electronicalarmiscontinuousdevelopmentofthecomprehensivetechnology.Infraredtechnology,meanwhile,hasbecomeanimportantpartofadvancedtechnology,duetotheinfraredlightisnotvisiblelight,souseitforinfrareddetectionmonitoring,goodconcealment,dayandnight,canbeusedanditsanti-interferenceabilityisstrong.Securityalarmsystemusingsingle-chipmicrocomputercontroltechnology,automaticdetectionoccurswithintheprotectiontotheintrusionbehavior,analarmsignal,incaseofemergency,willsendoutalarmprompttopeople,sothatpeoplerespondinatimelymanner.
Therunningofthesystemusedthepyroelectricinfraredsensor,itssimple,lowcost,installationismoreconvenient,andanti-theftperformanceisstable,stronganti-interferenceability,highsensitivity,safeandreliable.Thealarminstalledconcealment,isnoteasytobethieves,foundthatatthesametimeitssignalafterdealingwiththesinglechipmicrocomputersystemisconvenientandPCcommunication,facilitateunifiedmanagementamongmultipleusers.Thisdesignincludestwopartsofhardwareandsoftware.Hardwarepartincludessinglechipmicrocomputercontrolcircuit,infraredsensorcircuit,drivetoperformalarmcircuit,LEDcontrolcircuitandotherparts.With52seriessinglechipprocessorAT89C52,thewholesystemisunderthecontrolofthesystemsoftwarework,soinsecurity,alertsecuritydevicessuchaswidelyused.Inaddition,inthefieldofelectronicguardagainsttheft,thehumanbodydetection,pyroelectricinfrareddetectoralsobyitspriceislow,thetechnicalcharacteristicsofstableperformanceandwelcomedbythemassesofusersandprofessionals.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;infraredsensor;dataacquisition;alarmcircuit
第1章绪论
1.1研究意义
在单片机的应用系统中,一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示供操作人员参考,了解系统的工作状况。
但对于某些紧急状态，比如系统监测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提高警觉的报警信号。
这种报警信号通常有三种类型：
一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们的注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人们的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能给出警报种类信息。
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，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。
本设计及时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。
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。
而本设计中所使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。
这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转换为电压信号，同时，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。
红外线报警器分主动式和被动式两种。
主动式红外线警报器，是报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被警报器的探头接收。
如果探头监测到，红外线是静止不动的，也就是不断发出红外线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。
当有会动的物体触犯了这根看不见的红外线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。
被动式报警器少了一项功能，就是发射红外线。
物理学上告诉我们，当物体的温度高于OK的时候，就会发出红外线，换句话说任何物体都能发出红外线。
而其后的原理，被动式报警器和主动式报警器是一样的。
红外线报警器对温度敏感，温度越高的物体辐射处的红外线越强，当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时，就触发报警。
1.2本课题设计任务
1、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、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、通信模块、输出模块、功能设定模块等部分组成。
3、系统可实现功能。
当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来，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AT89C52单片机，经单片机处理运算后驱动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的检测到是否有人出入。
此类装置设计的要点：
其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大的增加防护范围。
当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。
第2章单片机应用系统中的报警电路
2.1闪光报警
闪光报警时最简单，也是最常用的一种报警方式，单片机应用系统中的闪光报警就是在控制指示灯的程序中加入定时程序，按一定的时间间隔来交替点亮与熄灭指示灯。
闪光报警在硬件连接上也是非常简单，通常利用AT89C52的I/O口直接驱动发光二极管实现。
电路中的发光二极管一般反向连接，其正端接正5V，负端通过限流电阻与I/O口线相连。
限流电阻的阻值的选择要同时考虑发光二极管的驱动电流及I/O口的负载能力，一般可选择330或360殴，如使某发光二极管点亮，则只需相应的输出口输出低电平。
由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。
下图所示为发光二极管报警电路。
图2.1
2.2鸣音报警
鸣音报警的方式有两种，一种是单频音报警，另一种是音乐声报警。
如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，下图示为声音报警电路。
图2.2
1、单频音报警
实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常采用电压蜂鸣器。
当在蜂鸣器两引脚上加3-15V直流工作电压，就能产生3KHZ左右的蜂鸣震荡影响。
压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适合在单片机系统中应用。
在实际应用传统中，经常讲闪电报警和单频音报警结合起来使用，以便更好地引起操作人员的注意
2、音乐声报警
单频音报警电路，简单实用，已能满足音响报警的一般需求，但是音调单调，而且采用压电蜂鸣器音元件，音量较小且不可调整，下述的音乐声报警电路，与单片机系统连接，也是方便易行，而且报警的音响又优美动听。
2.3语音报警
在单片机控制系统中，要实现语音报警功能，首先在存储器中要有语言的数据块，然后根据系统测量结果，把在语音采集系统中获得的语语音数据可控制，可重组的实时恢复，从而实现控制系统状态的实时语音报警或者紧急状态的语音报警功能。
目前迅速发展的DSP技术已在数据采集、通信及多媒体等领域中得到广泛的应用。
第3章硬件设计
3.1总体设计思路
本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、报警等子模块电路结构可划分为：
热释电红外传感器、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。
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一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成的。
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、软件设计等几个阶段。
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：
热释电红外传感器、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；处理器采用52系列单片机AT89C52，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线探头将人体辐射的红外线光谱变换成电信号，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AT89C52单片机。
