毕业设计（论文）-基于单片机的人体红外报警器设计.doc

目录摘要.1第一章 绪论. .2 1.1前言 .2 1.2设计任务与要求.2第二章 热释电红外传感器的概述3 2.1 热释电红外传感器的简介.3 2.2 热释电红外传感器的原理特性.3 2.3 热释电红外传感器的结构特征及安装 4 2.4 被动红外传感器的优缺点 5 2.5 安装方向 .6第三章 at89c51单片机的概述7 3.1 at89c51 单片机的结构.7 3.11 管脚说明.11 3.12 主要特征 .12 3.13 振荡器特性.13 3.2 at89c51 单片机的中作周期.13 3.3 at89c51 单片机的工作过程和工作方式.14 3.4 编程和校验方式.16 3.5 at89c51 的指令系统.17第四章 方案设计.18 4.1 方案概述.18 4.2 总体设计.20 4.3 具体电路模块设计.20 4.4 系统硬件选择.24 4.5 软件的程序实现.24第五章 结论概述.26 5.1 主要结论.26 5.2 结束语.27致谢.28参考文献.28附录.29 附录一 元件清单29 附录二 电路原理图30 附录三 pcb布线图30 附录四 程序清单. 31摘要： 概述了红外辐射的知识，热释电红外传感器的结构和工作原理以及优缺点，利用热释电红外传感器设计一种被动式红外报警电路，分析电路功能原理。本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单，成本低，安装方便，稳定性高，抗干扰能力强，灵敏度高。同时它的信号通过单片机系统处理后于pc机通信，便于多用户管理，本设计包括硬件和软件两大部分，硬件电路包括：单片机控制电路，红外探头电路，驱动电路，led控制等。处理器采用51系列单片机，整个系统在系统软件控制下工作，其中软件系统包括：数据采集，键盘控制，报警和显示等。该报警器能探测人体发出的红外线，由红外传感器，信号放大电路，电压比较器，延时电路和报警指示电路组成。当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。关键词：单片机，红外传感器，数据采集，报警电路。abstract: this system uses a pyroelectric infrared sensor, it has the advantages of simple manufacture, low cost, convenient installation, high stability, strong anti-interference ability, high sensitivity. at the same time it signals through the scm system after treatment in pc communication, is convenient for management, the design includes two parts: hardware and software, the hardware circuit includes: a single-chip microcomputer control circuit, an infrared probe circuit, drive circuit, led control etc. processor with 51 series single chip microcomputer, the system when the system operates under software control, in which software systems including: data acquisition, keyboard control, alarm and display.the alarm can detect infrared radiation generated by a human body, an infrared sensor, a signal amplification circuit, voltage comparator, a delay circuit and an alarm indication circuit. when people enter the monitoring area, which can send out alarm signals. pyroelectric sensor has many advantages, in the anti-theft warning device, more extensive use.key words: scm, infrared sensor, data acquisition, alarm circuit.第一章 绪论1.1前言：随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，人们生活水平得到很大提高，对私有财产的保护意思不断增强，因而对防盗措施作出要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗需要设计的系统。目前市场主要有压力触发式报警器，开关电子防盗报警器等。这些常见的报警器都存在一些缺点，与市场上那些报警器相比，其具有以下优点：制作简单，成本低，安装方便，稳定性高，抗干扰能力强，灵敏度高，控制范围大，为目标实施多点监控，本设计中使用红外线式不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因而得到广泛使用。这种热释电传感器能以非接触式探测人体辐射的红外线，并将其转为电压信号，同时热释电红外传感器用于防盗报警装置，也可以由于制动控制。1.2设计任务与要求 本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器，智能报警器，单片机控制电路，led控制电路及相关控制软件组成。用户终端完成信息采集，处理，数据传送，功能设定，本地显示，报警灯功能。终端由中央处理器，输入模块，输出模块，通信模块，功能模块等组成。系统可实现性。为了探测人体，通常使用双元件型热释电红外传感器，当单体静止，两元件极化程度相同，相互抵消。当人闯入时，热释电传感器探测到动作，将光引号变成电信号，经过放大电路，比较电路送至门限开关，打开门限阀送出ttl电平至at89c51单片机，经单片机驱动执行报警。红外线具有隐蔽性。此装置设计的要点是能有效判断是否有人员活动，再则是竟可能的增大规模。当然系统的稳定和可靠性也是最求的重要指标。另外 ： 1. 熟悉电路的工作原理。2. 掌握该电路中元器件的识别方法。 4. 熟悉电路简单的故障分析方法。5. 论文符合其格式、字数的基本要求，内容要求充实、作图严谨规范等。