室内智能防盗控制系统设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书 第 43 页 共 43 页引言随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，盗窃犯罪行为屡禁不止，严重的危害到广大人民群众的人身财产安全，同时人们对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。本文提出了一种基于单片机信号处理技术的防盗检测器的软硬件设计方法，用C语言进行软件设计，硬件则以热释电红外传感器为主，热释电红外传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到V/F转换接收的电压范围。所以送V/F转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，V/F转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。主要特点是测量范围广, 响应速度快, 灵敏度高，抗干扰能力强，安全可靠。据悉，目前防盗报警系统的附加功能主要有一下几种：1、自动拨号报警功能。系统探测到窃贼入室或火灾等信息后，按事先设定的电话号码自动拨号，播通后自动播放报警信息，以有效地减少报警时间。2、系统可利用接口通信技术与计算机进行相连接，当探测到窃贼入室时，单片机所接收到的数据直接传送到计算机，这样有利于小区的统一管理。3、为了提高灵敏度，减少误报率，可以采用摄像头作为探测头，将采集到的信号进行图像处理及判断后再决定是否报警。如果系统接收到报警信号后，保安人员可以通过查询报警记录来确定是否真有人经过。今后,随着电子高科技的飞速发展,防盗技术的发展定将日新月异。同时,功能更加齐全的高精度的先进防盗器将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。1 课题设计1.1 课题设计的概述本设计系统应用被动式红外传感器与单片机的接口技术，被动式红外传感器通常又被称为被动式热释红外传感器（简称热释红外传感器），是利用目标物体所发出的红外辐射信号实现被动探测的。任何温度高于热力学温度零度的物体都向周围空间辐射红外线。本系统利用热释电红外传感器采集辐射信号，将人体的红外信号转换为电信号，以供信号处理电路使用，信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延时、比较，为报警功能的实现打下基础。然后经过单片机的处理后实现报警及数码管的显示。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点：（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，主人在家走动时，都很容易失报和误报，其可靠性低。（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。再者，就闭路监控电路防盗系统而言：它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。综合以上报警器的不足，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利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。1.2 课题研究的目的及意义设计出防盗性能更加稳定，经济实惠，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠的热释红外传感器报警系统。通过该系统有利的防止盗窃犯罪，充分的保护广大人民群众的人身财产安全。2 方案设计21 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PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作。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2-1所示。开始明确任务 选机型，划分软、硬件硬件研制软件设计 联机仿真调试排除故障、修改软件固化程序、应用系统独立运行完成研制图2-1 单片机应用系统研制过程框图2.2 总体设计从设计的要求来分析该设计需包括如下结果：热释电红外探头电路、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2-2总体设计框图所示。执行电路红外探头比较放大电路门限电路声光报警驱动电路手动清除LED显示89S51单片机图2-2 总体设计框图处理器采用51系列单片机AT89S51，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变换成电信号，经测量放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出下TTL电平至89S51单片机.在单片机内，经软件查询，统计平均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声光报警设备完成相应动作，当报警延迟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。同时,还可以把整个系统变为自动开关灯系统,当有主人在时,可用手动解除报警功能,并且可以开启开关灯执行电路,在探测头感应到有人时执行电路执行开灯。同时系统还可以使用在一些大型的公共场合，作为检测人数个数和人数的最大容量控制。 2.3 系统硬件选择从以上的分析可知在本设计中要用到如下电路：TA89S51、热释红外传感器、LED数码管、按键、BISS0001、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位电路等等。其中电路所用器件清单见下表2-1所列。编 号名 称型 号数 量1电阻4.7K22电阻1K63电阻10K24电阻33K45电容30pF26电容47uF57电容0.01 uF68发光二极管LED2绿4红9三极管9015/8050210石英晶振12MHz111集成电路AT89S51、BISS00011、112蜂鸣器8R113按键*214热释电红外传感器3TR115共阴数码管DISPLAY116电源接头30T117排阻A103J1表2-1 元器件清单3 热释电人体红外传感器3.1 红外测温原理红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（273.15）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。据斯蒂芬波兹曼常数，绝对黑体其温度T于与辐射能之间的关系为： 其中：为蒂芬波兹曼常数，其值为5.669710-12 w/cm2 ，k4 为黑体的温度；E0 为黑体辐射能。实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：E=E0其中：E为物体在一定温度下的辐射能力；E0 为与E在同一温度下的黑体辐射能力; 为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在01之间。由（2）可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。3.2 PIR传感器简单介绍热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型感灵敏度探测元件。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，并将其转化成电压信号输出。将这个电信号加以放大，便可以驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也成为热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可以在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。热型传感器是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因是：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对22.61Lm、351Lm、81411m三个被成为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。