红外报警.docx
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红外报警
毕业设计[论文]
题目：
基于单片机的红外声光报警器设计
学院：
电气与信息工程学院
专业：
电子信息工程
姓名：
刘英豪
学号：
093409143
指导老师：
张洛花
完成时间：
2013-5-20
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红外防盗报警系统。
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STC89S52。
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。
Abstract
Thepeoplelivingstandardenhancesunceasingly,toprivatepropertyprotectionconsciousnessinunceasingenhancement,thussetthenewrequesttothesecuritymeasure.Thisdesignistosatisfythepreventiontorobtheorchardsecurityalarmsystemwhich,theburglaryandsoonaccidentneedstodesign.
Atpresentinthemarketconditionequipsmainlyhasthepressuretotouchthehairstyleburglaralarm,theswitchelectronburglaralarmandthepressureshieldslightthehairstyleburglaralarmandsooneachkindofalarmapparatus,butthesekindofquitecommonalarmapparatusesallhavesomeshortcomings.Thissystemusedhashotlyreleasedtheelectricityinfraredsensor,itsmanufacturesimple,costlow,installmtheantijammingabilitystrong,thesensitivityhigh,safewasreliable.Thiskindofsecurityinstallmenthiding,wasnoteasilydiscoveredbythebanditsandthieves.SimultaneouslyitssignalaftermonolithicintegratedcircuitsystemprocessingtheconvenienceandPtheCmachinecorrespondence,isadvantageousforthemultiuserunificationmanagement.
Thisdesigndesignstwopartsincludingthehardwareandsoftware.Thehardwarepartiallyincludingthemonolithicintegratedcircuitcontrolcircuit,infraredpokesheadintheelectriccircuit,theactuationexecutionalarmcircuit,theLEDcontrolcircuitandsoonthepartialcompositions.Theprocessoruses51seriesmonolithicintegratedcircuitsSTC89S52,theoverallsystemisworksunderthesystemsoftwarecontrol.Thesystemprogrammaydivideintofollowingseveralmodules:
Thedataacquisition,thekeyboardcontrol,reportstothepolicewiththedemonstrationsmallsteelyardfunction.
Keywords:
STC89S52monolithicintegratedcircuit,infraredsensor,dataacquisition,alarmcircuit.
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题目的及意义1
1.2国内外研究现状及发展趋势1
1.3设计任务与目标2
第2章红外传感器概述3
2.1传感器简介3
2.2基本工作原理3
2.3热释电红外线传感器4
2.3.1原理特性5
2.3.2结构特性及安装6
2.3.3菲涅耳透镜8
2.3.4集成电路内部芯片9
第3章整体电路设计12
3.1设计进程规划12
3.2系统硬件设计13
3.2.1电源模块13
3.2.2信号采集处理模块14
3.2.3按键控制电路模块14
3.2.4报警电路15
3.3控制单元16
3.3.1最小系统16
3.3.2单片机简介18
3.3.3时钟电路19
3.3.4复位电路20
3.4软件部分20
3.4.1主程序工作流程图20
3.4.2主程序实现功能21
第4章制作与调试22
4.1系统硬件部分22
4.1.1短路与虚焊检测23
4.1.2上电测试23
4.2系统软件调试24
4.3调试结果24
4.4避免误报警注意事项25
第5章系统总体概述26
第6章心得体会27
参考文献:
28
致谢29
附录1：
系统总体原理图30
附录2：
程序代码31
第1章绪论
1.1选题目的及意义
随着科技的提高，电子电器飞速发展，人民生活水平有了很大提高。
各种高档家电和贵重物品为许多家庭所拥有。
然而一些不法分子也越来越多。
这点就是因为不法分子看到了大部分人防盗意识不够强所造成的结果。
因此越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
报警系统这时为人们解决了大部分问题。
红外报警器大多数采用国外的先进技术，其功能也非常先进。
其中包括被动式热释电型红外报警器，也即是本文将研究的产品。
还有红外监控无线报警器，超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器，红外报警器，红外线声光报警器。
但是市场上的报警系统大部分是适用于一些大公司的重要机构。
其价格昂贵，使普通家庭难以承受。
如果设计一种价格低廉，性能可靠、智能化的报警系统，必将在私人财产的防盗领域起到巨大作用。
由于红外线是不可见光，隐蔽性能良好，因此在防盗、警戒等安保装置中被广泛应用。
本设计旨在制作出一种红外监控报警系统，在出现紧急情况时能及时通知当事人，并自动呼叫报警。
随着当今社会的发展，人们的安全意识也逐步提高，防火防盗也广受人们的关注，很多公共场所都装有防火防盗装置，而声光报警器能够通过声音和各种光来向人们发出示警信号的一种报警信号装置，从而达到防火防盗的作用。
1.2国内外研究现状及发展趋势
近年来现代化的安防技术得到了广泛的应用。
