热释电红外报警器报告

课程设计说明书课程设计说明书 2010 2011 学年第二学期 课程名称 单片机原理 题 目 红外热释电报警系统设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 设计周数 2 周 设计成绩 2011 年 6 月 15 日 目目 录录 一一 课题概述课题概述 2 二二 设计目的设计目的 2 三三 设计正文设计正文 3 1 系统分析系统分析 3 3 2 设计方案设计方案 3 3 3 3 3 硬件模块设计硬件模块设计 3 3 3 3 1 1 热释电传感器 热释电传感器 8 3 3 2 电平转换电 电平转换电 路路 9 3 3 3 数码管显示电路 数码管显示电路 10 3 3 4 功放电路 功放电路 10 3 3 5 串口电路 串口电路 11 3 4 软件设计软件设计 3 4 1 程序设计思想程序设计思想 12 3 4 2 重要程序设计重要程序设计 13 四四 课程设计总结课程设计总结 17 一 课题概述一 课题概述 目前 随着科技的不断进步 电子技术的快速发展 人们的生活水平得到了很大的改 善 电话 手机 空调等高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律 但是 除了环 境因素外 科学技术的发展也给人们的生活 财产带来不安定因素 利用社会进步创造出 来的技术产品达到个人犯罪目的的事情时有发生 这就为监控设备在居家安全 政府文件 保密等领域的研究提供了必要的前提 当然 纯粹用于自然环境所带来的一些必要的监控 处理方面的设计也是很广泛的 如何进行安全监控成了一个热点 本学期我们学习了单片机原理及应用这门课程 在此基础之上我们又开展了关于单片 机的课程设计 我们小组设计的是基于单片机控制的红外热释电报警系统 基于对课题的 理解 本次设计要求我们完成一个基于单片机控制的红外热释电报警的完整系统 即当有 人闯入时 热释电便会采集到红外信号 并对信号进行放大 然后通过调理电路 有 LED 亮对信号输入进行提示并将其转化为适合单片机处理的低电平 通过单片机的处理 判断 当某一路有信号输入时 相应的 LED 数码管会显示房间号同时启动报警器 以实现报警的 效果 二 设计目的二 设计目的 理论学习固然重要 但仅仅止于纸上谈兵是没有意义的 只有实践才是检验真理的唯 一标准 因此为了进一步深入地学习单片机技术 将实践动手能力与课堂上学习的理论知 识有机的结合起来 从而开展了此次单片机的课程设计 我们小组设计的课题为基于单片机控制的红外热释电报警系统 这从硬件和软件两个 方面锻炼了我们的实际动手能力和编程能力 目的是为了考查 1 能够读懂并分析技术资料 2 巩固 加深和扩大单片机应用的知识面 提高综合及灵活运用所学知识解决实际 应用的能力 3 了解红外热释电传感器的组成及其工作原理 4 如何将采集到的信号送入单片机处理 5 定时程序 延时程序 显示程序 功放 循环 串口程序的编写 6 学会设计热释电红外报警系统的电路 7 学会课题设计方案的分析 选择 比较 熟悉单片机用系统开发 研制的过程 软 硬件设计的方法 内容及步骤 3 热释电红外报警系统的设计热释电红外报警系统的设计 3 3 1 1 系统分析系统分析 本系统是由红外热释电传感器模块 电平转换模块 显示模块 串口模块 报警模块 五部分组成 热释电红外探测器探测人体的红外辐射信号 经过调理电路 将人体的移动 信号转为电信号输入到单片机中 电平转换模块则是对电平信号进行处理 使其能够适合 单片机读取信号 通过单片机查询后驱动报警电路并且在数码管和上位机上显示从而达到 报警的目的 系统框图如图 1 图 1 系统框图 3 3 2 2 设计方案设计方案 本系统根据上面框图共设计了三套方案 第一套方案如图 2 在刚接到设计题目和要 求的时候 通过查找相关的资料 设计出第一套方案 第二套方案如图 3 第二套方案是 在拿到单片机试验板以后设计出来的简单的实现电路 第三套方案 如图 4 是在第二套 方案的基础上进行了进一步的改进 使其更加合理化 三种方案的比较 第一种方案是这样设计的 传感器在检测到人体移动信号以后 产 生相应的电压脉冲信号 通过后边对电压信号的两次放大 窗口比较以后 使电压脉冲信 号转换成 TTL 电平 然后通过单片机的查询来实现相应的现实报警操作 第二种方案是在 拿到实验板和热释电传感器模块后设计的 因为热释电模块中含有了脉冲到 TTL 电平转换 的电路 所以可以精简了这部分 第三种方案 除了第二种方案的功能以外 需要根据报 警的方向和位置使数码管循环显示 而且需要灵活增加相应的模块和上位机显示一样 所 热 释 电 红 外 传 感 器 被 测 目 标 电 平 转 换 单 片 机 数码管显示 上位机显示 功 放 报 警 以选取两个数码管 并且采用暂停按键模式 使系统更加的人性化 合理化 所以最后选 择了第三种方案 1 2 3 传传传 Header 3 1M R1 Res21M 10K R3 Res2 4 7K R11 Res2 200k 2M R4 Res2 10K R5 Res2 4 7K R9 Res2 10K R10 Res2 0 01uF C3 0 01uF 2 3 1 1 411 U1A LM324AN 5 6 7 2 411 U2B LM324AN 8 10 9 3 411 U3C LM324AN 14 12 13 4 411 U4D LM324AN 1uF 10uF C5 Cap Pol1 D5 Diode 1N4001 D4 Diode 1N4001 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 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 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 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 U0 P80C51RA 4N CLR 9 CLK 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VCC 14 GND 7 U5 SN74HC164N f 9 g 10 e 1 d 2 A 3 c 4 DP 5 b 6 a 7 A 8 DS1 Dpy Blue CA GND Q1 8550 1K R15 Res2 10K R16 GND GND GND VCCVCC