基于单片机控制的红外防盗报警器的设计毕业设计说明书.doc

化工学院 课课程程 设设计计说说明明书书 题题 目：目： 基于单片机控制的红外防盗报警器的设基于单片机控制的红外防盗报警器的设 计计 学学 生生 姓姓 名名： 学学 号号： 指指 导导 教教 师：师： 专专 业业 年年 级：级： 2009 级自动化级自动化 所所 在在 班班 级：级： 2009 级自动化班级自动化班 完完 成成 日日 期：期： 2013 年年 6 月月 6 日日 答答 辩辩 日日 期：期： 2013 年年 6 月月 14 日日 基于单片机控制的红外防盗报警器的设计 摘要摘要 随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，人们对区 域治安环境以及安全防范的要求也越来越高，同现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手 段更隐蔽，所以保证区域安全必须从运用现代化的防盗报警技术。 设计将介绍一种基于单片机控制的红外防盗报警器的装置，由于它是利用人眼不可见的红外光 束，组成监控区域，所以具有极强的保密性和可靠性。系统除用于家庭、仓库、门窗、围墙、栅栏 防盗报警外，也可用于其他需要监控的场合。 设计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 AT89S51。整个系统是在系统软 件控制下工作的。系统程序可以划分为以下几个模块：数据采集、键盘控制、报警和显示等模块子 函数。 关键词:红外传感器，单片机 AT89S51，数据采集，报警电路 DESIGN OF INFRARED ALARM SYSTEM BASED ON SINGLE- CHIP CONTROL ABSTRACT Along with societys unceasing progress and science and technology, economical unceasing development, the people living standard obtains the very big enhancement, peoples requisition for regional public security environment and safe precaution is higher and higher, at the same time today when modernized technological high develop, the crime is more intelligent, the means is concealed even more, so guarantee the security of the area must use the modernized warning technology of guarding against theft. Design will introduce a microcontroller based on control infrared burglar alarm device, because it is the use of the human eye invisible infrared beam to form the monitored area, it has a strong confidentiality and reliability. In addition to this system for home, warehouse, doors, windows, walls, fences burglar alarm, but also need to be monitored can be used for other occasions. This design designs two parts including the hardware and software. The hardware partially including the monolithic integrated circuit control circuit, infrared pokes head in the electric circuit, the actuation execution alarm circuit, the LED control circuit and so on the partial compositions. The processor uses 51 series monolithic integrated circuits AT89S51, the overall system is works under the system software control. The system program may divide into following several modules: The data acquisition, the keyboard control, reports to the police with the demonstration small steelyard function. Key words ：infrared sensor，AT89S51 monolithic integrated circuit，data collection， alarm circuit 目目 录录 1.绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 课题背景和意义 .1 1.3 课题的研究现状 .1 1.4 课题的应用前景 .2 2. 红外报警器系统总体设计.3 2.1 系统概述3 2.2 总体设计 .3 3. 红外报警器系统的硬件设计.5 3.1 AT89S51 单片机概述5 3.1.1 单片机的选择5 3.1.2 AT89S51 单片机的结构.5 3.1.3 管脚说明7 3.2 信号检测与放大电路 .9 3.2.1 热释电红外传感器概述9 3.2.2 电路实现功能13 3.2.3 电路元件介绍13 3.2.4 电路图13 3.2.5 电路实现原理：13 3.3 LED 显示电路13 3.3.1 电路实现功能13 3.3.2 电路元件介绍13 3.3.3 电路图14 3.3.4 电路实现原理14 3.4 报警执行电路 .14 3.4.1 电路实现功能14 3.4.2 电路元件介绍14 3.4.3 电路图15 3.4.4 电路实现原理15 3.5 手工暂停 .15 3.5.1 电路实现功能15 3.5.2 电路图16 3.5.3 电路工作原理16 3.6 单片机控制晶振与复位电路 .16 3.6.1 电路实现功能16 3.6.2 电路元器件介绍16 3.6.3 电路图18 3.7 电源设计 .18 4.红外报警器系统软件设计.21 4.1 软件设计介绍 .21 4.2 主程序设计 .21 4.2.1 实现功能21 4.2.2 流程图21 4.3 定时中断程序设计 .23 4.3.1 实现功能23 4.3.2 10s 定时流程图.23 4.3.3 关键技术23 4.3.4 关键代码25 4.4 解除中断程序设计 .26 4.4.1 实现功能26 4.4.2 程序流程图26 4.4.3 关键技术27 4.4.4 关键代码28 总结29 展望31 参考文献33 致谢35 附录37 1.