本科毕业论文-多路红外线防盗监测系统设计.doc

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题 目 多路红外线防盗监测系统设计 姓 名 专 业 电气工程及其自动化 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院郑州科技学院电气工程学院 二二一五年六月一五年六月 目目 录录 摘 要.I AbstractII 1 引言 1 1.1 目的和意义 .1 1.2 课题背景 .1 2 系统方案的总体设计 4 2.1 主控模块的选型和论证 .4 2.2 显示模块的选型和论证 .5 2.3 传感器模块的选型和论证 .5 3 红外防盗报警系统 6 3.1 防盗报警器的分类 .6 3.2 防盗报警器的发展前景与趋势 .7 3.3 红外线辐射原理及选择 .8 4 系统硬件电路设计 10 4.1 主控模块 .10 4.1.1 STC89C52RC 单片机主要特性.11 4.1.2 单片机最小系统设计 12 4.2 光敏二极管电路 .13 4.3 报警电路 .13 4.4 LCD 液晶显示模块 .14 4.4.1 LCD1602 液晶管脚功能 15 4.4.2 LCD1602 的操作控制 16 4.5 HC-SR501 红外热释电传感器17 4.5.1 HC-SR501 传感器模块.17 4.5.2 HC-SR501 传感器功能特点.19 4.5.3 红外热释电传感器接口电路设计 .20 5 系统软件设计 21 5.1 程序设计原理 .21 5.2 系统总软件设计 .21 5.3 检测模块设计 .22 5.4 显示模块设计 .23 6 系统调试 25 结 论 27 致 谢 28 参考文献 29 附录 I 系统整体仿真图30 附录 II 实物图.31 附录 III 元件清单 .32 附录 IV 系统源程序.33 多路红外线防盗监测系统设计 多路红外线防盗监测系统设计多路红外线防盗监测系统设计 摘 要 随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，人们生活水平也得到了很大 的提高，从而对自己私有财产的保护手段在不断的加强，对防盗设施智能化有 了新的要求。本文设计的红外电子防盗系统实现了现代住宅对防盗的要求。设 计中使用了单片机做为信号处理器，不但能用于单一住宅区，同时也能用在较 大规模住宅区内的防盗系统。它可以满足很多要求，一般不会出现误报警的现 象，非常安全可靠。 本文是基于 STC89C52RC 单片机设计的红外无线防盗报警系统，自动监 测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号。一旦发生突发事件，就 能通过声光报警信号，在安保控制中心发出报警信号，从而迅速采取应急措施。 本文详细地描述了利用单片机控制的软件流程、程序设计及调试，并做出实物， 验证系统的准确性以及故障原因分析。 关键词：红外探测；单片机；声光报警 多路红外线防盗监测系统设计 I MULTICHANNEL INFRARED ANTI-THEFT SYSTEM DESIGN Abstract Along with societys progress and the continuous development of science and technology, peoples living standard has been greatly improved, and constantly strengthened the protection of private property, and had a new request of intelligent anti-theft facilities. In this paper, the design of infrared electronic anti-theft system achieves the demand of modern residence to guard against theft. This paper uses the single chip as a signal processor, which not only can be used for a single residential areas but also be used in the large-scale residential zone of guard against theft system. It can satisfy many requirements, general wont appear the phenomenon of false alarm, and is very safe and reliable. This article is based on STC89C52RC single-chip design of infrared wireless burglar alarm system, automatic monitoring in the areas protection monitoring intrusion behavior, an alarm signal. In case of emergency, you can through the sound and light alarm signal, in the center of