传感器与检测技术课程设计报告智能无线防盗报警系统.doc

传感器与检测技术课程设计报告 设计题目： 智能无线防盗报警系统 专业班级： 电子信息工程2009级2班 学 号：20094016049、20094016035、20094016060 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 2012年5月 教师评分： 编号： 第17页 共16页目录智能无线防盗报警系统1第一章 绪论11.1设计背景11.2 课题发展趋势21.3 系统功能及构成2第二章 系统硬件设计的实现32.1 单片机概述32.1.1 单片机最小系统模型的建立32.1.2 at89s52的功能特性描述32.1.3 at89s52的主要性能42.2 热释电红外传感器电路设计52.2.1热释电红外传感器的理论与原理概述52.2.2 biss0001原理特性52.2.3热释电红外人体感应电路的功能特点62.2.4热释电红外人体感应应用电路82.3激光发射电路设计92.3.1 激光二极管与光敏传感器概述92.3.2激光发射电路应用电路92.4震动感应电路设计102.4.1震动开关sw-18015p概述102.4.2 lm393比较器概述102.4.3震动感应的应用电路112.5无线收发模块112.5.1 lsdrf2401m05收发芯片112.6 红外开关电路132.6.1 tc9012概述132.6.2 ir1308红外接收头的设计132.7 lcd1602显示电路设计142.7.1 lcd1602的概述142.7.2 lcd1602应用电路设计14第三章 系统软件设计153.1 系统软件实现流程图15第四章 结论17参考文献18智能无线防盗报警系统【摘要】为了克服传统的机械式（防盗网、防盗窗）安防系统在实际使用中暴露的众多缺点，例如：为其它没有安防盗窗的相近楼层形成被盗隐患、发生火灾时不易撤离等等。目前市场上常见的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系统等等。但它们有关键时刻失灵、不易普及、功耗大、费用高等缺点。针对以上不足，本文设计了一种智能无线防盗报警系统，该系统由单片机最小系统、热释电红外人体感应电路、激光发射电路、震动感应电路和无线收发模块、红外开关电路、lcd1602显示电路等所组成。该系统是智能无线防盗报警系统，可实现对放置重要财物的地方进行远程的、实时的、快捷的监控和报警。其工作过程为：在开机状态时，人体感应电路、激光发射电路、震动感应电路一直检测，当检测到异常情况，进行报警；当主人收到报警信息时，可以通过液晶显示屏查看哪个地区发生异常，便可以迅速赶到现场，判断是否安全。另外，用户可利用红外遥控器控制整个系统的开或关，省电、方便、环保地实现了防盗报警功能，达到安全防护的目的。最后，通过对各个模块的软、硬件测试，实现整个系统的功能，达到预期的防盗报警目的。此系统借助最可靠、最成熟的无线传输模块，收发精度准确，大大减少了误报现象，可靠性强。关键词：防盗报警 热释电红外传感器 遥控第一章 绪论1.1设计背景安全，是人类永恒关注的话题，也是用户对自己财产提出的首要要求，因此，安防成为财产保护的重要组成部分。与普通防盗相比，本设计不仅能够为用户提供高质量、便捷的安防，而且也能够有效地保证财物的安全。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，信息化、智能化技术渗透于人们生活的各个领域，显著地改善了人们的生活环境和生活质量，如何建立一个高效率、低成本的防盗报警系统已成为当今世界的一个热点问题。1.2 课题发展趋势工业上对计算机远程监控技术的要求不断提高，并依托无线技术的发展而应用到各个行业。近年来物联网络的日益扩大，使通信业务得到了飞速发展，各种基于无线收发的增值服务也日益产生。基于无线的传输技术，由于省略了庞大的无线网建设投资和维护费用，使得无线技术具有很大的优势。利用现有的物联网技术，发挥信号覆盖率高、传输特性好等优势，为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，这必将成为工业控制及现场监测等领域的新的发展趋势。1.3 系统功能及构成 系统的开发基于无线传输技术、利用物联网以信号为基本控制指令和数据信息传送方式，为远程监控设备提供全方位服务。系统由微控制器mcu、热释电红外人体感应电路、激光发射电路、震动感应电路和无线收发模块、红外开关电路、lcd1602显示电路所组成。系统整体框图如图1-1所示：热释电红外人体感应电路激光发射电路震动感应电路mcuat89s52红外开关电路无线发射模块无线接收模块mcuat89s52lcd液晶显示mcuat89s52lcd液晶显示图 1-1 系统整体框图第二章 系统硬件设计的实现2.1 单片机概述2.1.1 单片机最小系统模型的建立at89s52 作为普通51 单片机已广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用at89s52单片机作为主控制芯片。如图2-1为在protel软件上画出的单片机最小系统模型。图 2-1 最小系统原理图2.1.2 at89s52的功能特性描述at89s52是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司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，如图2-2是在proteus上截得的at89s52的芯片示意图。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at89s52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。at89s52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，at89s52 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。图 2-2 at89s52管脚图2.1.3 at89s52的主要性能 与mcs-51单片机产品兼容 8k字节在系统可编程flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0hz33hz 三级加密程序存储器 32个可编程i/o口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工uart串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符2.2 热释电红外传感器电路设计2.2.1热释电红外传感器的理论与原理概述目前,一些银行、商场和宾馆都安装了防盗监视录像式自动报警系统。