绪论绪论 1.1 引言 在多元化发展的今天，随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人民收入得到大幅 度的增加，生活水平得到很大的提高，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。 1.2 课题背景和意义 在现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更加隐蔽，所以采用以电子技术、传感 器技术和计算机技术为基础的安全防范技术的器材设备，并将其构成一个系统，这将发挥最大的监 控防盗的功能作用。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，为了满足现代防盗的需要， 由此产生了以红外探测器为核心部件的报警装置。 就目前市面上报警器装置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。而我所研究的防盗报警器采用的红外线 是不可见光，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。此外， 在电子防盗、人体探测等领域中，红外探测也由于价格低廉、技术下稳定，更是受到了很多专业人 士的欢迎。同时它也是当前使用比较普遍的报警器之一，并以其灵敏度好、价格实惠，而收到了广 大用户的欢迎 1.3 课题的研究现状 国内的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。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。防盗报警产品的发展趋 势，产品技术将在数字化、无线化、集成化核心前提下力求突破。而在应用市场上，将朝更细化的 方向前进，成长最快的住宅小区应用为例，有厂商表示，专为住宅小区设计的定向幕帘式和防宠物 探测器，成本低、安装简单、适合家庭用的无线联网报警系统，以及小区智能化安防和报警集成系 统产品都将是亮点。 国外的红外报警器大多数都是采用先进技术，其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红 外报警器，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 摸式防盗报警器等等。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。 1.4 课题的应用前景 在现代化技术高度发展的今天，由于犯罪更趋智能化，手段更加隐蔽，社会治安状况更趋复杂， 所以人们对私有财产的保护更加注重，而作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要” 。 从而使传统的机械式（防盗网、防盗窗）家庭防盗在实际使用中暴露出越来越多的问题，如：影响 楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空 坠物的危险等。而红外防盗报警器以其制作简单、成本低，安装比较方便，而且安防性能比较稳定， 有很强的隐蔽性和保密性，灵敏度高、安全可靠、功耗低等优点越来越受到人们广泛的重视和青睐。 2. 红外报警器系统总体设计红外报警器系统总体设计 2.1 系统概述 由于系统采用了热释电红外传感器，它具有防盗性能比较稳定，抗干扰能力强，灵敏度较高， 安全可靠，安装隐蔽等特点；则系统可实现如下功能： （1）设计仅限于对人体的探测； （2）可探测范围 10-20 米； （3）有人闯入时，红外探头将探测到的人体辐射的红外光谱信号送至 AT89S51 单片机，并进 行声光报警； （4）报警延时 10S 后可自动解除，也可人工手动解除报警信号，并通过 LED 显示报警次数； （5）警情消除后复位电路可使系统复位； （6）LED 显示报警次数，报警次数超过 10 次，显示清零。 就设计的核心模块来说，AT89S51 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、软件设计等几个阶段。 2.2 总体设计 从上述系统可实现的功能来分析，设计须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。电路结构组成可划分为：热释电红外探头电路、报警电路、 复位电路、单片机控制电路、LED 控制电路及相关的控制管理软件组成；则系统的总体设计框图如 图 2-1 所示： 图 2-1 总体设计框图 报警电路 驱 动 LED 显示驱 动 CPU AT89 S51 复位电路 放大 信号检测电路 放 大 处理器采用单片机 AT89S51。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，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出 电平至 AT89S51 单片机1。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。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作1。当报警延迟 10s 后自 动解除，也可人工手动解除报警信号，然后通过显示报警次数，当警情消除后复位电路使系 统复位，或者是在声光报警 10s 钟后有定时器实现自动消除报警。 3. 红外报警器系统的硬件设计红外报警器系统的硬件设计 电路实现的是一种基于单片机控制的红外防盗报警器。该防盗报警器通过以 AT89S51 单片机 为工作处理器核心，外接热释电红传感器，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其 转化为相应的电信号输出，平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为 高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后， 单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警，同时通过显示电路显示出报警次数。 3.1 AT89S51 单片机概述 3.1.1 单片机的选择 在众多制作单片机的公司中，我选择了适合系统的 ATMEL 公司中 AT89S51 和 AT89C51 两款 单片机，通过对 AT89S51 与 AT89C51 比较，它们外型管脚完全相同，AT89C51 的 HEX 程序无须 任何转换可直接在 AT89S51 运行，结果一样。AT89S51 比 AT89C51 新增了一些功能，如在 AT89S51 中 SP1.5，P1.6，P1.7 具有第二功能、支持在线编程、烧写次数增加、最高工作频率增大、 内部集成看门狗计时器等，其中支持在线编程和内部集成看们狗是其中主要特点。通过以上的比较 和分析，我们可以得出 AT89S51 功能和性能都优于 AT89C51，故我选择单片机 AT89S51。 3.1.2 AT89S51 单片机的结构 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器（EPROM） ，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(CPU)和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多 嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 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，AT89S51 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2。