AT89C51单片机热释电红外传感器.docx
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AT89C51单片机热释电红外传感器
第1章.绪论1
1.1前言1
1.2设计任务与要求2
第2章.热释电红外传感器概述4
2.1传感器简单介绍4
2.2原理特性4
第3章.AT89C51单片机概述8
3.1AT89C51单片机的结构8
3.1.1管脚说明11
3.1.2振荡器特性13
3.2AT89C51单片机的工作周期14
3.3AT89C51单片机的工作过程和工作方式15
第4章.方案设计19
4.1系统概述19
4.2总体设计20
4.3系统硬件选择21
4.4硬件电路实现23
4.5软件的程序实现24
第5章.结论概述30
5.1主要结论30
5.2结束语30
致谢31
参考文献31
[摘要]：
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家庭防盗报警系统。
目前市面上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。
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。
第1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家庭防盗报警系统。
目前，人们越来越富裕,家里面贵重的东西也随之也增加了不少。
与此同时偷盗者的偷盗技艺也越来越精湛。
使越来越多的人们蒙受了巨大的经济财产损失。
为了防止财产受损或被盗，人们采取了一些防范措施,例如：
装上防盗门、在窗外建起防护铁窗等。
但从实际效果来看这些措施并没有把小偷吓倒,他们反而更加肆无忌惮。
这些无疑给千千万万的居民造成了极大的困扰，使休息时间没有保障，长期精神紧张,也影响了人们正常的工作状态。
因此，配置一套经济实用的专用家庭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。
（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。
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。
选择传感器
传感器是指能感受规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3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm，所以被动红外探测器主要是接收波长8～14μm的红外辐射。
工作原理
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。
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2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。
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。
图2-1热释电红外传感器原理图
图2-2被动红外探测器光学系统的类型
被动红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2-3红外传感器示意图
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，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。
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。
第3章AT89C51单片机概述
3.1AT89C51单片机的结构
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）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ISPFlash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，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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分。
外时钟源外部事件计数
外中断控制P3P2P1P0RXDTXD
图3-1AT89C51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4KB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.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。
由上所述，AT89C51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。
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，所以有不少引脚具有第二功能。
图3-2AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
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
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（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/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。
3.1.3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。
图3-3振荡电路
（2）芯片擦除
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.2AT89C51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3-4所示。
图3-4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S1~S6,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：
它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（主振周期即为振荡周期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。
一般情况下，算术逻辑操作发生在时相P1期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相P2期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用XTAL2引脚振荡信号作参考。
3.3AT89C51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而使系统处于死循环时，也需要按复位键重启机器。
MCS—51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3-5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3-5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3-5PC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3-6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3-6（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。
3．待机方式
待机方式也称空闲方式，是一种节电工作方式。
在待机工作方式中，振荡器保持工作，时钟脉冲继续输出到中断、串行口、定时器等功能部件，使它们继续工作，但时钟脉冲不再送到CPU，因而CPU停止工作。
4．掉电方式
掉电方式，也被称为停机方式。
在掉电方式中，振荡器工作停止，单片机内部所有功能部件停止工作。
它同样是一种为降低功耗而设计
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