这些系统工作起来有效,可靠,但成本高,不隐蔽,且在普通家庭及办公室使用不易普及。热释电红外传感器工作原理是利用晶体热释电效应,检测人体特定波长的红外辐射,它广泛应用于防盗报警。本设计采用双元探测器lhi 874专为运动控制该lhi 874热释电红外探测器系列标准双元素设计的运动建议控制。它包括所有变种双元素焦电陶瓷与fet源跟随的连接。该lhi 874可作为to-39,与标准外壳红外过滤器.他们都提供高响应性能优良的共模（匹配）和稳态噪音低和温度变化.对于这两个变种rf更佳的选择方案可供选择。2.2.2 biss0001原理特性热释电红外开关是芯片biss0001是配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关，如图2-3是biss0001的管脚图。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。热释电红外传感器是一种新型敏感元件，它是由高热电系数材料，配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人体发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的外干扰辐射，如阳光、灯光、及其反射光。 图 2-3 biss0001芯片管脚图如图2-4是biss0001红外感应信号处理器的内部框图， biss0001的运算放大器op1作为热释电红外传感器的前置放大。由c3耦合给运算放大器op2进行第二级放大。再经由电压比较器cop1和cop2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。输出信号经晶体管t1、驱动继电器去接通负载。r3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，r3的电阻值会降低，使9脚输入为低电平而封锁触发信号，节省照明用电。若应用于其他方面，则可用遮光物将其罩住而不受环境影响。sw1是工作方式选择开关，当sw1与1端连通时，红外开关处于可重复触发工作方式；当sw1与2端连通时，红外开关则处于不可重复触发工作方式。图 2-4 biss0001红外感应信号处理器的内部框图2.2.3热释电红外人体感应电路的功能特点全自动感应：人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围就自动延时关闭高电平，输出低电平。光敏控制（可选择，模块出厂时未设）：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。温度补偿（可选择，模块出厂时未设）：在夏天当环境温度升高至3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。两种触发方式：（可跳线选择）不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平；可重复触发方式：即感应输出高电平后，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，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。如图2-5所示，是本设计中利用的可重复触发工作方式下各点的波形图。在vc=“0”、a=“0”期间，信号vs不能触发v0为有效状态；在vc=“1”、a=“1”时，vs可重复触发为有效状态，并可促使v0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v0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v0一直保持有效状态；若vs保持为“0”状态，则在tx周期结束后v0恢复为无效状态，并且，同样在封锁ti时间内，任何vs的变化都不能触动v0为有效状态。图2-5 可重复触发工作方式下各点的波形图具有感应封锁时间（默认设置：2.5s封锁时间）：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。（此时间可设置在零点几秒几十秒钟）。工作电压范围宽：默认工作电压dc4.520v。微功耗：静态电流50ua，特别适合干电池供电的自动控制产品。输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。2.2.4热释电红外人体感应应用电路如图2-6所示，是本设计中热释电红外人体感应电路，其中vout即热释电红外传感器芯片的管脚2。图2-6 热释电红外人体感应电路图中运算放大器op1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由c3耦合给运算放大器op2进行第二级放大，再经由电压比较器cop1和cop2构成的双向鉴幅器处理器处理后，检出有效触发vs去启动延迟时间定时器。cds2为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，光敏电阻的电阻值会降低，使vc脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号vs。sw1是工作方式选择开关，当sw1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当sw1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间tx由外部的r7和c6的大小调整，值为tx26*10*10*10*r7c6；触发封锁时间ti由外部的r6和c7的大小调整，值为ti40*r6c7。2.3激光发射电路设计2.3.1 激光二极管与光敏传感器概述激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照pn结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（sh）、双异质结（dh）和量子阱（qw）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mw），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。