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 3-4 为 AT89S51 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 外部事件数 振荡电路和时序 OSC 程序存储器 4 KB ROM 数据存储器 256 B RAM/SFR 定时器/计数器 2 16 位 AT89S51 CPU 64 KB 总线 扩展控制器可编程 I/O 可编程全双工 串行口 内中断 外中断 控制 并行口 串行通信 图 3-4 AT89S51 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，主要完成运算和控制功能。 AT89S51 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）内部数据存储器（内部 RAM） AT89S51 中共有 256 个 RAM 单元，但其中后 128 个单元（80H-0FFH）被专用寄存器占用， 能作为寄存器供用户使用的仅有前面 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）内部程序存储器（内部 ROM） 芯片内部有 4 KB 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 AT89S51 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2。 （6）串行口 AT89S51 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 AT89S51 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/INT0 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 AT89S51 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，AT89S51 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。 3.1.3 管脚说明 ATMEL 公司的 AT89S51 是一种高效微控制器。采用 40 引脚双列直插封装（PDIP）形式，如 图 3-5 所示。AT89S51 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 3-5 DIP 封 装 引 脚 图 图 3-6 SMT 的 封 装 图 VCC：电源电压输入端。 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 口除了作为普通 I/O 口，还有第二功能，如下表所示： P3 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（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。 3.2 信号检测与放大电路 针对红外辐射信号的探测，设计了一种实用化的基于单片机 AT89S51 检测放大电路。 3.2.1 热释电红外传感器概述 （1）PIR 传感器简单介绍 热释电红外线传感器（PIR)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，例如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。 自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利 用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感 器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响 应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷 却条件。它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、 自动照明及非接触 温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源； 大气对 2-2.6um、35um、814um 三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非 常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。 （2） PIR 的原理特性 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 1020 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。 一个正常人的人体辐射的红外线中心波长为 9-10um，而一个标准的探测元件的波长在 0.2- 20um 之间，范围相对比较广，那么会容易使得灵敏度降低，故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，就保证了稳定性和针对性，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3。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。 （3） PIR 结构特性及安装 图 3-1 热释电红外传感器实物图 图 3-2 PIR 结构示意图 图 3-2 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时端接电源正极，端接电源 负极，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 0.2-20um4。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，然后使该信号先通过一个由 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 0.110Hz 左右） ，所以应对热释 红外传感器输出的电压信号进行放大。 设计所用的热释电红外传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 3- 3 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 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 3-3 热释电红外传感器原理图 双探测热释电红外探头的优缺点： 优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。 