在单片机内，经软件查询、识别判断等环节实时发出入侵报警状态的控制信号。
驱动电路经控制信号放大并推动声光报警设备完成相应的动作。
当报警延迟10s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。
3.2硬件电路设计
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：
红外感应部分、STC89C52单片机、报警系统三大部分。
电路总原理图如图3-1所示：
图3.1总体设计框图
处理器采用51系列单片机STC89C52。
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，送出TTL电平至STC89C52单片机。
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。
驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。
3.2.1红外感应部分
3.2.1.1电源模块
本系统电压为4.5v左右，直接接3个1.5V的直流干电池提供电源，然后用导线连接电源接口模块。
3.2.1.2热释电传感器
热释电红外传感器（简称PIR）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，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等，人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um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7~10--um，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，本传感器是整个系统的关键，只有本传感器才能感应到人体红外线。
如图3-2所示。
图3.2热释感应传感器
3.2.1.3菲涅耳透镜
菲涅耳透镜片相当于热释感应传感器的“眼镜”，它和人的眼睛一样的作用，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生错误的动作，致使用户或者开发者对其失去信心。
它的作用是有效的将探测到空间的红外线集中到传感器上，菲涅耳透镜根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
如图3-3所示为菲涅耳透镜模型图。
图3.3菲涅耳透镜
3.2.1.4BISS0001芯片简介
BISS0001是一款传感信号处理集成电路，只要热释感应器把红外线接收到信号传输到BISS0001里进行信号处理，它本身静态电流极小，工作电压在3V—5V之间，当工作电压为5V时输出的驱动电流为10MA。
配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式热释电红外传感器，广泛用于安防，自控等一些领域，它是有16个管脚组成的一种集成块。
如图3-4所示为BISS000集成芯片的内部框图，管脚功能说明如表1所示。
图3.4BISS0001内部框图
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳前沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端，一般接0V
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
通常接VCC，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
I
触发禁止端。
当Vc＞VR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端，经RB接VSS端，RB取值为1M左右。
11
VCC
--
工作电源正端，范围为3~5V
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
表1：
管脚说明图
由图可见BISS0001由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。
可广泛应用于多种传感器和延时控制器。
首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。
然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。
由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。
COP3是一个条件比较器。
当输入电压Vc＞VR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。
当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。
当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
而可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。
在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。
在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。
3.2.1.5信号采集处理模块
图3.5信号处理模块
图3.6实物图
本电路是将人体辐射的红外线转变为电信号。
热释红外感应2脚输入到前置放大器OP1进行放大，然后由C4耦合给运算放大器OP2进行第二级放大。
再经过电压比较器COP1和COP2构成双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延时时间定时器输出信号在经过R3进入单片机部分进行处理。
延时周期可通过R12来调节输出，在延时时间内只要Vs发生上跳变，Vo就会从Vs上跳变时刻起继续延长一个周期，而电路中的电容为了能够更好的控制了芯片内的定时器，若Vs一直保持为高电平，这样就可以通过P10传输到单片机内进行下一步处理。
而根据不同的距离要求来调节R13，最大可以调节到7米左右。
图中BISS0001中1脚用跳线连连接住一个接高电平后，在延时时间段内如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才将高电平变为低电平，本电路设计就是可触发方式。
3.2.2单片机部分
3.2.2.1STC89C52单片机简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块。
3.2.2.2单片机最小系统
要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3-7所示。
图3.7信号处理模块
单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。
STC89C52单片机的工作电压范围：
4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。
连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。
复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。
单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。
当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
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。
本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。
时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。
时钟电路就是振荡电路，是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。
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。
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，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us。
3.3按键控制电路
本电路的设计就是为了控制电路中布防和紧急状态下不同的工作形式，当按下布防按键后，30秒后进入监控状态，当有人靠近时，热释红外感应到信号，传回给单片机，单片机马上进行报警。
当遇到特殊紧急情况时，可按下紧急报警键，蜂鸣器进行报警。
如图3.8所示。
图3.8按键部分
3.4指示灯和报警电路
在单片机的I/O里会输出高低电平,在P20、P21和P22分别接上LED指示灯而P23接上蜂鸣器而蜂鸣器外接个8550的三极管起到开关作用，当三极管达到饱和状态下就驱动了蜂鸣器工作了。
图3.9指示灯和报警电路
第4章软件设计
4.1软件的程序实现
4.1.1主程序工作流程图
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所示：
图4.1主程序工作流程图
4.2报警判断程序
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，驱动声光报警电路开始报警，持续报警,然后程序开始循环工作，
/******************红外报警处理**********************/
voidhongwai_dis（）
{
if（flag_alarm==1）//报警
{
red=~red;//红灯报警
beep=~beep;//蜂鸣器报警
}
if（flag_bufang_en==1）//准备开始布防
{
green=~green;//绿灯闪
}
if（flag_bufang==1）//确认布防
{
green=0;//如果延时布防成功绿灯长亮
if（hw==1）//红外有输出
{
flag_alarm=1;
}
}
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