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青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 1 一 摘要一 摘要 近年来 随着改革开放的深入发展 电子电器的飞速发展 人民的生活水 平有了很大提高 各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有 然而一些 不法分子也是越来越多 这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强 造成偷盗 现象屡见不鲜 因此 越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧 现在很多小区都安装了智能报警系统 因而大大提高了小区的安全程度 有效保证了居民的人身财产安全 由于红外线是不见光 有很强的隐蔽性和保 密性 因此在防盗 警戒等安保装置中得到了广泛的应用 红外报警器大多数 采用国外的先进技术 其功能也非常先进 其中包括被动式热释电型红外报警器 还有红外监控无线报警器 超声波防盗报警器 红外线防盗报警器 高灵敏红外报 警器 触摸式延时防盗报警器 触摸式防盗报警器 红外报警器 红外线声先报 警器 防盗报警系统是在探测到防范现场有入侵者时能及时发出报警信号的专用 电子系统 一般由探测器 报警器 传输系统和报警控制器组成 探测器检测 到意外情况就产生报警信号 通过传输系统送入报警控制器发出声 光或其他 报警信号 7 探测器 报警器 的种类很多 按所探测的物理量的不同 可分 为微波 红外 激光 超声波和振动等方式 按电信号传输方式不同 又可分 为无线传输和有线传输两种方式 8 由于红外线是不见光 有很强的隐蔽性和 保密性 因此在防盗 警戒等安保装置中得到了广泛的应用 这时红外线报警 器的简易 灵敏度高为人们解决了不少问题 但是市场上的报警器大部分都是 用于一些大公司财政机构 价格高昂 一般人们难以接受 如果再设计和生产 一种价廉 性能灵敏可靠的防盗报警器 必将为大多数需求者所利用 在人们 的防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用 本课题尝试用价格低廉 应用普遍的 AT89C51 单片机控制的电路来设计一 个主动式对射式的红外线防盗报警器 期望达到方便 实用的效果 关键词 红外探测 单片机 报警器 红外对管报警器 2 二 总体设计方案 该系统以单片机 AT89C51 系列为核心 采用红外线发射管和红外线接收管 为发射和接收装置 由反相器芯片反相间接控制 CPU 工作 在 CPU 程序运行以 后控制输出口电平使得蜂鸣器器与发光二极管组成的声光报警电路同时进行声 光报警 红外对射管由红外发射管和红外接收管两部分组成 红外发射管在外 加电压的情况下可以产生出红外线 红外线是一种光线 具有普通光的性质 但又不同于普通可见光 它不会被察觉 4 红外线具有可以光速直线传播 强 度可调 可以通过光学透镜聚焦 可以被不透明物体遮挡等等诸多优点 5 红 外接收管是与发射管配对的特制二极管 它可以接收到红外发射管发射出的红 外线 并产生微小的光电流 可以使用一对红外线发射与接收的装置 构成红 外线的对射系统 称为主动式红外线应用系统 使用中 经常配对出现 当红 外线收 发装置之间的隐形光路被阻挡时 接收装置可以立即察觉到 发出警 示信号 6 利用这种对射系统 可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控 还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面 红外线发射与接收的方式 有两种 其一是直射式 其二是反射式 直射式指的是发光管和接收管彼此相 对安放在发射与受控物的两端 中间相距一定距离 反射式指发光管与接受管 并列一起 平时接收管始终无光照 只有在发光管发出的红外光线遇到反射物 时 接收管收到反射回来的红外光线才工作 7 本次设计的是运用直射方式的 红外对射管 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 3 三 红外报警器介绍 3 13 1红外报警器的分类与基本工作原理 在光谱中波长自 0 76 至 400 微米的一段成为红外线 红外线是不可见线 所有高于绝对零度 273 16 的物质都可以产生红外线 现代物理学称之为 热射线 医用红外线可分为两类 近红外线与远红外线 红外报警器因其信号发生源不同可以分为主动式红外报警器和被动式红外报警器 1 主动式红外报警器 主动红外入侵报警器是由发射机和接收机组成 发射机是由电源 发射源 和光学系统组成 接收机是由光学系统 光学传感器 放大器 信号处理器等 部分组成 主动红外报警器是一种红外线光束遮挡性报警器 发射机中的红外 发光二极管在电源的激发下 发出一束经过调制的红外光束 经过光学系统的 作用变成平行光发射出去 此光束被接收机接收 由接收机中的红外光电传感 器把光信号转换成信号 经过电路处理后传给报警控制器 由发射机发射出的 红外线经过防范区到达接收机 构成了一条警戒线 正常情况下 接收机收到 的是一个稳定的光信号 当有人入侵该警戒线时 红外光束被遮挡 接收机收 到的红外信号发生变化 提取这一变化 经过放大和适当处理 控制器发出报 警信号 2 被动式红外报警器 红外对管报警器 4 被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动 人体的红外能连与环境有查遍 当人通过探测区域时 报警器收集到的这个不 同的红外能量的位置变化 进而通过分析发出报警 人体都有恒定的体温 一 般在 37 度左右 会发出特定波长 10 m 左右的红外线 被动红外报警器就是考 探测人体发出的 10 m 左右的红外线进行工作的 人体发射的 10 m 左右的红外 线通过滤光片曾前后聚集到红外感应源上 红外感应源通常采用热释元件 这 种远见在接受到人体红外辐射温度发生变化时就会失去点和平衡 向外释放点 电荷 后续电路经检测处理后就能产生报警信号 3 23 2红外报警器的设计与要求 1 该设计包括硬件设计和软件设计两个部分 模块划分为数据采集 数 据处理 报警和温度显示 2 本红外报警器系统包括红外对管 单片机最小系统 18B20 温度显示 