缺点： 1）容易受各种热源、光源干扰。 2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 3）易受射频辐射的干扰。 4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度降低，有时造成短时失灵。抗干扰性能： a、防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产 生报警。 b、抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合国家标准要求，一般手机电磁干扰不会引起 误报。 c、抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射,不产生报 警。 （4）红外线热释电传感器的安装要求 红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确 的安装应满足下列条件： 1、红外线热释电传感器应离地面 1.6-2.2 米。 2、红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 3、红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 4、红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有 条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方5。 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于 径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合适 的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环，所以产品安装时要注意入 侵方向与探测器视场的夹角，最好成 90垂直，这样就可以保证有人入侵时能最大程度横切探测 区域。 3.2.2 电路实现功能 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，然后经放大电路将电信号放大传给单片机。 3.2.3 电路元件介绍 74LS04 反相器是最简单的门电路，它只有一个输入端和一个输出端，输入和输出都只有高电 位和低电位（在数字电路中称之为高电平和低电平）两种反相的状态，如果高电平用“1”表示， 低电平用“0”表示，反相器输出与输入之间特定的逻辑关系就是“输入为 1，则输出为 0；输入为 0，则输出为 1” ，输出总是输入的否定6。 3.2.4 电路图 图 3-7 信号检测与放大电路 3.2.5 电路实现原理： 此电路通过红外探头 PIR（GSD）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，再通过反向器 74LS04 送出 TTL 电平至 AT89S51 单片机。 3.3 LED 显示电路 针对报警次数的显示，设计了一种实用化基于单片机 AT89S51 的 LED 显示电路。 3.3.1 电路实现功能 此电路实现的功能是显示报警次数信号。 3.3.2 电路元件介绍 共阴极数码管 DS1（数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多 一个发光二极管单元（多一个小数点显示） ；按能显示多少个“8”可分为 1 位、2 位、4 位等等数码 管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管7。共阳极数码管是指将所有发 光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电 平时，相应字段就不亮。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM) 的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的 阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 3.3.3 电路图 图 3-8 LED 显示电路 3.3.4 电路实现原理 当查询 P1.0 有高电平时，进行报警处理，7 段 LED 数码管显示报警次数，当报警次数超过 10 次，清零。同时通过 P3.0 和 P3.1 口设置进行声光报警。 3.4 报警执行电路 针对声光报警实现，设计了一种实用基于单片机 AT89S51 报警执行电路。 3.4.1 电路实现功能 此电路接受单片机传送来的电平信号，驱动声光报警从而达到报警效果。 3.4.2 电路元件介绍 红色发光二极管 DS3,DS4（发光二极管简称为 LED） 。由镓（Ga）与砷（AS） 、磷（P）的化 合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路 及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能； 常简写为 LED7。发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。 蜂鸣器 LS1，蜂鸣器的作用：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广 泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产 品中作发声器件。 蜂鸣器的分类，蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。设计采用的则是压电 式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有 的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后 （1.5-15V 直流工作电压） ，多谐振荡器起振,输出 1.5-2.5kHZ 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂 鸣片发声。 3.4.3 电路图 图 3-9 执行报警电路 3.4.4 电路实现原理 驱动电路通过 P3.1 口将高电平信号送至三极管 Q2（8050）基极，三极管 Q2 基极输入高电平 时，管子饱和导通，驱动蜂鸣器 LS1 及发光二极管 DS3 和 DS4 进行声光报警8。 3.5 手工暂停 针对中断系统的显示，设计了一种实用化基于单片机 AT89S51 的手工暂停电路。 3.5.1 电路实现功能 通过按按钮 S1 能够实现手工解除警报信号。 3.5.2 电路图 图 3-10 手工暂停电路 3.5.3 电路工作原理 电平信号经放大电路到声光报警器后，当报警延时 10s 后可自动解除，同样也可以通过按下暂 停键，单片机接受 INT0 的中断信号，调用 INT0 中断子程序，从而解除报警。 3.6 单片机控制晶振与复位电路 3.6.1 电路实现功能 通过振荡得到一个稳定的时钟频率。利用中断方式可以实现报警持续时间未到 10 秒时，用手 工按键停止的声光报警的作用。 