热释电人体感应红外报警器设计制作

1热释电红外报警器1一、设计任务分析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、按键设定、报警等。2.本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、蜂鸣器、单片机控制电路、LED 指示电路及软件组成。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，红外热释电模块送出 TTL 电平至 STC89C52 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。二、技术方案的详细设计（实施）2.1 本系统的设计方案系统设计简介本系统采用了热释电红外线传感器，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，便于多用户统一管理和用户操作。为了探测移动人体，通常使用双元件型热释电红外线传感器，在这种传感器内部，两个灵敏元件反相连接，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。该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块化分为数据采集、按键控制、报警等模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、蜂鸣器、单片机控制电路、LED 指示灯组成。2.2 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、STC89C5单片机、报警系统三大部分。电路总原理图如图 3-1 所示：2电源开关电源 STC89C52 单片机复位电路LED 指示灯报警电路按键控制 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。2.2.1 红外感应部分2.2.1.1 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。2.2.1.2 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 910-um，而探测元件的波长灵敏度在 0.220-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 710-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3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2.2.1.3 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42.2.1.4 BISS0001 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3V5V 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 3-4 BISS0001 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55 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 0V8 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 VcVR 时允许触发(VR0.2VDD)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 35V12 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VH0.7VDD、VL0.3VDD，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VcVR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6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。2.2.1.5 信号采集处理模块图 3-5 信号处理模块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。7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。2.3 单片机部分2.3.1 STC89C52 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8位电路、振荡电路、键盘控制、LED 显示电路、报警电路等子模块。2.3.2 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。P1.0234567RST9(XD)INWALGE/OVCUYMuFKJ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9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。 2.3.3 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。S3GND4P1010图 3-8 按键部分2.3.4 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 。 B1蜂 鸣 器Q850VCGND+R32KP图 3-9 指示灯和报警电路2.4 软件的程序实现主程序工作流程图 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：11开始布防按键按下倒计时结束20 秒倒计时开始检测到有无信号蜂鸣器报警，发光二级管闪烁紧急按键按下YYN蜂鸣器报警结束图 3-10 主程序工作流程图2.5 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*/ void hongwai_dis()if(flag_alarm = 1) /报警12red = 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;三.制作与调试3.1 制作过程（略）3.2 硬件调试及调试中遇到的问题第一步为目测，单片机应用系统电路全部手工焊接在洞洞板上，因此对每一个焊点都要进行仔细的检查。检查它是否有虚焊、是否有毛剌等。第二步为万用表测试，先用万用表复核目测中认为可疑的连线或接点，查看它们的通断状态是否与设计规定相符，再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象。13第三步为加电检查。当系统加电时，首先检查所有插座或器件引脚的电源端是否有符合要求的电压值，接地端电压值是否接近零，接固定电平的引脚端是否电平正确。第四步是联机检查。在对硬件电路调试过程中，还遇到了不少问题，第一次把所有的元件都焊上去后，都准备调试了，才发现正负电源的插针离得太近了，不容易接电源，本不该犯的错误，这些都是由于自己的粗心大意造成的，所以说，做任何事情都必需经过“三思而后行”，来不得半点的马虎，否则浪费了时间和精力四.价格热释电部分约 15 元报警器部分约 20 元工具及其他（包括电烙铁万用表等）50 元附件一：报警器部分原理图14546231SWsw-外PGNDR7KVC.08T9(X)IALE/OUYMuFJB蜂 鸣 器Q+k热释电部分原理图15附件二：实物图附件三：程序源代码#include /调用单片机头文件#define uchar unsigned char /无符号字符型 宏定义 变量范围 0255#define uint unsigned int /无符号整型 宏定义 变量范围 065535#define key_io P1uchar key_can;/ 红外热释电平时为 0 有输出为 1sbit beep = P23; /蜂鸣器定义sbit red = P22; /红色发光二极管定义sbit green = P21; /绿色发光二极管定义sbit yellow = P20; /黄色发光二极管定义sbit hw = P13; /红外热释传感器定义16bit flag_300ms = 0;/*独立按键处理函数 */ void key()static uchar key_new = 0,key_old = 0,key_value = 0;if(key_new = 0) /按键松开if(key_io else key_value = 0;if(key_value = 5) /按键松开松手检测key_value = 0;key_new = 1; /按键松开后进入等待按键状态else if(key_io else key_value =0;if(key_value = 5) /按键按下消抖key_value = 0;key_new = 0; /按键松开后进入等待松开按键状态key_can = 20;if(key_new = 0) break; /得到按键值 case 0x05: key_can = 2; break; /得到按键值 case 0x03: key_can = 3; break; /得到按键值 key_old = key_new; /*定时器 0 初始化程序 */void time_init() EA = 1; /开总中断TMOD = 0X01; /定时器 0 工作方式 1ET0 = 1; /开定时器 0 中断 TR0 = 1; /允许定时器 0 定时uchar flag_alarm ; /报警标志位uchar flag_bufang ; /布防标志位uchar flag_bufang_en ; /布防标志位使能uint flag_value; /用做定时器的变量/*红外报警处理 */ void hongwai_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 18if(flag