6. 详细说明设计方案。 第二章 热释电红外传感器的概述2.1 热释电红外传感器的简介 热释电红外传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏探测元件，它能以非接触形式探测人体辐射的红外线能量变化，并将其转化为电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如电源开关控制，防盗报警，自动检测等。 热释电红外传感器应用电路：为了探测移动人体，通常使用双元件热释电红外传感器，这种传感器内部，两个敏感元件反向链接，当人体静止时两元件极化程度相同，相互抵消。但是人体移动时，元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。 2.2 热释电红外传感器的原理特性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。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过高而产生的干扰。由探测元件将探测并接受到的红辐射转换成微弱的电压信号，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距离，一般在探测器前方装置一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜上下两部分分成若干等分，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以探测10-20m范围内的人的行动。菲涅尔透镜利用特殊光学原理 在探测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，人体发出红外线就不断地交替从盲区进入敏感区，这样使接收到的红外信号 以忽强忽弱的脉冲输入，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 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。 2.3 热释电红外传感器 结 构 特 性 及 安 装图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0.2-20m 。 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，电路中的传感器输出电压信号，然后该信号通过一个由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将输出电压信号，然后使该出的探测信号电压十分微弱（通常仅有mv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。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 热释电红外传感器 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。 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 件的电特征属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。2.4被动红外传感器优缺点 优点主要为：1.本身不发射任何类型辐射，安全可靠；2、价格低廉。缺点主要为：1.容易受各种热源、阳光源干扰；2.受环境温度限制，环境温度和人体温度接 近时，灵敏度下降； 针对被动红外探测器存在的缺点，可以采用不同的措施来避免产品误报和漏报现象。一方面是 采用新技术来加强抗干扰能力；另一方面是在安装方面加以注意。抗干扰能力试验 a、将探测器对着一个无干扰源的空间，最好在楼上窗口边（只要阳光不会直接照射到探测 器，探测范围内无飘动的物体，无人经过的空间即可） 。接上能记忆报警指示电路或声响电 路，进行 24 小时以上试验，不应出现报警。若出现报警说明该探测器抗红外光谱变化、气 流变化等干扰能力差。 b、将一盏台灯 60w 直接对着探测器距离 60 公分，频繁开/关台灯，探测器不应出现报警 指示。若出现说明该探测器抗强光干扰能力差。 c、将同一台风扇置“强风”档、“摇头”档距探测器 1.5 米距离，来回摇头吹风，探测器不应 出现报警指示，若出现说明抗气流干扰能力差。 d、将接通电话的手机靠近探测器距离 50 公分应不出现报警指示。50 公分外出现报警指示 说明抗电波干扰能力差。 e、模拟一只猫大小的黑色物体，在探测范围内快速或慢速移动应不出现报警指示。出现报 警指示说明防宠物能力差。 f、温度补偿测试：在夏天当环境温度升高至 3032进行探测距离测试，若探测距离缩 短大于 1/3，说明其温度补偿不佳。此关许多进口产品均难通过。避免误报警 1、探测范围内不要放置会发热的物体，如：暖气、热水器、电视机、电脑、冰箱等电器， 除非这些电器都关了。暖气、热水器、电脑、冰箱在自动程序控制状态会时开时关，会引 起误报警。 2、 探测范围内避免强光照射干扰， 如：阳光照射、汽车灯光照射、 射灯照射及照明等光源。 这些光源含有丰富的红外光谱会引起误报警。 3、探测范围内避开被风吹而引起飘动的物体，如：窗帘、衣物、花草等。布防前，关上窗 户和门避免空气对流引起物体瓢动而造成误报警。因为飘动的物体切割了红外线致使探测 器误判断。2.5安装方向产品在安装过程中还需要注意安装方向，由于透镜的光学特性决定横切探测区域比 较敏感，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 90o 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。 第三章 at89c51 单 片 机 概 述3.1 at89c51 单片机的结构 at89c51是一个低功耗， 位单片机， isp(inat89c51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes isp(inprogrammable) rogrammable)的可反复擦写 只读程序存储器， system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，器件采用 公司的高密度、非易失性存储技术制造， 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 80c 引脚结构， 存储单元， 51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单元，功能强 大的微型计算机的 at89c51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方 案。 