毕业论文-基于AT89S51单片机的多功能智能窗的设计说明书.doc

华北科技学院毕业设计（论文） 目 录 设计总说明.i introduction.iii 1 绪论.1 1.1 课题设计背景1 1.2 多功能智能窗发展前景1 1.3 课题内容及章节安排1 2 总体方案设计.3 2.1 整体方案设计3 2.2 多功能智能窗主体构成3 3 系统硬件设计.5 3.2 时钟电路设计8 3.3 复位电路设计8 3.4 防盗报警电路设计9 3.4.1 防盗报警设计思路.9 3.4.2 常见红外传感器介绍.9 3.4.3 re200b 工作原理 11 3.4.4 放大电路设计.14 3.4.5 声光报警电路设计.14 3.5 湿度检测电路设计15 3.5.1 湿度检测电路设计思路.15 3.5.2 常见湿度传感器介绍.16 3.5.3 dht11 工作原理18 3.6 风速检测电路设计21 3.6.1 风速检测电路设计思路.22 3.6.2 常见风速传感器介绍.22 3.6.3 sm5551-001-d 工作原理24 3.6.4 放大电路设计.24 3.6.5 ad 转换电路设计 26 基于单片机的多功能智能窗的设计 3.7 有毒气体检测电路设计29 3.7.1 有毒气体检测电路设计思路.29 3.7.2 常见烟雾传感器介绍.30 3.7.3 mq-2 工作原理31 3.8 lcd1602 介绍.34 3.9 电机驱动电路设计36 4 系统软件设计.39 5 系统仿真.42 5.1 proteus 简介.42 5.2 keil 简介.42 5.3 电路仿真42 6 总结与展望 46 6.1 总结46 6.2 展望46 参考文献.47 致谢.48 附录.49 附录 a 部分程序.49 附录 b 系统总原理图.60 附录 c 系统总仿真图.61 华北科技学院毕业设计（论文） i 基于基于 at89s51 单片机的多功能智能窗的设计单片机的多功能智能窗的设计 设计总说明 在人们生活水平逐渐提高的今天，智能化控制已经逐步走进了人们的生活中。随 着科学技术的不断发展和人们生活条件的改善，各种智能设备在家用电器中不断出现。 窗户对居民的重要性是生活在现代都市人们早已意识到的问题。众所周知，窗户的主 要功能在于调节室内小环境，使之达到人们感觉最舒适的状况。但是当前人们所使用 的窗户是否开启、关闭完全靠人工来实施。然而，完全靠人工根据室内外温度以及空 气状况来判断是否开启或者关闭窗户，常常导致一些意外情况的发生。例如，人在熟 睡时常因有毒气体的泄漏而导致生命危险。人不在家且忘记关窗户时，常因天气突然 刮风、下雨而导致室内物品损坏，因此，研究一种可根据室内外环境不同能够自动实 现窗户开启、关闭的自动控制系统具有非常现实的意义。本设计提出了一个以 at89s51 单片机为主的多功能智能窗系统。 本次设计所要实现的多功能智能窗，实际上可以归为智能家居的一个方面。智能 家居又称智能住宅，在国外常用 smart home 表示。与智能家居含义近似的有家庭自动 化（home automation）、电子家庭（elecctronic home、e-home）、数字家园 （digital family）、家庭网络（home net/networks for home）、网络家居 （network home）、智能家庭/建筑（intelligent home/building），在我国香港和 台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。智能家居是以住宅为平台，利用综合 布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有 关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、 便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居是一个居住环境， 是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智 能家居集成。 作为智能家居的一个方面，多功能智能窗当然也要跟上形势，紧扣目前主唱的绿 色节能、和谐人居的主题。它不仅可以起到节能减排的效果更能给人们的生活带来极 大的舒适和便利。 本系统的主要器件即为控制器件单片机和各种不同类型、不同功能的传感器，单 片机根据接收传感器检测模块的信号，发出相应的控制指令，实现开、关窗，声光报 警，通风等功能，实现窗户开、关的智能化。本系统单片机采用 ata89s51 单片机，传 基于单片机的多功能智能窗的设计 ii 感器选用湿度传感器、有毒气体传感器、人体热释红外传感器、风速传感器等，实现 各种信息的检测。电机采用直流电机。本多功能智能窗能实现以下几个功能设计：当 外界下雨时，湿度传感器检测到这一雨信号并将此信号传动给单片机，由单片机控制 直流电机转动，关闭窗户。防止雨水进入室内损毁室内物品。当室内煤气或者是烟雾 浓度超过一定浓度时，有毒气体检测传感器将此信号传送给单片机，单片机通过控制 直流电机使窗户自动打开以及开启排气扇进行排气。同时驱动发光二极管和蜂鸣器报 警，以提醒主人及时处理危险事件，防止煤气中毒以及火灾事故的发生。当有人非法 入侵时，人体热释红外传感器将此信号传送给单片机，单片机驱动发光二极管和蜂鸣 器报警，起到防盗作用，避免室内财产损失。当室外刮风时，风速传感器将此信号传 送给单片机，单片机驱动直流电机转动使窗户自动关闭，避免大风损坏室内物品。除 了上述自动开、关窗户功能之外，本系统还增加了手动开、关窗户的功能，使本系统 更加人性化。 关键词：关键词：智能家居、多功能智能窗、单片机、传感器 华北科技学院毕业设计（论文） iii introduction in todays peoples living level gradually improve, intelligent control has gradually entered peoples life. with the continuous development of science and technology and the improvement of peoples living conditions, a variety of intelligent devices in the home appliances appear constantly. the window to the residents living in the modern city is the importance of people already realized the problem. as is known to all, the window of the small main function is to regulate the indoor environment, people to feel the most comfortable condition. but the current whether people use the windows open, close completely rely on artificial to implement. however, completely by artificial according to indoor and outdoor temperature and the air condition to judge whether