由于红外线是不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，所以众多的红外产品也逐渐应用到小区的安保之中，以提高监控性能。
随着社会的发展，人们安防意识的提高，现代化的安防技术得到了广泛的应用。
为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范手段己难以适应要害部门、重点单位安全保卫工作的需要。
人力防范往往受时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，亦难免出现漏洞和失误。
利用科技手段和有效的物业管理，改变人们安全防范的方法和手段，从单一封闭式、被动型安全防范模式向多元化、综合化、电控化以及红外报警处理方向发展。
国外的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、红外发射／接收以及微波等技术为基础。
红外声光报警系统经过多年发展，产品外观的小型化及精致化，不断满足客户的需求，而功能的多样化、性能的稳定性，则越来越受到关注。
在防盗报警器的发展优势之后，更多关注行业发展的未来趋势：
产品功能技术提升，人性化趋势，整合功能发展等等都是报警器的发展趋势。
目前国际上应用最多的是主动红外对射总线制报警主机的方式，这种方式具有技术成熟、可靠性高、易扩展、操作简便、经济性好等优点。
1.3设计任务与目标
本文要求设计以单片机为核心的声光报警器，要求设计的声光报警电路能在特定的情况下发出光和声音，实现报警的目的。
本设计主要是利用单片机结合传感器技术而开发设计的声光报警系统。
论文中要求针对声光报警系统中的各个组成部件进行详细介绍，并对它的主控电路和外围设备电路之间的接口技术以及软件设计方面也要进行详细介绍。
最后对整体系统的性能进行测试分析，在时间允许的情况下，可以对系统的功能进行扩展。
设计的电路包括硬件和软件两个部分。
硬件部分包括红外感应部分与单片机控制部分，整个系统电路可划分为：
电源接口部分、信号采集处理、单片机控制电路，而单片机控制由最小系统和指示灯电路、报警电路等子模块。
主要工作由热释红外感应器完成信息采集、处理、数据传送经过单片机功能设定到达报警模块这一过程。
就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
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，软件是主要是工作的程序通过编写程序来控制输入的信号。
第2章红外传感器概述
2.1传感器简介
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。
2.2基本工作原理
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双元件热释红外传感器。
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。
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。
2.3热释电红外线传感器
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。
结构上引入场效应管，其目的在于完成阻抗变换。
由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。
故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。
制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20um。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
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2-1所示。
图2-1热释感应传感器
2.3.1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，经信号处理后输出电压信号。
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。
2.3.2结构特性及安装
图2-2热释电红外传感器结构图
图2-2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。
制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20μm。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。
由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有１mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1-10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。
本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。
本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。
其工作电路原理及设计电路如图2所示,在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。
当检测到人体移动信号时，电荷信号经过场效应管FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过三极管Q2的转化，输出OUT为低电平。
图2-3热释电红外传感器原理图
图2-4红外传感器结构单元
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2-5双元红外传感器示意图
2.3.3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。
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。
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区。
菲涅尔透镜是凸透镜，将物体的红外影像投射在热电元件表面。
热释电红外传感器其热释电器件及前置放大电路封装在圆型金属帽内，金属帽顶部方型开孔镶嵌有抗冷白光的硅红外滤光片，底部有金属引脚，分别为电源引脚，地线引脚，热电信号输出脚。
2.3.4集成电路内部芯片
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2-6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2-6BISS0001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
升级会员 