GND GND VCC GND VCC 0 01uF GND VCC VCC GND 12 11 0592M 0 1uF C4 Cap 30pF 30pF GND VCC 22uF C12 1K R13 GND 470 500 LS1 Bell D1 LED1 VCC 0 1uF 0 1uF 0 1uF GND GND C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U6 MAX232N RS TX RS RX RS CTS RS RTS GND 0 1uF 0 1uF 0 1uF 0 1uFGND S1 SW PB 100K T1 Trans Ideal D6 Diode 1N4148 D7 Diode 1N4148 D9 Diode 1N4148 D8 Diode 1N4148 4700uF C19 IN 1 2 OUT 3 GND U8 MC7805CT GND 100uF C20 Cap Pol1 VCC VCC VS 6 GND 4 GAIN 8 3 2 5 BYP 7 GAIN 1 U LM386N 1 10 R Res2 0 1uF C 0 1uF C 250uF C LS Speaker GND GND GND 10K R 10uF C 12 11 0592 XTAL GND 图 2 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 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 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 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 U P80C51FA 4N LS Speaker 12 12M XTAL 30pF C 30pF C GND S SW PB 22uF VCC 100K R GND 1 2 3 传传传 Header 3H A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS Dpy Green CA VCC GND Q 9014 4 7K 470 470 470 470 470 470 470 470 VCC GND 10K VS 6 GND 4 GAIN 8 3 2 5 BYP 7 GAIN 1 U LM386N 1 0 1uF 0 1uF 10uF 250uF 10 GNDGND VCC GND GND C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U MAX232N RS TX RS RX RS CTS RS RTS 0 1uF 0 1uF 0 1uF 1K GND VCC 0 1uF 500 D LED1 VCC 0 01uF 9013 200 R 1 2k R VCC GND S SW PB 图 3 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 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 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 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 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 U P80C52SFPN 12 12M XTAL 30pF 30pF K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS Dpy Green CC K 1 f 2 g 3 e 4 d 5 K 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 DS Dpy Green CC 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 470 GND 1 2 3 传传传1 Header 3H 1 2 3 传传传2 Header 3H Q 8550 Q 8550 Q 9013 Q 9013 200 200 1 2K 1 2K GND VCC GND VCC 4 7k 4 7k VCC VCC 100K 1K 22uF S SW PB VCC GND C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U MAX232N 0 1uF 0 1uF 0 1uF 0 1uF VCC GND RS TX RS RX RS CTS RS RTS VS 6 GND 4 GAIN 8 3 2 5 BYP 7 GAIN 1 U LM386N 1 LS Speaker 0 1uF 0 1uF C Cap 0 1uF C Cap 220uF 10uF 1K R Res2 GND GND GND 传传 SW PB GND GND D LED0 D LED0 500 500 10K VCC 图 4 具体方案设计 系统总体设计图如图5所示 整个系统是在系统软件控制下工作的 设置在监测点上的 红外探头将辐射的红外光谱变换成脉冲电信号 经过调理电路 送出TTL电平至电平转换电 路 转换后的信号送AT89C52单片机 在单片机内 经软件查询及识别判决等环节实时发出 人侵报警状态控制信号 驱动电路将控制信号放大并推动功放报警设备完成相应动作 若 是检测到有人走动的情况 就会产生报警信号 持续5秒 要是偶尔有人路过 持续五秒后 自动停止 要是一直有人在走动 则报警器会一直持续响 直到监控人员通过按键手动解 除 并通数码管显示报警位置而且在上位机中显示 鉴于本次试验仅仅是实验 所以并没 有做的更复杂 及多增加传感器模块和电平转换模块 本实验只用了两个传感器模块和电 平转换模块已实现更多的功能 如果需要可以继续增加 灵活性较高 如图 5 所示 是本次设计的系统框图 亦即红外热释电报警系统的这个工作流程图 图 5 单 片 机 系 统 监 测 点 1 传 感 器 模 块 电 平 转 换 监 测 点 n 传 感 器 模 块 电 平 转 换 数码管显示 上位机显示 功放报警 3 3 3 3 