蜂鸣器等元器件 3 系统可实现功能 当人员外出时 可把报警系统设置好 当有人闯入 时 遮挡住红外信号 红外接收头接受不到红外信号 通过单片机最小系统控 制使蜂鸣器报警 同时 DS18B20 温度传感器检测当时环境温度 由单片机的最 小系统控制 通过液晶屏 1602 显示温度 4 红外报警器具有隐蔽性 有效判断是否有人进入 能尽可能地增加防 护范围 当然 系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 5 四 主要元器件的特点及使用四 主要元器件的特点及使用 该设计主要用到以下元器件 红外对管 单片机 温度传感器 液晶屏 4 14 1 红外对管 红外对管是 红外线发射管与光敏接收管 或者红外线接收管 或者红 外线接收头配合在一起使用时候的总称 红外线发射 器 红外线接收管 功能与光敏接收管相似只是不受可见光的干扰 属于光敏二极管 只对红 外线有反应 红外线接收头 就是在红外线接收管的基础上进行放大的信号的作用 类似与三极管的放 大效果 红外对管报警器 6 4 2单片机 单片机是一种集成在电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I O 口和中断 系统 定时器 计时器等功能 可能还包括显示驱动电路 脉宽调制电路 模拟 多路转换器 A D 转换器等电路 集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计 算机系统 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位 微处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该 器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令 集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 89C51 是一种高效微控制器 89C2051 是它的一种精简版本 89C 单片 机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 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 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 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 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 7 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 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 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 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H 红外对管报警器 8 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 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 振荡器特性 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 4 3 温度传感器 DS18B20 单线数字温度传感器由 DALLAS 半导体公司生产的 DS18B20 型单线 智能温度传感器 属于新一代适配微处理器的智能温度传感器 可广泛用于工业 民用 军事等领域的温度测量及控制仪器 测控系统和大型设备中 它具有体 积小 接口方便 传输距离远等特点 DS18B20 性能特点 美国 DALLSA 半导体公司的 DS18B20 是世界上第一片支持 单总线 接口 的数字式温度传感器 能够直接读取被测物的温度值 它具有 TO 92 TSOC SOIC 多种封装形式 可以适应不同的环境需求 其测量范围在 55 123 10 85 之间内的测量精度很高 DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成与一个芯片之上 从而抗干扰 力更强 其一个工作周期可分为两个部分 即温度检测和数据处理 在讲解其 工作流程之前我们有必要了解 18B20 的内部存储器资源 18B20 共有三种形态 的存储器资源 它们分别是 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 9 1 ROM 只读存储器 用于存放 DS18B20ID 编码 其前 8 位是单线系列编 码 DS18B20 的编码是 19H 后面 48 位是芯片唯一的序列号 最后 8 位是以 上 56 位的 CRC 码 数据在出厂时设定不由用户更改 DS18B20 共 64 位 ROM 2 RAM 数据暂存器 用于内部计算和数据存取 数据在掉电后丢失 DS18B20 共 9 个字节 RAM 每个字节为 8 位 各个引脚的功能 GND 为电压低 DQ 位单数据总线 VCC 位电源电压 NC 为 空引脚 五 电路设计及软件设计 5 1 整体电路设计 5 2 红外对射电路 红外对管报警器 10 5 3 运算放大器部分 5 4 程序设计 include include include include LCD1602 h include ds18b20 c include 38khz c define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit OUT P2 2 sbit P32 P3 2 uchar bInt0 0 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 11 uint mstcnt 0 uchar t set bit outflag bit write 0 bit flag bit flag2 bit TR1 flag 控制蜂鸣器报警 uchar code str0 