具有如下特点： 个引脚， 片内程序存储器， at89c51 具有如下特点：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 b 的随机存取数据存储器（ram） ，32 ytes 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 ， 个外部双向输入/输出（i/o） 层中断嵌套中断， 个 16 位可编程定时计数器,2 个 全双工串行通信口， 2 断优先级 2 层中断嵌套中 看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。 此外， 并可通过软件设置省电模式。 at89c51 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， 暂停工作， 定时计数器，串行口， 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 的数据， 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。 pdip、 种封装形式， 硬件复位。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。有图可见， 在这一块芯片上， 图 3-1 为 at89c51 单片机的基本组成功能方块图。 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。 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，具有运算和控制 功能。at89c51 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.数据存储器（内部 ram） 芯片中共有 256b 的 ram 单元，但其中后 128 个单元（80h-0ffh）被专用寄存器 占用，能作为寄存器提供用户使用的只是前 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. 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at89c51 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。6. 串行口 at89c51 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 at89c51 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/into 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 at89c51 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，at89c51 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。at89c51 较详细的内部结构如 图 3-2 所示。3.11管脚说明 at89c51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插形式，如3-3所示。at89c51单片机是高性能单片机，因为受管脚限制，所以有的管脚有第二功能。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 8个ttl 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 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，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。 flash 编程期间， 在 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。3.1.2 主要特性： 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环数据保留时间：10 年 全静态工作：0hz-24hz三级程序存储器锁定128*8 位内部 ram32 可编程 i/o 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.1.3 振荡器特性 （1）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。 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。 （2） 芯片擦除 整个 eprom 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。在芯片擦除操作中，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。3.2 at89c51 单片机的工作周期 单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工 作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲。这 种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图 3-6 所示。 图 这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期。图 3-6 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期 1.振荡周期： 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。2.状态周期：每个状态周期为振荡周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为 p1、p2。 机器周期： 一个机器周期包含 6 个状态周期 s1s6, 也就是 12 个振荡周期。 在一个机器周期内, cpu 可以完成一个独立的操作。 3.指令周期：它是指 cpu 完成一条操作所需的全部时间。