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1、传感器课程设计 基于单片机的红外报警系统的设计 考核成绩： 2016年6月目录一.绪论11.1发展概况与设计背景1二.设计要求2三.基本原理33.1 AT89C51的结构33.2AT89C51的引脚结构33.3热释电红外传感器的原理53.4人体热释电传感器的原理6四.硬件电路设计74.1主电路的设计74.1 红外防盗报警电路总原理图74.2 时钟电路的设计74.3复位电路的设计84.4 发光二极管报警电路的设计84.5声音报警电路的设计9五.系统软件的设计105.1主程序工作流程图10六.结论11七.心得体会12八.参考文献13附录14一.绪论1.1发展概况与设计背景随着社会经济的飞速发展，但
2、是社会的治安问题也越来越凸显出来，各种入室抢窃、偷盗事件时有发生。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的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。这时，传统的家庭住宅显然己经远远不能满足人们的需求。人们迫切需要一种智能型的家庭防盗报警系统，面对种种治安问题，我们需要利用现代科技技术来保护我们的自身财产。在此设计防盗报警系统，它是利用探测器装置对建筑物内外重要地点和区域进行布防、探测。当探测器探测到非法入侵，报警器工作状态变为报警状态，产生报警声。日常生活中应用的报警装置有目标明显反映迟钝等现象。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
3、式防盗报警器等各种报警器，但是这几种比较常见的报警器都存在或多或少的缺点。为了解决这些问题和要求，本设计采用了一种简单的红外探测报警装置，而且性能更良好，设计中采用被动热释红外探测地方法设计热释红外的报警系统。本设计的报警系统所使用的红外线是不可见光，并且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。本设计为一种以51单片机、热释电红外传感器等元器件组成电路为系统控制核心的防盗报警器执行电路。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，并将其转变为电压信号，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。此外,在电子防盗
4、、人体探测等领域中,被动式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。二.设计要求1. 本课题需要研究的内容主要有以下几个方面：（1）根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。 （2）系统硬件设计。包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有单片机的选择、主机电路的设计、传感器的选择、报警电路的设计。2. 实现的功能如下： 采用红外传感器，把红外传感器放在门上，一旦发现有人入室行窃，通过单片机控制蜂鸣器响起来以此来提醒主人家遭非法入侵了。 该系统模型图如图1所
5、示： 图2.1 系统模型图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、报警模块和显示模块等模块。该系统主控制模块用单片机做为核心，报警方式是传统的声光报警；显示方式采用数码显示，按键方式采用中断矩阵键盘，传感器采用热释电红外传感器。各功能模块设计方案 1、声光报警模块：当单片机收到信号检测电路传来的入侵信号后，通过LED和蜂鸣器发声，发光二极管发光，通过软件控制相应的单片机引脚变化从而实现相应的动作。2、数码显示模块：为实现显示入侵时间，选用了2个四位一体数码管，分别用来显示：小时、分钟、秒。为了简化电路，采用数码管动态显示，通过软件编写程序。3、红外探测器模块：采用红外探测器，
6、当有人通过探测模块，则向单片机引脚发送报警信号，由软件监测报警信号并进行相应处理。三.基本原理3.1 AT89C51的结构AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。在这块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CP
7、U、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。3.2AT89C51的引脚结构ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。引脚图如图3.1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3.1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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出
8、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
9、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。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器
10、1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（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MO
11、VX，MOVC指令时ALE才起作用。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/VP：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。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。振荡特性：XTAL1和XTAL2
12、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。芯片擦除：整个PEROM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
13、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。我们常见的单片机就是51系列，但是他们根据类型和特性不同分为好多种,此次设计我们选择了AT89C51单片机。3.3热释电红外传感器的原理热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。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。如图3.1所示为热释电红外传感器的内部电路框图。
14、图3.1热释电红外传感器的内部电路热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的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，该电阻阻抗高达104M
15、，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。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。3.4人体热释电传感器的原理热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，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。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