the security control signal alarm, it quickly to take emergency measures. This paper describes in detail single-chip microcomputer control software flow, programming and debugging, and physical objects, the accuracy of the authentication system and the cause of the problem analysis. Key words: infrared detection; microcontroller audible; visual alarm 多路红外线防盗监测系统设计 0 1 引言 1.1 目的和意义 随着当今国民经济的发展，社会安全的需要，人们生活水平也得到了很大 的提高，从而对自己私有财产的保护手段在不断的加强，对防盗设施智能化有 了新的要求。电子红外报警这门重要综合技术正在不断地发展。此外，红外技 术已经成为现在先进科学技术中不可缺少的组成部分。因为红外线是不可见光， 所以用它进行红外探测监控，具有非常好的隐蔽性，白天和黑夜都能使用，而 且红外抗干扰能力强。 在我国，报警系统目前市场上主要有压力触发防盗警报系统、开关电子防 盗报警器和压力遮光触发防盗警报系统和报警器，但这几种常见报警器在成本 及灵敏度方面都不及热释电红外传感器。该系统采用热释电红外传感器，在人 体探测器，被动式热释电红外探测器领域中，由于其低成本、简单、安装方便、 防盗性能更稳定、高灵敏度等特点，受到大部分家庭用户的欢迎。而且此报警 器安装非常隐蔽，不容易被小偷发现1。 1.2 课题背景 随着现代经济的发展，人们对防盗、防劫等保安设备需求量大大的增加。 针对偷盗、火灾、煤气泄漏等事故进行检测和报警的系统，其需求也是越来越 高。本设计运用了单片机技术，设计了一款新颖的红外线防盗报警器。而在本 设计中，输入部分主要是红外线传感器。不同类型探测器用不同的手段探测， 不同作用的传感器，也可以检测出不同类型的情况。 单片机技术现在已越来越广泛的应用在智能仪表、工业控制、日常生活等 很多的领域，可以说单片机的应用已经渗透到人类生活、工作的每一个角落， 这说明了它和我们每个人的工作、生活都密切相关，同时也说明我们每个人都 有可能，有机会利用单片机，去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境。 红外技术现在已经成为先进科学技术重要的组成部分，它在各领域都得到 了广泛应用。因为它是不可见光，所以用它做防盗报警监控器，具有很良好的 隐蔽性，白天黑夜都可使用，而且抗干扰的能力强。这样的监控报警装置广泛 多路红外线防盗监测系统设计 1 的应用于博物馆、单位要害部门和家庭防护2。 一般情况下红外线发射电路是采用脉冲调式的。红外线接收电路首先是将 接收到的红外光转变为电信号，并且进行放大和解调，从而用在无线发射电路 的调制信号。当没有人遮挡红外光时，锁相环输出的是低电平，报警处于监控 状态。一旦有人闯入便遮挡了红外光，这时锁相环失锁，输出的是高电平，驱 动继电器就接通无线发射电路，监控室便可接收到无线报警的信号，并可以区 分报警地点。 如果每个家庭都安装防盗报警装置，当没有人在家里，就可以设置家庭安 全报警系统的保护状态，当小偷闯入时，报警系统自动报警和并向安全中心发 出报警。 有的时候防盗报警系统还连有上位机。将探测器发回的现场信号，按防区 的类型与主机的工作状态作出逻辑判断，进而发出报警。一个防盗系统的功能 主要是体现在报警主机的功能上。 科学技术发展到今天，人们生活中涌现出了各种各样的科技产品，各种各 样的电子产品同样也是花样百出，遍及生活中的每一部分。如今人们更是感觉 到了科技给社会带来的巨大发展，现在科学技术作为第一生产力，在人类的社 会发展中也起到了巨大的推动作用。人类从原始向先进发展的同时都伴随着科 学技术的发展，从原始的手工到现在智能控制，这些都是科学技术发展的结果。 先进的科技可以减少人体的劳动量、能更合理地利用时间完成任务，也就是说 科技的微小发展都能给人类带来很大的好处。现代生活中的人们越来越感觉到 了科技的飞速发展，在人们的生活、交际、学习、工作中都渗透着科技，都可 以明显感受的到它发展地威力。安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合 性技术。它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观 性和时间上的连续性。随着国民经济的发展，社会安全的需要,红外报警监测这 门综合技术也在不断地发展3。 有一个稳定、和谐的家庭氛围和社会氛围是人们的基本要求,在无人值守的 家庭、银行、金融业和其他一些重要的部门的要求实现红外自动监测报警已成 为一个必要的和重要的事情，它能使家庭的财产、银行和其他重要部门等减少 不必要的损失。这需要人们开发一系列的自动报警系统。,如红外监控和自动报 警系统，报警为人们解决了很多问题。但是市场上的报警器大部分都是用于一 多路红外线防盗监测系统设计 2 些大公司财政机构。正是因为红外线是不见光的，有非常强的隐蔽性和保密性 能，所以用红外线作防盗监控报警器，具有非常好的隐蔽性，白天和黑夜都可 以使用，同时它的抗干扰能力强。