居室智能防盗报警系统.docx
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居室智能防盗报警系统
居室智能防盗报警系统
侯玉婷
（陕西理工学院电信工程系通信工程专业,2006级4班，陕西汉中723003）
指导教师:
王少华
[摘要]文章介绍了一种操作方便，运行可靠的家用智能防盗报警系统。
它用于防范盗贼入侵，可实现自动检测和自动报警。
系统采用热释电红外传感器，成本低且安装方便、防盗性能稳定且灵敏度高。
这种防盗器安装隐蔽、不易被盗贼发现。
本设计包括硬件设计和软件设计两个部分。
硬件部分包括单片机控制电路、红外探测电路、驱动执行报警电路等部分组成。
处理器采用51系列单片机AT89S51，整个系统是在系统软件控制下工作的。
[关键词]单片机；防盗报警；红外传感器
TheIntelligentanti-theftAlarmSystemofHouse
Yutinghou
（Grade05,Class,Majorelectronicsandinformationengineering，ElectronicsandinformationengineeringDept，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）
Tutor:
Shaohuawang
[Astract]Thisarticleintroducesakindofconvenientandreliableoperationofhouseholdintelligenceanti-theftalarmsystem.Itcanbeusedtopreventthievesinvadeinthehouse,realizingofautomaticdetectionandautomaticalarm.Thissystemadoptsofpyroelectricinfraredsensors,itcostlowandeasytoinstallation,propertiesofsecurityisstableandhavehighsensitivity.SuchdeviceswereInstallconcealment,noteasytobefoundbythieves.Thisdesignincludingoftwoparts,thehardwaredesignandsoftwaredesign.Hardwareconsistsofsingle-chipmicrocomputercontrolcircuit,infrareddetectioncircuit,drivecircuitandalarmpart.TheprocessorisusingAT89S51whichisthe51seriesofsingle-chip.Thewholesystemisundercontrolsystemsoftware.
Keywords:
SCM;Burglaralarm;Infraredsensors
目录
第1章绪论
1.1序言
随着社会经济的飞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、智能性等方面也提高了更高的要求。
相反的，经济的快速发展也带来了相当大的负面社会效应。
城乡、区域收入差距进一步拉大，流动人口也开始迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势，人们越来越渴望有一个安全生活的空间。
但是，犯罪分子的作案手段也越来越高明，他们甚至采用一些高科技的作案手段。
这也引起了公安部门的高度重视和社会各届人士的普遍关注。
有些部门和居民小区开始派人白天守卫、夜间巡逻，并纷纷购置防护铁门、铁栏杆等被动防范措施，将主人装在铁笼子中以求安全。
一旦发生警性（如火警或煤气泄漏），才发现铁笼子将消防人员拦在事故现场之外，难以即时救助，实为弊端。
从整顿市容角度来看，亦不雅观。
为此，政府部门提倡采用高科技手段实现技术防范措施。
而随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点以在工业控制控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。
因此，利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭的低价位、运行可靠的智能型安全防盗报警系统以势在必行。
本文所要介绍的居室智能防盗报警系统，正是在智能住宅蓬勃发展的背景下，为了满足用户对安全的强烈要求，而设计并开发的。
系统采用热释电红外传感器，当有盗贼入侵时，安装在门或窗处的红外传感器会通过单片机的控制传出报警信号，同时控制发光二极管的闪烁，给住户以报警信号。
系统安装有复位开关及报警器的开关，可以随时进行系统复位和控制报警器的工作与否。
起到居室防盗报警的作用。
此设备成本低、安装方便、灵敏度高、安装不易被盗贼发现，是很好很实用的家居防盗报警系统。
1.2国内外研究概况
现代居住的格局，邻里之间的来往越来越少，家庭生活隐密性、封闭性越来越强。
所以说，小区的安防系统和智能管理系统是现代化小区管理不可缺少的有机组成部分。
由此，居民住宅应当设置安全防范报警系统，对盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。
我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。
现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。
另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强；安全防范系统也急需普及。
在我国，以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内也形成了一股智能化住宅热。
目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。
可以预见，智能住宅、智能小区将成为21世纪建筑业的发展主流。
特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。
如今，人民生活已从温饱型向小康转变，大件耐用消费品己经进入寻常百姓家，因此人们会有更强的安全意识，逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防范系统。
同时人类已经进入二十一世纪，智能住宅己开始引起人们的关注。
作为智能住宅的一个组成部分，安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向发展。
1.3论文主要工作概述
针对国内外的发展情况，可见居室智能安全防范系统是我国未来智能住宅建设的重点发展方向。
本文介绍了一种操作方便、运行可靠的家用防盗报警系统。