system running uchar code str1 OK SA C uchar code str2 wrong SA C void init timer0 void void displayfun1 void uchar ReadOneChar void void WriteOneChar unsigned char dat void ReadTemperature void void playalarm void LCD display function void displayfun1 void WriteCommandLCM 0 x0c 1 DisplayListChar 0 0 str0 DisplayListChar 0 1 str1 DisplayOneChar 11 1 temp1 10 0 x30 DisplayOneChar 12 1 temp1 10 0 x30 DisplayOneChar 14 1 temp2 10 0 x30 void display if TR1 flag 为 0 时显示 OK 为 1 时显示 WRONG DisplayListChar 0 1 str1 displayfun1 delay LCM 1000 else DisplayListChar 0 1 str2 displayfun1 delay LCM 1000 timer t0 initialization 红外对管报警器 12 void init timer1 void TMOD TMOD 0 x12 TH1 0 x3c TL1 0 xb0 EA 1 ET1 1 TR1 1 void timer1 void interrupt 3 using 0 TH1 0 x3c TL1 0 xb0 OUT OUT OUT 1 蜂鸣器长鸣 mstcnt if mstcnt 400 蜂鸣器响 10 秒 mstcnt 0 TR1 0 TR0 1 flag 0 停止报警 进入正常模式 TR1 flag 0 切换显示 OUT 0 the main funtion void main void int mcu P1 0 xff initialize p1 delay LCM 500 500ms time delay initLCM initialize LCD init timer1 initialize Timer0 Init DS18B20 initialize Ds18b20 DisplayListChar 0 0 str0 DisplayListChar 0 1 str1 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 13 out high 测试输出 38k 载波 TR1 flag 0 while 1 TR0 1 if flag flag 为 0 时正常显示 为 1 时执行报警 OUT 0 TR0 1 TR1 flag 0 ReadTemperature read temperature display for m 0 m 8 m 读取 P32 状态 8 次 若有高电平则报警 if P32 delay LCM 50 if P32 flag 1 flag2 1 TR1 flag 1 else delay LCM 100 else if flag2 TR0 0 关定时器 0 停止发送脉冲 TR1 1 启动定时器 1 蜂鸣器响 display flag2 0 六 红外报警器制作与调试 6 1 走线应注意的问题 线路板的好坏直接影响着放大器的性能 不好的线路板 会使信号产生歧 变 产生本底噪音生尖峰脉冲干扰等 为了尽避免上述影响 线路板在线出尽 红外对管报警器 14 量做到 接照信号的传输路径由小到大的顺序在电路板上各路的布置各元器的 位置 尽量缩短各元器件之间的距离 以减少外部干扰的引入和不必要的干扰 在供电线路中 大电流通过的路径应尽量设计得实一些 以降低电源内阻 使 电流能顺利通过 在供电线路中 应尽量避免大电流的印刷电路式导线交布置 在小电流通路的中间式附近 以免造成对小电流的干扰 走线时 应尽量走大 于 90 度直角的线以防止产生尖峰脉冲造成干扰 在焊接的时候都是通过手工完 成 在打孔时也是通过手工操作电钻完成 而我们并不是这方面的技工 这将 在打孔的时候无法避免一些技术失误 如果焊盘的直径过小 在打孔时 孔稍 微大了一点 焊盘便没有了 所以在设计旱盘大小是都设置为大于 2 毫米 线 的宽度问题很重要 由于在学校的条件是手工腐蚀铜板 考虑到热转印中 炭 粉的吸附与脱落问题 防止出现断线的情况 布线宽为 1 5 2 5 毫米 地线则尽 可能的加宽 设置为环绕在板的边缘 大功率元件与小功率元件尽量分开布线 在焊接的过程中要先将体形小的元器件比如电阻 瓷片电容先焊接好 然 后再焊接芯片的插脚和其他体积较大的元器件 焊接好后用数字万用表检测电 路是否有短路和断路以及虚焊现象 6 2 调试 在调试的过程中 我先调试红外对射部分的电路 接通电源后 发现发光二极 管不亮 我对照原理图和 PCB 板用数字万用表检测每个元器件引脚的电压值 发现原来在画图的时候三极管的三个引脚接反了 我将三极管重新焊接后 发 光二极管点亮 然后我将写好的程序烧录进单片机调试整个电路的工作情况 由于我事先在仿真器上已经将程序的调试成功 所以当单片机放入电路后用手 阻挡了其中一个红外对射的通路 蜂鸣器发出警报并且数码管显示 1 当我 按下解除警报的按钮后 蜂鸣器不发出声响 整个电路完成 青 岛 滨 海 学 院 毕 业 设 计 15 致谢 本人设计的课题是红外线防盗报警器 经过几个月的思考和准备 通过对 课题的设计 大大提高了自己各方面的能力 例如对书本基础知识的掌握程度 对资料的查找方法 对自己知识面的扩展都不得有相对的提高 但在这其中 也有自己茫然和不知所措的一面 当初决定做此课题时 不知该从何下手 头 脑中也一片空白 后来经过老师对课题的剖解 头脑中才逐渐有了轮廓 资料搜集花费了大量时间 在此过程中我了解到采集的资料不能从头至尾 的抄写 而要取己所需 认为有价值的材料才能引用 后来在网上 请教经验 丰富的老师 终于获得了第一手资料 然后在其中加入自己的思想 通过对材 料和自己构思的组织整理 渐渐有了头绪 万事开头难 只要把前段的准备工 作做好了 后面的工作自然就可以顺利很多了 梅花香自苦寒来 经过几个月不断的修改及创新终于看到了自己的劳动成 果 终于完成