防盗报警系统是用物理方法或电子技术,自动 检测发生在保护监控区域内入侵行为的报警信号，同时提醒值班人员相应的报 警区域,显示系统可能需要采取的对策。红外防盗报警系统是预防抢劫,盗窃,和 许多其他意想不到的事件的重要设施。在紧急情况下，可以通过声、光报警信 号准确地确定出事现场，在安全控制中心就可以迅速采取应急措施4。 多路红外线防盗监测系统设计 3 2 系统方案的总体设计 本系统是一种基于热释电传感器原理的防盗报警器，具有无线报警功能， 报警器选用 51 系列单片机。从机做报警器的传感部分，安装在需要监控的地 方。主机作为从机的信号接收部分，安装在监控室。要求熟悉系统设计要求， 给出系统设计方案，完成各单元电路和系统软件的相关的设计任务。 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、 红外无线发射装置、红外无线接收装置、报警电路、单片机、复位电路及相关 的控制管理软件组成，它们之间的构成框图如图所示： 图 2.1 总体结构框图 2.1 主控模块的选型和论证 方案一： 采用 MSP430 系列单片机，该系列的单片机是 TI 公司于 1996 年开始推向 市场的一种 16 位的超低功耗的混合信号处理器。它内部集成了很多的模拟电 路、数字电路和微处理器，提供了很强大的功能。但是因为该芯片昂贵不适合 一般的设计开发。 方案二： 采用 51 系列的单片机，该单片机是一个高可靠性，价格低，高性能的 8 位单片机，32 个 I/O 口，且 STC 系列的单片机能在线编程、调试，很方便地 实现程序下载与整机的调试。 因此选用方案二中的 51 系列单片机作为主控芯片。 热释电红外 传感器 无线信号发 射模块 无线信号接 收模块 STC89C52 RC 驱动 LCD 发光显 示电路 驱动 蜂鸣器报 警电路 复位电路 多路红外线防盗监测系统设计 4 2.2 显示模块的选型和论证 方案一： 使用点阵数码管显示，点阵数码管是由八行，八列的发光二极管(led)组成， 如果是用于显示文本是合适的，如果是用于显示数字就太浪费，价格相对较高， 所以不要使用这种显示。 方案二： 采用 LED 数码管动态扫描，LED 数码管的价格虽然适中，同时显示数字 也合适，在采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线比较少。但是 因为数码管动态扫描需要借助 74LS164 移位寄存器进行移位，该芯片在电路调 试时往往有很多的障碍，所以不采用此种数码管作为显示。 方案三： 采用 LCD 液晶显示屏，液晶显示屏的功能强大，可显示大量文字，图形， 显示多样，清晰可见，对于本设计而言一个 LCD1602 的液晶屏即可，价格也 还能接受，需要的接口线较多，会给调试带来诸多方便。 所以本设计选用方案三中的 LCD1602 液显示屏作为显示模块。 2.3 传感器模块的选型和论证 方案一： 采用远距离的测量传感器，多用于野外环境和飞机高度检测，有的部分也 可用于矿井深度、物料高度的测量；野外主要应用在检测山体情况和峡谷深度 等；这样类型的传感器价格较贵，容易受各种热源、光源干扰，而且如果是在 环境温度和人体温度接近的时侯，探测和灵敏度就会明显的下降，有时侯会造 成短时的失灵。所以这种类型传感器不适合一般的设计开发。 方案二： 采用 HC-SR501 模块，该模块具有热释电效应，而且根据菲涅耳原理制成， 它的作用是聚焦，集中红外信号折射在 PIR 上，检测区域分为许多明亮和黑暗 的区域，从而可以使进入区域的物体温度变化状态反映在 PIR 上，进而使 PIR 可以产生变化的热释电红外信号。这样就使人体热释电红外传感器(PIR)的灵敏 度大大提高。所以本设计选用方案二中的 HC-SR501 模块做为传感器模块。 多路红外线防盗监测系统设计 5 3 红外防盗报警系统 目前，大多数的防盗报警系统在国内市场是外国品牌，如：美国，日本， 以色列，等等，近年来进入中国市场，加拿大的枫叶，美国通用电气，等等， 这些厂商在资金和技术，有很强的优势，对国内制造商的发展竞争的产生巨大 压力，国内防盗报警产品制造商开发时间较短，有一个非常好的发展是 2000 年以后，尤其是 2004 年国内制造商的快速增长，投资规模和企业规模在快速 发展和扩张。但与国外厂商相比有很大区别5。 如今，很多工程承包商安装防盗报警产品时倾向于外国品牌，其中，外国 产品的安装主要是来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占近 70%的中国 市场的市场份额。这主要因为产品供应市场，绝大多数的外国品牌来自美国和 日本和韩国，且防盗报警产品开发在这些国家已经非常成熟产品功能稳定、性 能完善，再加上进入我国的时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额5。 现在国内使用的各种安全，安全报警系统主要是超声波、主动式红外发射 和接收和微波技术。这包括被动报警传感元件，采用热释电传感器。热释电红 外传感器能以非接触形式检测人体辐射的红外线，将其转化为电压信号，同时， 它也可以识别其他生物和非生物的运动利用单片机控制技术和无线网络技术， 开发一种具有联网功能的智能红外无线防盗系统，并且开发相关的传感器。采 用无线数据传输方式，不需重新布线，非常适用于已装修用户及布线不方便的 场合。 如今的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗 低外，还同时要求其体积要小。