3.3 热释红外传感器的结构及原理红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂) 探测器、BaTi O2(钛酸钡) 探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。如图3-1是一个双探测元热释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、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0.220um。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可一块干涉滤波片。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。图3-1 热释电传感器的结构图热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自发极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不同外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.110Hz）和对特定波长红外线（一般为515um）的响应决定了传感器只敏感与外界红外线的辐射而引起传感器温度的变化，而这种变化对人体而言就是移动。因此，传感器对人的移动或运动敏感，且敏感程度与人体通过探测区时的运动方向有关，如图3-2所示。探测器对横切探测区方向人体的移动很敏感，对沿探测区径向人体的移动不敏感，对静止或移动很缓慢的人体也不敏感。此外，它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。图3-2 人体通过探测区3.4 热释红外传感器特点由以上分析可知，其主要优点为：目标物体的辐射能量随温度的升高而增大。随着温度的升高，物体辐射能量的峰值向短波方向移动，其变化符合维恩定律，即pT=2897.8，p为峰值时的红外线波长。相同温度下，不同目标物体的辐射能量是不同的。热释电传感器的输出信号直流电平为1V，幅值为1mV的交变信号。该信号通过热释电传感器内部场效应管的源极输出。热释电红外传感器能区别运动着的生物体和飘落的物体（主动式红外传感方式无法鉴别出运动中的物体是生物，还是其他非生物）。热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰。被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。易受射频辐射的干扰。环境温度和人体温度接近时，探头和灵敏度明显下降，有时会造成短时失灵。被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。抗干扰性能： 防小动物干扰：探测器安装在推荐地适用高度，对探测范围内地面上的小动物一般不不产生报警。 抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中的要求，一般手机电磁干扰不产生报警。 抗灯光干扰：探测器在正常，灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。热释电红外传感器的安装要求：热释电红外传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：1、 热释电红外传感器应离地面2.02.2米。2、 热释电红外传感器远离空调，冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3、 热释电红外传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4、 热释红外传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流干扰和人员走动会引起误报警，有条件的最好把窗帘拉上。其不要安装在有强气流活动的地方。热释红外传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释红外传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报，求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。3.5 菲涅尔透镜热释电红外传感器的探测半径小，不足2m，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥更大的作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10m。例如，一些传感器对远在20m处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。因此，菲涅尔透镜片是红外探头的“眼镜”。他就像人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效。配用不当产生误动作和漏动作，致使传感器不能正常工作；配用得当能充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断扩大。3.5.1 菲涅尔透镜的结构和工作原理菲涅尔透镜片是根据法国光物理学家Fresnel得名的，是采用电锯模具工艺和聚乙烯PE材料压制而成的。它的镜片厚0.5mm，表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅之深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录得深，感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环，光线越集中，而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环直接组成一个水平感应段。垂直感应区越多，垂直感应角度越大；镜片越长，感应段越多，水平感应角度就越大。区段数量多，被感应人体移动幅度就小；区段数量少，被感应人体移动幅度就越大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形；从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图3-3所示)。这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号。或者说，在监控人体范围内活动时，进入一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个相应的电信号。 图3-3 菲涅尔透镜外形图3.5.2 菲涅尔透镜的作用菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右，菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。4 AT89S51单片机概述4.1 TA89S51单片机的结构AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，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单片机可为您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。图4-1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。由图可见，在这一块芯片上，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。外部钟源 外部事件计数 振荡器和时序OSC程序存储器4KB ROM差距存储器256B RAM/SFR定时器/计数器 2 X 16AT89S51 CPU内中端64 KB 总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口图4-1 AT89S51单片机的基本组成功能方块图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，主要完成运算和控制功能。AT89S51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. 内部数据存储器（内部RAM）AT89S51中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。3. 程序存储器（内部ROM）AT89S51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。