控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（主振周期即为振荡周期） ， 控制器控制 cpu 的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬 件环节组织在一起。 一般情况下，算术逻辑操作发生在时相 p1 期间，而内部寄存器之间的传送发 生在时相 p2 期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用 xtal2 引脚振荡信号 作参考。3.3 at89c51 单片机的工作过程和工作方式 单片机工作过程遵循现代计算机的工作原理（冯诺依曼原理） ，即程序存储和 程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行 中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计 算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。 单片机的工作方式有：复位、程序执行、掉电保护和低功耗、编程、校验与加 密等方式。1.复位方式 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。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图 3-7 所示。 复位不影响片内 图 ram 存放的内容, 而 ale 在复位期间将输出高电平。 图 3-7 可以看出， 由图 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； 说明复位后这些并行接口可以直接作输入 (4) p0 口p3 口锁存器为全 1 状态， 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。 能部件工作状态的影响。 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。前两种见 图 3-8 所示。 “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。图 3-8 （a）上电复位电路;（b）上电/外部复位电路2.程序执行方式 程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后 pc=0000h，因此程序执 行总是从地址 0000h 开始，为此就得在 0000h 处开始的存储单元安放一条无条件 转移指令，以便跳转到实际程序的入口去执行。 3待机方式 待机方式也称空闲方式，是一种节电工作方式。在待机工作方式中，振荡器保 持工作，时钟脉冲继续输出到中断、串行口、定时器等功能部件，使它们继续工作， 但时钟脉冲不再送到 cpu，因而 cpu 停止工作。 4掉电方式。 掉电方式，也被称为停机方式。在掉电方式中，振荡器工作停止，单片机内部 所有功能部件停止工作。它同样是一种为降低功耗而设计的节电工作方式。 待机方式和掉电方式都是为了进一步降低功耗而设计的节电工作方式，它们特 别适合于电源功耗要求很低的应用场合。这类系统往往是直流供电或停电时依靠备 用电源供电，以维持系统的持续工作。chmos 型单片机的节电方式是由特殊功能 寄存器 pcon 控制，其具体使用可参考相关书籍和手册。空闲和掉电模式外部引脚 状态 如下图 3-9 所示： 图 3-9 空闲和掉电模式外部引脚状态3.4编程和校验方式 对于内部集成有 eprom 可以进入编程或校验方式。（1） 内部 eprom 编程 编程时，时钟频率应定在 3-6mhz 的围内，其余各有关引脚的接法和用法如下： p1口和p2口的p2.0p2.3为eprom的4k地址输入，p1为8位地址； p2.4p2.6以及psen应为低电平；p0 口为编程数据输入；p2.7 和 rst 应为高电平；rst 的高电平可为 2.5v，其余的都以 ttl 的高低 电平为准； ea/vpp 端加+21v 的编程脉冲，此电压要求稳定，不能大于 21.5v，否则会损 坏 eprom 在出现正脉冲期间，ale/prog 端加上 50ms 的负脉，完成一次写入。（2）eprom 程序校验。在程序的保险位未设置前，无论在写入的当时或写入以后，均可将片上程序存 贮器的内容读出进行检验，在读出时，除 p2.7 脚保持为 ttl 低电平之外 ，其他引 脚与写入 eprom 的连接方式相同。要读出的程序存贮器单元地址由 p1 口和 p2 口 的 p2.0p2.3 送入，p2 口的其他引脚及 psen 保持低电平，ale、ea 和 rst 接高 电平，检验的单元内容由 p0 口送出。在检验操作时，需在 p0 的各位外部加上电阻 10k 。（3）程序存贮器的保险位 at89c51 内部有一个保险位，亦称保密位，一旦将该位写入便建立了保险，就 可禁止任何外部方法对片内程序存贮器进行读写。将保险位写入以建立保险位的过 程与正常写入的过程相似，仅只 p2.6 脚要加 ttl 高电平而不是像正常写入时加低 电平，而 p0、p1 和 p2 的 p2.0p2.3 的状态随意，加上编程脉冲后就可使保险位写 入。 保险位一旦写入，内部程序存贮器便不能再被写入和读出校验，而且也不能执 行外部存贮器的程序。只有将 eprom 全部擦除时，保险位才能被一起擦除，也才 可以再次写入。 通过以上对单片机硬件系统的简单介绍，应该已经掌握了单片机的内部结构及 工作的原理和过程，但是单片机要实现它的强大控制功能特性，只有硬件是不能工 作的，还必须依靠它的指令才能发挥单片机的强大作用。下面介绍单片机的指令系 统。 3.5 at89c51 的指令系统1.机器指令的编码格式 指令是规定计算机进行某种操作的命令，一条指令只能完成有限的的功能，为 使计算机完成一定的或复杂的功能就需要一系列指令。计算机能够执行的各种指令 的集合称为指令系统。单片机的主要功能也是有指令系统体现的。 机器指令通常由两部分组成，即操作码和操作数（或操作数地址） 。操作码用 于规定指令的操作功能，如加、减、乘、除等。操作数是指参与操作的数据，它可 能是一个具体的数据，也可能是地址或符号。 2.汇编语言指令格式 汇编指令由操作码或伪操作码、目的操作数和源操作数构成，标准书写格式如 下： 标号： 操作码/伪操作码 操作数 ；注释（1） 表示该项为可选项。 （2）标号：又称指令地址符号。它是用户设定的符号，代表着该指令所在的地址。（3）操作码/伪操作码：是英文缩写的指令助记符。它规定了指令的操作功能，它 所对应的汇编语句称为指令性语句，在汇编后有具体的目标代码。而伪操作码说明 汇编程序如何完成汇编工作， 任何一条指令都必须有操作码或伪操作码， 不得省略。 （4）操作数 ：是指参加操作的数据或数据所在的地址。在指令系统中，操作数可以是 1 个、2 个或 3 个，也可以没有。不同功能的指令，操作数作用不同。 