现在许多的单片机都具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装)越来越受欢迎，从而使由单片机构成的系统正朝微型化的方向 发展6。 3.1 防盗报警器的分类 (1) 从防盗探测器与报警主机（后端处理器）的连接方式可分有线与无线。 (2) 防盗探测器根据是否采用电源分类可分为无源和有源两种。 多路红外线防盗监测系统设计 6 (3) 按照报警器探测范围的不同又可以分为空间防范报警探测器点、线控 报警探测器、面控报警探测器和等多种类型。 (4) 按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。 除了以上区分以外，同时还有其他方式的划分。在实际的应用中，还可以 根据使用情况的不同，合理的选择不同类型的报警探测器，才能满足不同安全 防范要求。报警探测器作为传感探测装置，用来探测入侵行为和各种异常情况。 在各种智能建筑和普通的建筑物中需要安全防范的场所很多。这种类型场所根 据实际情况也有各种各样的安全防范要求。从而，就需要各种各样的报警探测 器，以满足不同的安全防范要求7。 3.2 防盗报警器的发展前景与趋势 随着当今社会的发展，人员流动性增大，社会治安状况更是非常复杂，因 此作为社会的基本单元“安全防范问题就显得非常重要”。传统的机械式（防 盗网）家居防卫在实际使用中暴露出一些问题，如：(1) 影响楼房的美观，市 容的整洁；(2) 影响火灾的救援通道；(3) 给犯罪分子提供了便利的翻越条件； (4) 时间长了更会有高空坠物的危险；(5) 压抑人性的自由。 所以新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生，而且越来越受到了广 泛的重视和运用。同时，为了进一步规范小区智能化的建设，建设部特别制定 了智能小区的等级标准，按照建设部要求智能小区中必须具有的安全防范、物 业管理和信息网络等系统。所以，小区安全防范系统的建设已经日益纳入许多 小区建设的必备项目中8。 数字化、无线化、集成化是防盗报警系统技术的发展趋势。不难发现防盗 报警的技术发展趋势： (1) 更方便的扩展性； (2) 更强大的联网功能； (3) 更智能化设计：方便地设/撤防，人性化的操作界面； (4) 更精美、小巧外观； (5) 更多样功能； (6) 更稳定； 上述发展趋势，都建立在数字化、无线化、集成化的三大核心技术基础上。 多路红外线防盗监测系统设计 7 3.3 红外线辐射原理及选择 红外线是众多的不可见光线中的一种，是由科学家于 1800 年发现，又称 为红外热辐射，科学家将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带上放 置了温度计，测量各种颜色光的加热效应。发现，位于红光外侧的那支温度计 升温最快。 红外线具有：(1) 热效应；(2) 穿透云雾的能力强。所以就得到结论：太 阳光谱中，红光的外侧必定存在人眼看不见的光线，这就是红外线。可以当作 传输媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，其波长为 0.751000m。 在一些应用现场，检测器想要接触被测物是不实际的或者是不可能的。而 红外检测器能在短时间内远距离测量温度，所以在某些情况下它是非常实用的。 辐射原理：所有的物体都是由不断震动的原子构成的，越是高能量的原子震动 频率越高。所有微粒的震动，包括这些原子，生成电磁波谱。 物体温度越高，震动的就越快，所以光谱的辐射能量就越高。结果，所有 物体都不停以自身的波长频率向外辐射，而其波长和频率又取决于物体自身的 温度和它的光谱比辐射率。目标物越小，你就应该靠它更近一些。当目标物的 直径很小时，那么将温度计靠目标物近一些就显得很重要，这样就可以确保只 是在测量该目标物，而不包括周围环境9。 红外探测器是一种辐射能的转换器，主要是用于将接收到的红外辐射能转 换为便于测量或观察的电能，热能等其它形式的能量。在室温的条件下，任何 物品均有辐射。温度越是高的物体，红外辐射就越强。人体是恒温动物，红外 辐射也是最为稳定。我们之所以称为被动红外，也就是说探测器本身不发射任 何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。 红外传感器的探测波长范围是 813m，人体辐射的红外峰值波长约为 11m，正好在范围以内。红外光穿透能力差，在防范区内不应有高大物体， 否则在阴影部分有人走动时将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调 和暖气。否则不断变化的热气流将会引起误报警10。 多路红外线防盗监测系统设计 8 探测器安装几秒钟就可以适应环境，没有人或动物进入检测区域时，现场 红外辐射是稳定的，如果有人体红外辐射，光学系统的焦点可以使热释电电气 信号突变，并发出警报。被动红外入侵探测器组成警戒线一般可达数十米。被 动红外探测器主要由光学系统、红外传感器和报警控制器等。红外探测器是一 个核心作用与关学系统可以检测的三维空间热辐射的变化。 主动红外探测器是由报警控制器、红外接收机和红外发射机三部分构成。 位于收、发端的光学系统则是采用光学透镜，它的作用是起到将红外光束聚焦 成较细的平行光束的作用，为了使红外光的能量可以集中的传送。红外光是在 人眼不能看到的光谱范围内，如果有人经过这个光谱范围时，必然会遮挡一部 分红外光束。接收端输出的电信号的强度会由此产生变化，从而启动报警器发 出报警信号。