硬件模块设计硬件模块设计 3 3 3 3 1 1 热释电传感器 热释电传感器 热释电红外传感器的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 而产生的干扰传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传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 并不能直接使用传因而需要用电阻将其转换为电压形式传该电阻阻抗高达 故引入的 沟道结型场效应管应接成共漏形式传 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 图 3 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图 使用时漏极接电源 正极 源极为信号输出 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 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 它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成 元件两个表面做成电极 当传感器监测范围内 温度有 T 的变化时 热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Q 即在两电极之间产生一 微弱电压 V 由于它的输出阻抗极高 所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换 热 释电效应所产生的电荷 Q 会跟空气中的离子所结合而消失 当环境温度稳定不变时 T 0 传感器无输出 当人体进入检测区时 因人体温度与环境温度有差别 产生 T 则有信号输出 若人体进入检测区后不动 则温度没有变化 传感器也没有输出 所以这 种传感器能检测人体或者动物的活动传感器主要有外壳 滤光片 热释电元件 PZT 场效 应管 FET 等组成 图 6 热释红外传感器 人体都有恒定的体温 一般在 37 度左右 所以会发出波长约 10WM 左右的红外线 被动 式红外探头就是靠探测人体发射的 10WM 左右的红外线而进行工作的 人体发射的 10WM 左右的红外线通过菲涅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 系统采用 LN 206P 热释电型红外温度传感器 硅窗是探测器的窗口 可使小于 6 m 左右的辐射不能进入窗口 避免太阳光或白炽灯及其 反射光的干扰 3 3 2 电平转换 电平转换 此电平转换电路是这样设计的 因为从传感器模块过来的信号为 0V 或 3V 所以为 了使单片机能够识别到人体移动带来的高电平 采取是电平做相反转换 当有高电平通过 基极的时候 高电平信号与三极管集电极的高电平抵消 从而产生需要的低电平 同理 当有低电平通过基极的时候 三极管的集电极输出为所需要的高电平 图 7 电平转换 3 3 3 数码管显示电路 数码管显示电路 图 8 数码管显示电路 数码管 LED1 A G 与 CPU 的 P0 0 P0 6 口一一对应 数码管 LED2 A G 与 CPU 的 P2 7 P2 1 口一一对应 因为本次用的数码管比较少 所以直接用三极管驱动 并且接口直接接到 I O 上 利 用多余的口来实现数码管的显示 3 3 4 功放电路功放电路 3 脚输入端接 10K 电阻用来调节音量 1 8 脚之间接 10uf 的电解电容可以使放大倍数 为 200 电源端加一个滤波电容 此电路为驱动喇叭发出想要的声音的驱动电路 图 9 功放电路 3 3 5 串口电路 串口电路 串口电路是一个重要的部分 我们利用串口和 PC 机或其他微处理器进行通信 RS 232 规定的电平与一般微处理器的逻辑电平不一致 必须进行逻辑电平转换 所以用 MAX232 来完成这个工作 来满足与 PC 机的通信 这里有两个发送和接受 我们只用了其中一个 注意接收与发送和 PC 机的接法 具体接法如图 10 所示 图 10 3 4 软件设计软件设计 3 4 1 程序设计程序设计思想思想 首先将子程序进行调试 将功放 串口 数码管显示 数据采集这几部分进行分别调 试 将这几部分调试成功以后 再将这几部分进行整合 以得到最后的结果 程序框图 总框图 1 扬声器报警模块框图 2 检查信号 检查是否有 电平变化 数码管显 示位置 扬声器报 警 上位机 显示 是 否 产生 500hz 和 1khz 交替 变化的一个 音频信号 按键是否 按下 暂停报警 否 是 数码管显示框图 3 串口发送框图 4 3 4 2 重要程序设计重要程序设计 1 初始化程序 uchar code table 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0 xC0 显示位置 uchar code table1 0 x9f 0 x25 0 x0d 0 x99 0 x03 sbit L0 P1 0 sbit L1 P1 1 sbit L2 P1 2 sbit L3 P1 3 sbit buz P1 4 sbit key P3 0 2 延时程序 void delay500 uint p 延时 500us 检查是哪一路电平变化 检查到第 1 路 检查到第 n 路 是否还有其 他路有电平 变化 循环显示各路的位 置 仅显示第一 路的位置 是 否 定时器和串口初始化 启动定时器和串口 将要发送的数据送到发送 缓冲器 检查是否发 送完毕 发送中断清零 循环发送 两次 继续发送 是 否 unsigned char i for p 0 p for i 250 i 0 i nop 3 扬声器程序 void buz0 void 响铃 uint k if key 0 while 1 buz 0 else for k 0 k0 count buz buz delay500 1 for count 200 count 0 count buz buz delay500 1 delay500 1 4 串口程序 void chuankou uchar temp 与上位机通信 波特率为 1200bit s uchar table1 1 2 3 4 uchar m uchar temp 0 PCON 0 x00 SCON 0 x50 TMOD 0 x20 TH1 0 xE6 TL1 0 xE6 TR1 1 for m