4. 定时器/计数器 AT89S51共有2个16位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。5. 并行I/O口 AT89S51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AT89S51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。7. 时钟电路 AT89S51单片机内部有时钟电路，但晶振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。8. 终端系统 AT89S51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/INT0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。由上所述，AT89S51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。4.1.1 管脚说明ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图4-2所示。AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。图4-2 AT89S51管脚图引脚简介l VCC：供电电压。l GND：接地。 l P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL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。 l 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。 l 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。l 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AT89S51的一些特殊功能口，如下表4-1所示：管脚功能管脚功能P3.0RXD（串行输入口）P3.4T0（计数器0外部输入）P3. 1TXD（串行输出口）P3.5T1（计数器1外部输入）P3.2INT0（外部中断0）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.3INT1(外部中断1)P3.7RD（外部数据存储器读选通）表4-1 P3口管脚功能l 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。l ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。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。l /PSEN：外部程序存储器的选通信号。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。l /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。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。l XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。l XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.1.2 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。其振荡电路如下图4-3所示：图4-3 振荡电路（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管教处于低电平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，AT89S51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，但是RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍然在工作。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。4.2 AT89S51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。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。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。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，以主振荡频率为基准（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引脚振荡信号作为参考。4.3 AT89S51单片机的工作过程和工作方式单片机工作过程循环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，是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表4-2所示。复位不影响片内RAM存放的内容，而ALE在复位期间将输出高电平。由表4-2可以看出。复位后：（PC）=0000H 表示复位后程序的人口地址为0000H，即单片机复位后从0000H单元开始执行程序； （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；（SPW）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立；P0口P3口锁 存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入口，无需向端口写1. 表4-2 复位状态表寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP0FHTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON(0XXX0000B)TMOD00H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。 单片机在时钟电路工作以后，在RST/VPD端持续给出两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4-4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”出现死机而设计的电路。 （a）高电平复位有效 （b）低电平 Sm为手动复位开关图4-4 RC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，但是时钟脉冲不再送到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表4-3所示。表4-3 空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEPSENP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据5.程序和校验方式对于内部集成有EPROM可以进入编程或校验方式。5 硬件及软件的设计5.1 硬件电路实现经设计要求及功能实现要求，本系统的设计电路原理见附录一。热释电红外传感器与单片机的硬件接口设计该设计包括硬件和软件设计两部分。该装置主要由热释电红外采集放大模块、单片机控制模块、语音报警模块和数码管显示模块组成。各模块的主要功能为：数据采集放大模块将热释电红外传感器采集到的数据放大，并将数据送入单片机，单片机将根据输入的数据信号判断现场的情况，并产生语音报警和数据显示；语音报警的地址、数码管静态显示的时钟和数据都是由单片机的输出口提供的；被动式热释电红外传感器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成；光学系统主要是菲涅尔透镜；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号，以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。