3.6.2 电路元器件介绍 石英晶体振荡器 Y1，石英晶体振荡器即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。 石英晶体振荡器是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，石英晶体振荡器的主要性能指标有： 调整频差、温度频差或总频差、谐振电阻或负载谐振电阻，还有机械性能等。 标称频率：技术条件所指定的频率，通常指晶振上标识的频率。 工作频率：石英晶体振荡器在给定电路上产生的频率。 电路原理: 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 英晶体振荡器和陶瓷振荡器均可采用。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9，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。 复位则是通过某种方式, 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2。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。MCS51 单片机复位后，程序计数器 PC 和特殊功能寄存 器复位的状态如表 3-1 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2。 由表 3-1 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。 表 3-1 PC 与 SFR 复位状态表 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC0000HTCON00H A00HT2CON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR0000HTL100H P0P3FFHSCON00H IP000000BSBUF00H IE0000000BPCONH TMOD00H(00000B) 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2。 “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。 3.6.3 电路图 图 3-11 晶振/复位电路 3.7 电源设计 系统的电源一般市电提供，它通过变压器降压后，经过桥式整流，电容滤波、三端稳压器 W7805 输出其余电路需要的电压10。并且通过一个发光二极管来显示是否有电，以通知用户检查。 图 3-12 电源原理图 如图 3-12 为电源电路原理图，它是系统的能量源泉。用到的元器件有一个变压器，四个 IN4O01 整流二极管，三个滤波电容，一个 300 欧的电阻，一个开关 S3 和一只 DIN400 型发光二极 管 DS1 构成。首先市电经变压器变为 5 伏左右的交流电，再经四只 IN4001 型整流二极管构成的整 流桥变为直流，然后经滤波电容滤波和三端稳压器 W7805 后输出+5v 的电压，然后送往下一级电 路，并联限流电阻 R1 和发光二极管 DS1，作为供电的指示器，以确保后续电路能工作。 4.红外报警器系统软件设计红外报警器系统软件设计 4.1 软件设计介绍 系统软件设计包含一个主程序，一个定时中断中程序，一个外部中断子程序共三个组成。 4.2 主程序设计 该程序设计主要是通过探测红外信号，经单片机 AT89S51 将控制电平传给声光报警系统。 4.2.1 实现功能 主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，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，报警持续 10 秒钟后自动停 止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号， 等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到 10 秒 时，用手工按键停止的声光报警的作用。 4.2.2 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 4-1 所示； 图 4-1 主程序工作流程图 4.3 定时中断程序设计 4.3.1 实现功能 当接收单片机传送来的脉冲信号，检测报警是否持续 10S，然后显示报警次数。 4.3.2 10s 定时流程图 图 4-2 10S 定时流程图 4.3.3 关键技术 单片机定时器/计数器在测量控制系统中，常常需要实时时钟，以实现定时或延时控制；也常 常需要有计数器，以实现外界事件进行计数。MSC-51 单片机内部有两个 16 位可编程定时器/计数 器 T0 和 T1。可编程其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来设置完成。 每个定时器的计数信号来自片内振荡器的 12 分频信号，即每个一个机器周期，计数器加 1，直至 溢出11。而计数方式是外部脉冲从引脚 t0 或 t1 加入，外部脉冲的下降沿将触发计数器计数，直 至溢出。定时器方式寄存器 TMOD 主要用于选定定时器的工作方式。定时器控制寄存器 TCON 主要用 于控制定时器的启动与停止。在使用定时器/计数器前，需要对其进行初始化设置，大致步骤如下： a.确定工作方式（对 TMOD 赋值） 。 b.预置定时或计数初值（可直接将初值写入 TH0,TL0 或 TH1,TL1） 。 c.根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对 IE 赋值） 。 d.启动定时器/计数器（若已规定用软件启动（GATE=0）,则可把 TR0 或 TR1 置“1” ；若已规定 由上部中断引脚电平启动（GATE=1）,则需要给外加引脚启动电平。当实现了启动要求之后，定时 器/计数器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时） 。 定时器工作方式有四种，不同的工作方式，计数器的位数不同，则最大计数值也不同12。若 最大计数值为 M，则各种方式下 M 的值如下： 工作方式 0：M=2*13=8192 工作方式 1：M=2*16=65536 工作方式 2：M=2*8=256 工作方式 3：T0 分为两个 8 位计数器，所以两个 M 值均为 256。因为定时器/计数器是“加 1” 计数，并在计满溢出是产生中断请求，因而定时器/计数器的初值也可这样计算： X= M 计数值 (公式 1) 定时器控制字有两个分别为 TNOD 和 TCON 定时器/计数器的方式寄存器 TMOD TMOD 是一个 8 位的特殊功能寄存器，对应的地址是 89H，不可位寻址2。 图 4-3 TMOD8 控制字 主要完成三个功能： 确定选择定时器还是计数器； 选择何种工作方式； 是否借用外中断控制定时器和计数器的启停。 TMOD 的低 4 位是控制 T0 的字段（T0-P3.4 定时器/计数器 0 外部事件脉冲输入端） 。 TMOD 的高 4 位是控制 T1 的字段（T1-P3.5 定时器/计数器 1 外部事件脉冲输入端） 。 M1(TMOD.5)，M0(TMOD.4) 用 M1,M0 来控制定时器/计数器的 4 种工作方式: 方式 0：M1=0，M0=0.13 位定时/