它用于防范盗贼入侵，可实现自动检测和自动报警。
通过红外对可能的非法入侵做出反应，将信号传递给单片机，单片机根据报警信号做出报警处理。
本课题内容属于硬件电路的设计与应用方面，实现过程包括电路原理设计、元器件（芯片）选择与特性测试、分立元件面包板模拟、编制程序及软件调试、整体电路编程器调试。
在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，使其经济实用，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，确保在同类产品中的竞争地位。
第二章设计方案
2.1总体设计思路
居室智能防盗报警系统开发设计方案是参照国内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适用性而设计的。
系统组成框图如下图2.1所示。
红外对射探测
报警器开关
门铃按键
指示灯控制输入输出蜂鸣器报警电路
复位电路
图2.1居室智能防盗报警系统组成框图
本设计包括硬件电路设计和软件设计。
模块划分为红外对射探测模块，复位电路模块、门铃控制模块和报警模块。
系统工作原理是：
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，用以检测是否有外来者侵入。
在无人时，现场的红外辐射稳定不变，当有人进入不妨区域时，光束被挡住，此时接收端便无法接收到光束，从而通过单片机启动报警电路工作，达到防盗报警的目的。
系统设有复位电路，任何情况下，可以通过按下复位按键使系统恢复到初始状态。
居室智能防盗报警系统对于报警器设置有报警开关按键，当按下报警开关时，报警电路处于工作状态，会对任何入侵的情况达到报警亮灯的目的，而当按起报警开关时，报警电路处于关闭状态，即使有人入侵也不会报警。
这便给用户带来了极大的方便，用户可以根据自己的需要对报警系统进行控制，做到很好的布防和撤防。
同时，此居室智能防盗报警系统还安装有门铃和显示灯，更加人性化的对居室安全性能进行有效控制。
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由硬件和软件组成。
硬件包括、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、电路调试等几个阶段。
2.2系统的相关技术
2.2.1红外对射探测器
红外对射探测器全名叫“光束遮断式感应器”（PhotoelectricBeamDetector），其基本的构造包括瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、LED指示灯等。
其侦测原理乃是利用红外线经LED红外光发射二极体,再经光学镜面做聚焦处理使光线传至很远距离,由受光器接受。
当光线被遮断时就会发出警报。
红外线是一种不可见光，而且会扩散，投射出去会形成圆锥体光束。
红外光不间断地一秒发1000光束，所以是脉动式红外光束。
由此这些对射无法传输很远距离（600米内）。
利用光束遮断方式的探测器当有人横跨过监控防护区时，遮断不可见的红外线光束而引发警报。
常用于室外围墙报警，它总是成对使用：
一个发射，一个接收。
发射机发出一束或多束人眼无法看到的红外光，形成警戒线，有物体通过，光线被遮挡，接收机信号发生变化，放大处理后报警。
红外对射探头要选择合适的响应时间：
太短容易引起不必要的干扰，如小鸟飞过，小动物穿过等；太长会发生漏报。
通常以10米/秒的速度来确定最短遮光时间。
假若人的宽度为20厘米，则最短遮断时间为20毫秒。
大于20毫秒报警，小于20毫秒不报警。
红外对射探测器主要应用于距离比较远的围墙、楼体等建筑物，与红外对射栅栏相比，他的防雨、防尘、抗干扰等能力更强，在家庭防盗系统中主要应用于别墅和独院。
目前，常见的主动红外探测器有两光束、三光束、四光束，距离从30米到300米不等，也有部分厂家生产远距离多光束的“光墙”，主要应用于厂矿企业和一些特殊的场所。
在家庭应用中，我们最多是使用100米以下的产品，在这个距离中，红外栅栏和红外对射探测器均可使用：
如果是安装与阳台、窗户、过道等，就选用红外栅栏；如果是安装于楼体、院墙等，就应该选用红外对射探测器；在选择产品时，只能选择大于实际探测距离的产品。
2.2.2单片机技术
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机与通用微型计算机相比，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下：
●单片机中的存储器RAM和ROM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，用作工作区和存放变量。
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，把以调试好的程序固化在ROM中，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，而不是作为高速数据缓冲存储器用。
●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。
●单片机的I/O引脚通常是多功能的。
由于单片机芯片上引脚有限，为了解决实际引脚和需要的信号线数之间的矛盾，采用的引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。
●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和I/O接口，与许多通用的微机芯片接口兼容，对应用系统的设计和生产带来极大方便。
●单片机的功能是通用的。
单片机虽然主要是做控制器用，但是功能上还是通用的，可以像一般的微处理器一样广泛的应用在各个方面。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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。
AT89C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。
外形及引脚排列如下图2.2所示
图2.2AT89C51引脚排列
AT89C51各引脚功能说明如下：
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：
P3.0RXD（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，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
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。
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。