to open or close the window, often lead to some accidents happen. for example, people in a sleeping often life danger caused by the leakage of poisonous gas. people at home and not forget close the window when, often because of the weather suddenly the wind, rain and cause indoor items damaged, therefore, research a kind of can according to different indoor and outdoor environment can achieve automatic open and close the window of the automatic control system has very realistic significance. this design presents a predominantly at89s51 multi-functional smart window systems. this design in order to realize the multi-functional intelligent window, can actually be classified as one aspect of the smart home. intelligent household also called smart home, usually in smart home abroad. implications and intelligent household approximation of a home automation, home automation, electronic family (elecctronic home, e - home), digital home, digital family), the home network (h/networks for home), network, home network (home), intelligent home/building (intelligent home/building), hong kong and taiwan and other regions in china, and digital home, digital home, etc. mr. smart home is a house as a platform, the use of integrated wiring technology, network communication technology, security technology, automatic control technology, audio and video technology to integrate the household life related facilities, to build efficient residential facilities and family schedule affairs management system, improve home security, 基于单片机的多功能智能窗的设计 iv convenience, comfort, artistry, and realize environmental protection and energy saving living environment. smart home is a living environment, is based on residential platform equipped with intelligent household system of living environment, the process of implementation of the smart home system is called a smart home integration. the main components of this system is the single-chip control devices and a variety of different types, different function of sensor, scm according to the receiving sensor signal detection module, a corresponding control instruction, implement open, close, sound and light alarm, ventilation, and other functions, to implement the intelligent of the windows open, close. the system microcontroller adopts ata89s51 microcontroller, sensors humidity sensor selection, toxic gas sensors, human pyroelectric infrared sensor, speed sensor, etc., realize the detection of various kinds of information. motor adopts dc motor. this multi- functional intelligent window can realize the following function design: when it rains outside, humidity sensor detects the signal and the signal transmission to a rain microcontroller, by single chip microcomputer control dc motor rotation, close the window. to prevent rain water into the interior damage to interior items. when indoor gas or smoke concentration is more than a certain concentration, the toxic gas detection sensor, the signal is transmitted to mcu, the mcu by controlling the dc motor to make windows open automatically and open the exhaust fan, exhaust. drive light-emitting diodes (leds) and a buzzer alarm at the same time, to remind the master handling hazardous events in time, prevent