主动式的红外探测器遇到小动物、树叶、雾等遮挡则不应报警， 人或体积较大的物品遮挡将会发生报警11。 因为光束是比较窄，一定要确保收发端安装牢固可靠，让其不会受到地面 震动的影响，而发生位移移动，从而引起误报，系统一定要保持清洁，注意保 养和维护。因为主动式的探测器所探测到的是点到点，而不是一个面的范围。 其特点就是探测的可靠性非常高。但是如果对一个空间进行布防，则需要有多 个主动式探测器，价格非常昂贵。主动式探测器主要是常用于博物馆中单体贵 重文物展品时的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场 的出口封锁等等。 综上所述，结合本次系统设计目的和各种红外探测器的特点，本系统选用 的是被动式红外探测器。 多路红外线防盗监测系统设计 9 4 系统硬件电路设计 本章节介绍了硬件电路中的几个模块，包括热释电红外传感器模块、发光 显示模块、主控模块、蜂鸣器报警模块等重要模块，详细介绍了个模块的组成、 作用及原理应用。 图 4.1 总体原理图 4.1 主控模块 主控模块在整个系统中起着重要的作用，需要检测按键，温度传感器等各 种参数，同时驱动液晶显示相关参数，在这里我们选用了 51 系列单片机中的 STC89C52RC 单片机作为系统的主控芯片。 51 系列单片机最开始是由 Intel 公司开发设计的，后来 Intel 公司把 51 核 多路红外线防盗监测系统设计 10 的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，例如 SST、Philip、Atmel 等大公 司。所以市面上出现了各式各样的都是以 51 为内核的单片机。这些各大电子 生产商推出的单片机都兼容 51 指令、并在 51 的基础上扩展了一些功能而内部 结构是与 51 一致的。 STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的 单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机 器周期可以任意选择。 4.1.1 STC89C52RC 单片机主要特性 (1) 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统 8051。 (2) 工作电压：5.5V3.3V(5V 单片机)/3.8V2.0V9(3V 单片机)。 (3) 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作 频率可达 48MHz。 (4) 用户应用程序空间为 8K 字节。 (5) 片上集成 512 字节 RAM。 (6) 通用 I/O 口(32 个)，复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时， 需加上拉电阻。 (7) ISP(在系统可编程)/IAP9(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用 仿真器，可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一 片。 (8) 具有 EEPROM 功能。 (9) 具有看门狗功能。 (10) 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。 (11) 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 (12) 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个 UART13.工作 温度范围：-40+85(工业级)/075(商业级)14.PDIP 封装。 多路红外线防盗监测系统设计 11 STC89C52RC 单片机的工作模式 掉电模式：典型功耗 /bit flag1s = 0; /1s 定时标志 /unsigned char T0RH = 0; /T0 重载值的高字节 /unsigned char T0RL = 0; /T0 重载值的低字节 sbit P21 = P21; sbit P27 = P27; sbit P26 = P26; extern void InitLcd1602(); extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str); void main() InitLcd1602(); /初始化液晶 LcdShowStr(0, 0, “zheng zai jiance“); /显示正在检测 while (1) /死循环 if (P27 = 1 ) /当检测到人时 P26 = 0; / 指示灯亮 P21 = 0; /蜂鸣器响 LcdShowStr(0, 1, “1“); /液晶显示“1” LcdShowStr(1, 1, “ bao jing“); /液晶显示“报警” else / 当没有人时 P26 = 1; / 指示灯灭 P21 = 1;/蜂鸣器不响 LcdShowStr(0, 1, “zheng chang“) ; / 显示正常 多路红外线防盗监测系统设计 34 #include #define LCD1602_DB P0 sbit LCD1602_RS = P22; sbit LCD1602_RW = P23; sbit LCD1