振荡器特性:
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。
单片机在控制应用领域中有如下几方面的优点：
1）体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便的组成各种智能化的设备和仪器，做到机电仪一体化。
2）面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。
3）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进行工作，这是其他机种无法比拟的。
4）可以方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的可靠性和效率大为提高。
本章主要介绍了这次居室智能防盗报警的总体设计方案，确定了原理框图，对报警系统的运行做了原理分析。
并了解了设计中主要用到的相关技术知识。
为后续的设计和制作打下了基础。
第三章系统硬件设计
3.1主机电路设计
居室智能防盗报警系统的主机部分采用AT89C51单片机来实现。
主机部分电路原理图如图3.1所示。
它由复位电路、振荡电路组成。
图3.1主机部门电路原理图
单片机的引脚P3.1接到红外对射的输出端，用以检测异常情况，以便进行报警处理。
引脚P3.0接门铃按钮，由单片机程序控制，当有人进入时，按动门铃按钮，蜂鸣器发出门铃声，同时门铃指示灯亮。
引脚P3.5接蜂鸣器报警电路，用以在有盗贼侵入时为住户提供报警信号。
引脚P0.0接工作指示灯，系统通电后指示系统处于正常工作状态。
引脚P3.7和P3.6分别为系统的门铃工作指示灯和报警工作指示灯，当没有情况发生时，处于闪亮状态，当有人按动门铃或是有盗贼侵入时，响应指示灯变为常亮状态。
3.1.1时钟电路
AT89C51内部有一个用于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由外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.2所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡，定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回来。
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，电容值值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图3.3所示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。
图3.2内部方式时钟电路图3.3外部方式时钟电路
本次设计的居室智能防盗报警系统采用内部方式的时钟电路。
选择12MHZ的晶振和30pF的两个电容。
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，故而一个机器周期为1us。
3.1.2复位及复位电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些操作有影响，他们的复位状态如表3.1所示。
表3.1一些寄存器的复位状态
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效。
其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。
若使用频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3.4所示。
图3.4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部信号产生的复位信号（RST）送至斯密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出信号进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式：
上电自动复位是通过外部复位电路电容充电来实现的，其电路如图3.5（a）所示。
这样，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端通过经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3.5（c）所示。
图3.5（a）上电复位图3.5（b）按键电平复位图3.5（c）按键脉冲复位
本系统采用的外部手动按键复位电路，如图3.6所示为复位电路。
图3.6系统复位电路
3.2红外对射电路的设计
设计的重点在于红外线信号的发射和接受部分，由于目前市场上常用的红外线发射器件和接受器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，现在大部分产品的频率在38KHZ，我们在设计该电路时，也是让分立器件电路组成的振荡器工作在38KHZ附近。
至于接收电路，作为报警工作的话，没有像红外线通信那样要精确地还原出发射端发射的每一个数据，因此相对来说，要求可以放宽一些，设计时可以通过低通滤波，加倍压整流等措施，将发射的红外线信号转变成用于控制的直流控制电压，可以理解为：
当有红外线信号收到时输出一个高电平信号，如果有人阻断了红外线信号，输出一个低电平信号，后续电路会通过这个低电平信号来启动报警电路，以及控制指示灯的亮灭。
从实际的效果来看，报警信号必带有锁存功能，即当有人进入设防区域时，报警信号就会被锁住，即使人离开了报警信号也将会继续，直到人为按下系统的复位键才停止报警。
系统使用的红外对射管如下图3.7所示，其中白色管为红外发射管，黑色管为红外接收管。
在使用时，要将发射端和接收端对准，保证接收端能够接收到发射端发出的红外光，并且保证没有自然界的红外光信号干扰。
否则，将会干扰系统正常工作。
图3.7红外对射管
居室智能防盗报警系统的红外对射电路的设计图如下图3.8所示。
红外对射电路的输出端接单片机的P3.1端口。
图3.8红外对射电路原理图
3.3声音报警电路的设计
本居室智能防盗系统的声音报警系统采用一个蜂鸣器，一个三极管和一个电阻来完成。
蜂鸣器用一个三极管0913来驱动。
单片机引脚P3.5接0913的基极输入端，当P3.5端输出高电平1时，三极管导通，蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P3.5端输出低电平0时，三极管截止，蜂鸣器停止报警发生。
本系统的蜂鸣器报警电路如图3.9所示。
图3.9蜂鸣器报警电路
3.4发光二极管及开关电路设计
本次设计的居室智能防盗报警系统设有系统工作指示灯L1，
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