gas poisoning and fire accidents. when someone illegal invasion, human pyroelectric infrared sensor, the signal is transmitted to mcu, mcu drive light-emitting diodes (leds) and a buzzer alarm, anti-theft effect, avoid indoor property losses. when its windy outside, wind speed sensor, the signal is transmitted to mcu, mcu drive dc motor rotation to close the window automatically, prevent wind damage interior items. in addition to the automatic open and close the window function, this system also increased the function of manual open and close the window, make the system more humanized. key words: smart home、the intelligent window、scm、the sensor 华北科技学院毕业设计（论文） 第 1 页 共 61 页 1 绪论 1.1 课题设计背景 当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会文明程度在 一定历史时期的体现。多功能智能窗户系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔， 推广和应用多功能窗户系统具有重要的现实意义。现在使用的窗户大多数是单纯的推 拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边，更不用说智能化了。如果使窗户具有一 定的智能，如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等， 就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。沿着这样的 思路，本文设计了以 at89s51 单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗系统 1.2 多功能智能窗发展前景 多功能智能窗系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能智 能窗系统具有重要的现实意义。该产品可以形成大规模生产，普及全国市场，产生巨 大的经济效益。另外，该多功能智能窗还可以广泛应用于宾馆、饭店、写字楼、会议 厅、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。其一，改变人们 的生活方式。单片机控制的多功能智能窗有丰富的智能化功能，为家庭用户营造了一 个高效、舒适、便利、环保的居住环境。该多功能智能窗能自动识别室内外环境并根 据环境不同驱动电机正反转，开启或者闭合窗户。给人们日常生活带来极大的方便。 这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。其二，牵动一大批产 业。单片机控制的多功能智能窗产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景 也是广阔的，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。其三，开拓 一个崭新的市场。多功能智能窗系统牵动了许多的行业，有利于其它相关行业的发展。 本设计希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有传感器， 能够根据室内外环境自动实现开关窗。因此开发一款基于单片机的多功能智能窗系统 是很有必要的。 1.3 课题内容及章节安排 本论文第一章主要介绍了本课题的设计背景以及多功能智能窗的设计意义。第二 章为本系统的总体方案设计，主要介绍了本系统要实现的内容以及本系统的程序框图。 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 2 页 共 61 页 第三章主要是本系统的硬件设计部分。该部分是本论文的核心部分，该章从各种传感 器的介绍、选型以及各个模块电路的设计来进行阐述。主要的电路设计有放大电路的 设计、a/d 转换电路的设计等。第四章主要本系统的软件设计部分，在此次设计中， 系统的软件部分先是分模块编写完成的。所有模块软件都编写完成之后，再把各个模 块的程序综合到一块，进行总程序的编写。第五章是电路仿真部分。此次设计过程中， 系统的仿真与系统的软件编写是同步进行的。仿真也是分模块进行仿真的，每编写出 一个模块的程序，接着进行仿真。最后根据总程序进行整个系统的仿真。 华北科技学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 61 页 2 总体方案设计 2.1 整体方案设计 该窗体能够对室外温度、雨水、风压等进行检测，并自动控制窗户开闭，具有以 下功能： （1）通风换气功能：当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检 测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动 机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避 免火灾、爆炸事故的发生。 （2）入侵报警功能：如果有人要强行从窗户进入室内，多功能智能窗便会产生声 光报警，避免造成财产及安全损失。 （3）防雨功能：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的 时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机 动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除户主后顾之忧。此 功能特别适合高楼住户。 （4）防风功能：当风速大于 8m/s 时，风速传感器检测风信号，单片机控制板使 窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个 干干净净的环境。窗户会自动关闭。 （5）增加了手动按键，实现开窗、关窗功能，使产品更具有人性化。 2.2 多功能智能窗主体构成 该系统是基于 51 单片机控制多功能智能窗的设计，能根据外界的天气情况和室内 空气情况来控制窗体的开启和关闭。系统的主要模块包括：有毒气体检测模块、红外 防盗模块、湿度检测模块、风速检测模块、声光报警模块以及电机驱动模块。 如果室内发生煤气泄漏，而室内人并没有察觉煤气泄漏，那将对人造成严重的生 命危险，因此，本系统把有毒气体检测模块优先级设为最高。根据室内外环境的不同， 综合考虑，把红外防盗模块、防雨检测模块、防风检测模块优先级依次顺序降低。其 系统框图如图 2-1 所示。 