例如：传送指令多数有两个操作数，写在左边的称为目的操作数（表示操作结 果存 放的单元地址） ，写在右边的称为元操作数（支出操作数的来源） 。例如，一条传送 指令的书写格式为：mov 中。 操作码/伪操作码和操作数之间必须用空格分开，操作数与操作数之间必须用 逗号分开。 （5）注释 ：是为该条指令作的说明，以便于阅读。 3. 寻址方式 寻址方式包括立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、相对寻址、位寻址等共 7 种寻址方式，且每一种寻址方式所涉及的存储器空间各有 不同。指令中的源操作数可以使用七种寻址方式中的任何一种，但是目的操作数只 能使用寄存器寻址、寄存器间接寻址、直接寻址和位寻址四种方式。4.指令系统在单片机指令系统中，根据功能不同将指令分为数据传送类指令、 在单片机指令系统中，根据功能不同将指令分为数据传送类指令、算数运算 类指令、逻辑运算及移位类指令、控制转移类指令和位操作类指令等五大类，共计 111 条指令。 a ，#10 h ；表示将#10 h 存储单元的内容送到累加器 a 第四章 方案设计4.1 系统概述 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机通信，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传感器,在这种传感器内部,两 个敏感元件反相连接,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。电路结构做成可划分为：热释电红外传感器、家庭智能报警 器、单片机控制电路、led 控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信 息采集、处理、数据传送、功能设定、本地显示、本地报警等功能。 就此设计的核心模块来说，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、在线调试等几个 阶段，就本设计来说也包括这些过程。它们的进程框图如图 4-1 所示。 4.2 总体设计 从设计的要求来分析该设计包含如下结构： 热释电红外传探头电路、报警电路、 单片机、复位电路、led 显示控制电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构 成框图如图 4-2 总体设计框图所示： 处理器采用 51 系列单片机 at89c51。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转换成电信号，经过放大电路、比 较电路送至门限开关，打开门限阀门送出 ttl 电平至 at89c51 单片机。 在单片机内，经过软件查询、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。当报警延迟 10s 一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，然后通过led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。4.3具体电路模块设计1. 热释电红外传感器原理 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。图4所示是该报警器的工作电路原理图。人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10um 左右的红外线，被动式红外探 头就是靠探测人体发射的 10um 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10um 左右的红外线通过菲 泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体 红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警 信号。本设计采用双探测结构，原理如图。在vcc电源端利用c1，c2来稳定工作电压，同时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fet放大，稳压后使输出变成高电平，经npn转化，输出out为低电平。2.放大电路的设计 如图为基本放大电路，vi是输入电压信号，vo是输出放大电压信号。放大电路的概述 放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号 来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变 化量，放大的前提是传输不失真。放大电路的基本形式有 3 种：共发射极放大 电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在构成多级放大器时，这几种 电路常常需要相互组合使用。放大电路的分析 反馈指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功 能的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使 系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的 作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用。本电路采用的是 由 r2 构成了电压并联负反馈电路，此电路还是共发射极放大电路。 共发射极放大电路具有以下特点：1.输入信号与输出信号反相； 2.无电压放大作用； 有电流放大作用； 3.功率增益最高（与共集电极、共基极比较） ；4.适用于电压放大与功率放大电路。3.时钟电路设计xtal1和xtal2分别为反相放大输入和输出。该反相放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动，xtal2应不接。一个机器周期含有6个周期状态，而每个状态为2个振荡周期，所以1个机器周期要12个震荡周期，如果振荡器频率12mhz，一个震荡周期为1/12us，所以一个机器周期1us，电路如图4.复位电路设计复位方法一般有自动和手动，单片机时钟电路工作以后，在reset端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位。5. 发光二级管报警电路设计 由4个发光二极管街上电阻后脸上单片机的rxd的引脚，外接vcc，当单片机rxd置于低电平，发光二级管亮，开始报警，如下图所示，二极管报警电路。6. 声音报警电路 如图所示用喇叭和三极管构成的声音报警电路。 对于n