5.1.1 人体检测电路人体检测电路是由热释红外传感器P228802来实现的。传感器P228802为双元型被动式热释电人体红外传感器。它采用平衡检差方式工作，只感应714um波长的活动人体红外辐射线，不会受环境温度及可见光的影响。传感器加装菲涅尔透镜可感应10m以内的人体辐射红外线。活动人体辐射的红外线被传感器检测到后，传感器将产生微弱的电信号，送到信号处理电路。其性能参数如表5-1所列。表5-1 性能参数敏感面积/m2x1敏感度（1Hz,10Hz）/VW-16500,1000敏感元件数/个2噪声/uVHz-115封装TO5NEP(500,1,1)/(W(Hz/2) -1)1x10-9窗口材料带通滤波器DK(500,1,1)/(cmHz(2W) -1)1.5x106工作电压/V315信号提升时间（065%）/ms100工作温度/-4060温度系数/(%-1)0.2储存温度/-55125偏移电压（RL=22千欧）/V0.4光谱响应/um7155.1.2 人体红外信号处理电路由于热释电红外传感器探头输出的信号幅度小（mV级）、频率低（约0.10.8Hz），因此，对随后的放大处理电路要求较高：既要达到很高的灵敏度，能有较远的作用距离，又要能准确鉴别生物体和非生物体的运动，使误报率达到最低，还要能做到体积小、耗电低、外围元件小。因此，我们采用BISS0001作为人体红外信号的处理芯片。这个芯片是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。BISS0001有很高的放大倍数，其内部有延迟时间定时器和封锁时间定时器，能够有效地抑制负载切换过程中所产生的各种干扰。BISS0001的引脚图如图5-1所示。BISS0001共有16个引脚，各个引脚的定义和功能如表5-2所列。 图5-1 BISS0001引脚图 表5-2 BISS0001的引脚功能引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为1时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳沿触发，使VO输出从低电平跳变到高电平时视为有效出发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，VO保持低电平状态3RR1输出延时时间Tx的调节端4RC1输出延时时间Tx的调节端5RC2触发封锁时间Ti的调节端6RR2触发封锁时间Ti的调节端7VSS工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接0时可使定时器复位9VCI触发静止端。当VCVR时允许触发（VR0.2VDD）10IB运算放大器偏置电流设置端11VDD工作电源正端122OUTO第2级运算放大器的输出端132IN-I第2级运算放大器的反相输入端141IN+I第1级运算放大器的同相输入端151IN-I第1级运算放大器的反相输入端161OUTO第1级运算放大器的输出端基于BISS0001的人体红外信号处理电路如图5-2所示。热释电红外传感器P2288输出的电信号，经过由电阻R和两个电容组成的低通滤波电路，滤除高频干扰噪声，送至BISS0001的14脚。经内部二级放大和双向幅度鉴别后，通过逻辑控制延时电路在BISS0001的2脚输出高电平，经过一个电阻R送至三极管9015，反相后变成低电平输出到单片机的外部中断0。图5-2 基于BISS0001的人体红外信号处理电路5.1.3 单片机系统本系统采用了89S51,由INT1进行数据采集，并通过P2口传输数据到LED显示，同时用P3.0来控制指示灯的闪烁延时报警，P3.1控制系统的报警，P3.2进行控制系统的解除报警，防止误报警。其电路如图5-3所示。图5-3 单片机系统的电路图5.1.4 LED数码管的电路设计单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（Light Emitting Diode），近年也有配置CRT显示器的。LED数码管显示器价廉、配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但应用较复杂，正本也较高。本系统只需显示数字，不需要显示图形，因此选用LED数码管显示器。在单片机中通常使用七段LED，构成字型“8”，另外还有一个小数点发光二极管以显示数字、符号及小数点，这种显示器有共阴和共阳两种，如图5-4所示。 图5-4 LED数码管本系统采用了共阴极的LED数码管,阴极连在一起的称为共阴极显示器。一位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管构成字型“8”的各个笔画ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔画即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED数码管不被损坏，需外加限流电阻。共阴极七段LED数码管显示数字0F、文字、符号及小数点的编码（a段为最低位，dp点为最高位）如表5-3所示。表5-3 共阴七段LED显示字型编码表显示字符共阴极段选码显示字符共阴极段选码03FHC39H106HD5EH25BHE79H34FHF71H466HP73H56DHU3EH67DHr31H707Hy6EH87FH8.FFH96FH“灭”（黑）00HA77HB7CHLED数码管显示器有静态显示和动态显示两种方式。本系统采用了LED数码管动态显示方式,由单片机的P2口进行控制其点亮。在多位LED数码管显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，有一个8位I/O口控制。而共阴公共端分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。图5-5所示为1位共阴极LED数码管动态显示接口电路。 图5-5 LED数码管动态显示接口电路如果是选择多位段选线皆由一个I/O口控制，则在每一瞬间，多位LED数码管会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。段选码、位选码每送入一次后应延时1ms来等待数码管响应，因人眼的视觉暂留时间0.1s(100ms),所以每位显示的间隔不能超过20ms,并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。5.1.5 报警电路其报警电路是由P3.1口输出经一个三极管送到蜂鸣器一个高电平，然后使蜂鸣器发声报警。当热释红外传感器在无触发信号输入的静态时，保持高电平；当有检测信号时，经BISS0001的人体红外信号处理电路后输出一个低电平， P3.0所接的指示灯点亮闪烁熄灭后再产生报警。其电路如图5-6所示。图5-6 报警执行电路5.1.6 单片机的复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图19所示的RC复位电路可以实现上述基本功能，图5-8为其输入-输出特性。但解决不了电源毛刺（A 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题,而且调整 RC 常数改变延时会令驱动能力变差。本系统的单片机复位电路如下图5-7所示。图5-7 单片机复位电路图5-8 输入-输出特性5.1.7 手动解除报警电路解除警报电路中的按钮一个常开开关电路，当按钮未被按下时，P3.2口输入为高电平，当按钮按下时，P3.2口输入为低电平。其该设计的手动解除报警电路如下图5-9所示。图5-9 手动解除报警电路通常的按钮所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号波形如图5-10所示。由于机械触点的弹性作用，一个按钮开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时夜不会一下子断开。因而在断开与闭合的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图22所示。抖动的时间长短由按钮的机械特性决定，一般为510ms。按钮的稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作所决定的，一般为零点几秒至数秒。键按下闭合稳定键释放前沿抖动后沿抖动释放稳定图5-10 按键时的抖动 键抖动会引起一次按键误读多次，为了确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动，在键闭合稳定时取键状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按钮的抖动，可用硬件或软件两种方法消除，本系统采用了软件消除抖动的方法。5.2 软件