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 4 页 共 61 页 a at t8 89 9s s5 51 1 湿度检测模块 风速检测模块 声光报警模块 直流电机模块 红外防盗模块 lcd1602模块 有毒气体检测模块 图 2-1 多功能智能窗系统框图 华北科技学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 61 页 3 系统硬件设计 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更 强。在单片机家族中，80c51 系列是其中的佼佼者，加之 intel 公司将其 mcs 51 系 列中的 80c51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 ic 制造厂商， 如 philips、 nec、atmel、amd、华邦等，这些公司都在保持与 80c51 单片机兼容的基 础上改善了 80c51 的许多特性。这样，80c51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上 百品种的大家族，现统称为 80c51 系列。80c51 系列单片机已成为单片机发展的主流。 专家认为，虽然世界上的 mcu 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观 发展表明，80c51 系列可能最终形成事实上的标准 mcu 芯片6。 本设计采用美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机 at89s51。其 片内含 4k bytes 的可系统编程的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密 度，非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器， 既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中, atmel 公司的功能强大，低价 at89s51 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。at89s51 管脚图如图 3-1 所示 图 3-1 at89s51 管脚图 主要性能参数： （1）与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 （2）4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 rst 9 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0(a8) 21 p2.1(a9) 22 p2.2(a10) 23 p2.3(a11) 24 p2.4(a12) 25 p2.5(a13) 26 p2.6(a14) 27 p2.7(a15) 28 psen 29 ale(prog) 30 ea(vpp) 31 p0.7(ad7) 32 p0.6(ad6) 33 p0.5(ad5) 34 p0.4(ad4) 35 p0.3(ad3) 36 p0.2(ad2) 37 p0.1(ad1) 38 p0.0(ad0) 39 vcc 40 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5(mosi) 6 p1.6(miso) 7 p1.7(sck) 8 p3.0(rxd) 10 p3.1(txd) 11 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(ro) 17 89s51 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 6 页 共 61 页 （3）1000 次擦写周期 （4）4.0-5.5v 的工作电压范围 （5）全静态工作模式：0hz-33mhz （6）三级程序加密锁 （7）128*8 字节内部 ram32 个可编程 i/o 口线 （8）2 个 16 位定时/计数器 （9）6 个中断源 （10）全双工串行 uart 通道 （11）低功耗空闲和掉电模式 （12）中断可从空闲模式唤醒系统 （13）看门狗（wdt）及双数据指针 （14）掉电标示和快速编程特性 （15）灵活的在系统编程（isp-字节或页写模式） 管脚说明如下： p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时， p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， p0 不具有 内部上拉电阻。在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输 出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输 出电流。此外， p1.0 和 p1.1 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入 （p1.0/t2）和定时器/计数器 2 的触发输入（ p1.1/t2ex），具体如下表所示。在 flash 编程和校验时， p1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 ： p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入），时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5 mosi（在系统编程用） p1.6 miso（在系统编程用） 华北科技学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 61 页 p1.7 sck（在系统编程用） p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能 驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流（ iil）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 （例如执行 movx dptr 时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中， p2 口使用很 强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时， p2 口输出 p2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， p2 口也接收高 8 位地址字 节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 输出缓冲器能驱 动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输 出电流（iil）。 p3 口亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用。在 flash 编 程和校验时， p3 口也接收一些控制信号。 