2.3.2激光发射电路应用电路激光二极管通过接通5v电源后，会发出点状的红色光班点，没有阻挡时，激光会一直照射着光敏传感器，此时光敏传感器的电阻相当于0，当被阻挡时，光敏传感器的电阻就可视为无限大。根据这样的原理。设计出的应用电路如图2-8所示：图2-7：激光发射电路应用电路2.4震动感应电路设计2.4.1震动开关sw-18015p概述本开关为弹簧型、无方向性震动感应触发开关，任何角度均可触发；开关在静止時为开路off状态， 当受到外力碰触而达到相应震动力时,或移动速度达到适当离(偏)心力时，导电接脚会产生瞬间导通呈瞬间on状态;当外力消失時,开关恢复为开路off状态。2.4.2 lm393比较器概述lm393 是双电压比较器集成电路。 该电路的特点如下： 比较器数:2 工作温度范围:0c - +70c svhc(高度关注物质):no svhc (18-jun-2010) 器件标号:393 通道数:2 逻辑功能号:393 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2 36v， 双电源：118v； 消耗电流小， icc=0.8ma； 输入失调电压小， vio=2mv； 共模输入电压范围宽， vic=0vcc-1.5v； 输出与ttl，dtl，mos，cmos 等兼容； 输出可以用开路集电极连接“或”门； 采用双列直插8 脚塑料封装（dip8）和微形的双列8 脚塑料封装（sop8）。2.4.3震动感应的应用电路当震动开关sw-18015p，感应到有撞击或者是震动时，开关便会接收通。通过在电源上位电阻，把一端接到比较器的同相输入端，另外一端作为参考电压接入到反相输入端。当震动开关不接通时，同相输入端的电压比反相的电压要高，输出高电平；当震动开关接通时，此时同相输入端的电压为0，反相输入端的电压比同相输入端的要高，则输出低电平。根据此原理，设计出震动感应的应用电路如图2-9所示： 图2-8：震动感应的应用电路2.5无线收发模块2.5.1 lsdrf2401m05收发芯片lsdrf2401m05无线模块是基于ti射频集成芯片cc2500的射频模块，是一款高性能射频收发器，可广泛应用于各种场合的短距离无线通信领域。模块配置16 位低功耗msp430微控制芯片，全透明传输，用户可根据实际应用可配置各种uart数据格式，可实现无限数据长度发送。具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点，方便客户使用。 该模块功能特点如下： 工作电压：3.33.6v； 工作频段：24332445 mhz； 发射功率：最大发射功率为1mw（1dbm）； 高灵敏度：-96dbm（10kbps）； 低功耗：发射电流30ma；接收电流25ma；睡眠电流10ua； 可设置无线收发的信道； 可设置串口通讯的校验方式； 可实现无限数据长度数据收发； 可通过i/0口操作，方便快速的实现模块状态切换； 传输性能优良,在视距情况下，离地两米，可靠传输距离80m； 内置看门狗，实时监控，杜绝无线模块死机； 高可靠性、体积小、重量轻； 图2-9 lsdrf2401m05引脚图 2.6 红外开关电路2.6.1 tc9012概述tc9012是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用 cmos 工艺制造。它可外接32个按键，提供8 种用户编码，另外还具有 3 种双重按键功能。tc9012的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化，以配合pcb 的布图和低成本的要求。 主要特点: 低压cmos 工艺制造 低功耗超小静态电流 低工作电压（vdd=2.05.0v） 32+3条指令码 8 种用户编码可选择 tsop-20 、sop20 、cob可选的封装形式。2.6.2 ir1308红外接收头的设计ir1308参考电路图和红外解码1602显示参考源程序，大致是这样的，将接收头凸面向着自己，从左到右的引脚分别是out、gnd、vcc。其设计电路图：图2-10：红外开关电路2.7 lcd1602显示电路设计2.7.1 lcd1602的概述1602液晶也叫1602字符型液晶 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块 它有若干个5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有也有间隔 起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此 所以他不能显示图形（用自定义cgram，显示效果也不好）1602lcd是指显示的内容为16x2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。2.7.2 lcd1602应用电路设计1602lcd的特性为+5v电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器ddram，内建有160个5x7点阵的字型的字符发生器cgrom，8个可由用户自定义的5x7的字符发生器cgram。字符型lcd1602通常有14条引脚线或16条引脚线的lcd，多出来的2条线是背光电源线vcc(15脚)和地线gnd(16脚)。其应用电路如图2-12所示：图2-11：lcd1602应用电路第三章 系统软件设计3.1 系统软件实现流程图在所有硬件全部准备好之后就开始进行软件部分设计，设计通过51系列单片机at89s52作为系统的控制器，通过控制热释电红外人体感应电路、激光发射电路、震动感应电路三个电路的正常工作，检测是否有异常情况。当某个电路发生异常情况时，则此时单片机将检测到这种异常情况，并把信号发送到传输到无线发射模块，无线发射模块则把相应的信号发送出去。通过无线接收模块接收到信号以后，把信号传输给另外一个单片机，单片机根据接收模块传输过来的信号，控制lcd1602显示出相应的内容，并进行报警。当需要关闭整个系统，只要通过一个红外遥控器，按相应的按键便能实现。主函数的流程图如图3-1所示否否是开始初始化启动各个感应电路热释电红外人体感应电路是否异常？激光发射电路是否异常？震动感应电路是否异常？红外开关电路是否打开？无线发射模块无线接