端口引脚第二功能 ： p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断 0) p3.3 int1(外中断 1) p3.4 to(定时/计数器 0) p3.5 t1(定时/计数器 1) 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 ) 此外，p3 口还接收一些用于 flash 闪存编程和程序校验的控制信号。 rst复位输入。当振荡器工作时， rst 引脚出现两个机器周期以上高电平 将是单片机复位。 ale/prog当访问外部程序存储器或数据存储器时， ale（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是： 每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale 脉冲。 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 8 页 共 61 页 对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ prog）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位， 可禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此 外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale 禁止位无效。 psen程序储存允许（ psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89s52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen 有效， 即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen 信号。 ea/vpp外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000h- ffffh），ea 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1 被编程， 复位时内部会锁存 ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端），cpu 则执行内部程序存储器的指令。 flash 存储器编程时，该引脚加上 +12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该 器件是使用 12v 编程电压 vpp。 3.2 时钟电路设计 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。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 为 1/12us，故而一个机器周期为 1us。如下图 3-2 所示为时钟电路图。 y1 12mhz c5 30pf c6 30pf gnd xtal2 xtal1 图 3-2 时钟电路图 3.3 复位电路设计 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 华北科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 61 页 r3 220 c4 30uf s1 r5 4k7 gnd vcc rst 以完成复位操作。复位方法一般有上电复位和外部手动复位两种方式。 上电复位复位时在单片机接通电源时，对单片机的复位。在上电瞬间 rst 端与 vcc 电位相同，随着电容上电压的逐渐上升，rst 端电位逐渐下降。上电复位所需的最短时 间是震荡器震荡建立时间加 2 个机器周期。图 3-3 为外部手动复位电路的电路示意图。 防盗报警系统设计此次采用的是外部手动按键复位电路。当需要外部复位时，按 下复位按钮 s1 即可达到复位目的。 图 3-3 外部手动复位电路图 3.4 防盗报警电路设计 3.4.1 防盗报警设计思路 该模块设计整体思路如下：当有陌生人企图开窗侵入室内偷盗时，该系统能够通 过传感器识别出来，并向单片机发送信号，单片机经过数据处理，驱动声光报警电路。 从而避免造成财产及安全损失。 3.4.2 常见红外传感器介绍 （1）红外探测器： 红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光 子探测器两大类。 热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使 探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 10 页 共 61 页 多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化 时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。 （2）红外测温产品： heitronics 拥有 40 多年非接触红外测温经验，50 多种红外测温仪和非接触红外 测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性 能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的 heitronics 以其在尖端领域应用中良好 的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。 heitronics 系列产品已广泛应用于冶金、玻璃、造纸、纺织、橡胶、木材、制陶、 塑料、涂层、沥青、建筑、电子、 食品、石化、水泥等工业制造、科学研究和实验领 域。 (3)压电传感器 压电传感器(piezoelectric sensor)是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质 的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转 换,达到非电量的电测目的。 压电传感器的应用：可分为单向力,双向力和三向力传感器。压电传感器的物理基 础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或 电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向。由此可见,压电传感器可以直接用 于测力,或测与力相关的压力、位移 、振动加速度等。 (4)磁电传感器 磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器,一 类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。磁敏管的应用:不但具有很高的磁灵敏度,同 时能识别磁场极性；而且体积小 功耗低,因而具有广泛的应用前景。 （5）光电传感器 光电传感器(photoelectric sensor)是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构 简单、性能可靠、精度高、反应快等优点,在现代测量和自动控制系统中,应用非常广泛, 是一种很有发展前途的新型传感器 （6）人体热释电红外传感器 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因 其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 （7）无线红外传感器 华北科技学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 61 页 无线红外传感器又名无线红外探测器，无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军 用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动 温度补偿、微电流省耗、无误报、无漏报、探测距离远、工作稳定、性能可靠、外形 精巧、美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的 效果。 它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警 信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。 它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理 ic。高频发射部分采用最新声表面（s）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具 有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。 3.4.3 re200b 工作原理 在本次设计中，此模块的核心元件是热释电红外传感器。这里选用传感器的 型号为 re200b。下面将对热释电红外传感器的工作原理以及 re200b 做详细介绍。 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。 本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。其工作原理为：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 npn 的转化，输出 out 为低电平。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。其工作电路原理及设计电路如图 3-4 所 示, 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 12 页 共 61 页 图 3-4 热释电红外传感器原理图 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，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。 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。 rs y2 y1 r1 r2 c2 c1 r3 r4 q2 npn q1 fet vccvcc 3v12v out 华北科技学院毕业设计（论文） 第 13 页 共 61 页 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，经信号处理而输出电压信号。 目前常用的热释电红外传感器型号主要有 p228、lhi958、lhi954、re200b、kds209、pis209、lhi878、pd632 等。热释电红外传 感器通常采用 3 引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管 d 极，drain)、 信号输出端（内部开关管 s 极，source）、接地端（ground)。本设计传感器采用双元 热释电红外传感器 re200b，该传感器翻用热释电材料极化随温度变化的特殊探测红外 辐射，并采用双灵敏元互补方法抑制干扰，以提高传感器的工作温度。传感器 re200b 内部电路图如下： d 脚接工作电压，其工作电压低且范 围宽（2.2-15v）；s 脚为输出源极 电压；gnd 脚为接地。如图 3-5 所示， 为热释电红外传感器re200b 的内部 电路框图。 图 3-5 热释电红外传感器 re200b 的内部电路框图 热释电红外传感器 re200b 的主要工作参数： 工作电压：常用工作电压范围为 315v； 基于单片机的多功能智能窗的设计 第 14 页 共 61 页 工作波长：通常为 7.514um； 源极电压：通常为 0.41.1v，r 约为 47k； 输出信号电压：通常大于 2.0v； 检测距离：检测距离约为 610m； 工作温度范围：-1040。 3.4.4 放大电路设计 如下图 3-6 所示，为放大电路设计图。在电路中，当热释电红外传感器接收到人 体信号时，输出一个微弱的低频电信号，其大小仅 1mv，频率约为 0.3hz 到 3hz，需要 通过三极管放大至 70db75db。晶体管 s9014 是 npn 三极管，其 ic 静态工作电流达 100ma，放大倍数最大可达 1000 倍。r2 可以给 s9014 提供静态基极电压。放大后的信 号由 c3 耦合至反相器 74ls04 输入端。 图 3-6 放大电路图 74ls04 反相器输出的是 ttl 电平，若探测器检测到有信号输入，输出低电平，即 逻辑信号 0，经过 51 单片机处理，将产生报警。若无信号输入，则持续输出高电平， 即逻辑信号 1，经过 51 单片机处理，将不产生报警。 3.4.5 声光报警电路设计 声光报警电路包括两部分组成：声音报警电路和光报警电路。具体电路图分别如 图 3-7 和图 3-8 所示： d 1 s 2 g 3 vcc gnd c2 47uf c1 47uf 10k r1 10k r2 c3 47uf 12 74ls04 s9014 npn gnd ll r6 4k7 q2 npn gnd gnd k1 ls1 speaker vcc gnd kk d2 传 r7 220 vcc mm 华北科技学院毕业设计（论文） 第 15 页 共 61 页 图 3-7 声音报警电路 图 3-8 光报警电路 用一个 speaker、继电器、三极管和电阻接到单片机的 txd 引脚上，外接 vcc， 构成声音报警电路，当与单片机连接的引脚被置高电平后，蜂鸣器会发声报警。由一 个发光二极管接上电阻后连上单片的的引脚，外接 vcc，就构成了光报警电路。当与 单片机连接的引脚被置低电平后，发光二极管 d2 被点亮，起到光报警作用。 防盗报警电路模块的整个电路图如图 3-9 所示： 图 3-9 防盗报警电路图 其中 d1 是正常工作指示灯，d2 是起报警指示作用，当 mm 脚被置低电平时，d2 亮表示红灯开始报警，同样，kk 脚置高电平时声音报警电路开始工作。电路中按键 s2 键作为中止/暂停键, 按下 s2 按键时，模拟的是当声光报警电路开始工作时，室内 主人通过声光报警电路得知有人入侵偷盗，得知此情况后，主人就可以关闭声光报警 了。当然，在实际设计中 s2 按键安装的位置必须隐蔽一些，最好安装在一个只有房主 知道而其他人不知道的的隐蔽部位。如若不然，当有人入室盗窃时，声光报警电路刚 工作，而盗贼势必会关闭报警电路，