毕业论文-用于实验室的智能防盗报警设计

1、.2热释电红外传感器2.2.1 热释电红外传感器的工作原理这种能够发射红外线和接受红外线的器件称为红外线传感器4。红外线传感器根据其机理不同分为两大类。一类为主动型红外线传感器，一类为被动型红外线传感器。本论文采用的是主动型红外线传感器，它也叫做热探测传感器。这类传感器可用来直接接受目标物体发射的红外线并将其装换为电压信号输出，它不需要红外线发射传感器。热释电红外传感器的工作原理：自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。当受到红外辐射后，其内部温度会升高，介质内部的极化状态便随之降低，它的表面电荷浓度也降低了。这也就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电介质的热释电效应。将

2、释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。2.2.2热释电红外传感器的基本结构与类型热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤波片和场效应管匹配器三部分组成。按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。按照热释电红外传感器的用途分，有以下几种：用于测量温度的传感器，它的工作波长为120um；用于火焰的探测的传感器，它的工作波长为4.350.15um；用于人体探测的传感器，它的工作波长为715um6。将高热电材料制成一定厚度的薄片并在其两面镀上金属电极，然后加电进行极化，这样便制成

3、了热释电探测元。2.2.3菲涅尔透镜菲涅尔透镜是人体热释电红外传感器不可缺少的组成部分10，其作用有二：一是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外元上；二是产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求不断变化的要求。菲涅尔透镜一般用塑料制造，先将塑料加工成薄镜片11，然后对镜片进行棱状或梳状处理，使镜片成为高灵敏区和盲区交替出现的透镜。在使用时，将热释电传感器安装于透镜的焦点区，这样当有人在镜前移动时，其辐射的红外线就会通过透镜形成高灵敏区和盲区交替出现的红外辐射并传到传感器的探测元上，使探测元产生时弱时强的或时有时无的电脉冲信号，并通过阻抗变换器的变换由输出端输出。图2-2 菲涅

4、尔透镜的外形和视场图菲涅尔透镜的主要技术指标有：外形尺寸，根据传感器和探测需要来设计和产生不同尺寸的透镜。水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。2.2.4 红外传感器的应用热释电红外传感器可在入侵警报器、移动侦测器、自动照明以及自动门控制等方面的设计电路中应用。3.硬件系统设计本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路。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

5、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、软件设计等几个阶段。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、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3-1总体设计框图所示。图3-1系统框图处理器采用51系列单片机AT89C51。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，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电

6、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10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。3.1 时钟电路的设计时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的典型值为12MHZ。MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件3。AT89C51是属于CMOS8位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于NMOS型的单片机。XTAL1和XTAL2

7、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。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。如图4所示为时钟电路。图3-2 晶振电路3.2复位电路的设计计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入(对于CHMOS单片机，RST引

8、脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后该引脚上出现2个机器周期(即24个时钟周期)以上的高电平，使器件复位7，只要RST保持高电平，MCS-51保持复位状态。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都 输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2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。本设计采用的是自动复位电路。如图5示为复位电路。 图3-3复位电路3.4电源模块设计考虑采用典型的变压器降压，全波整流

9、，电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。由于单片机及后续的无线接收电路等都用5 V作为工作电源，所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压，为后续电路提供稳定可靠的5 V直流电源，三端稳压集成电路采用LM7805。具体电路图如图5。图3-4 电源电路图3.3红外信号采集及其处理本设计所用的热释感器采用这种人体感应模块的结构。其工作电路原理及设计电路如图7所示, 当人体感应模块感应到人体移动信号时，输出out为高电平。其中三极管类似于开关作用，当高电平导通时，电流方向为电源三极管P1.0口，即此时P1.0口处于高电平状态。单片机通过红外传感器输入的高电平，控制发光二极管报警电路和声音报

10、警电路的工作状态。从而可以起到防盗报警的目的。当三极管没有导通时，三极管相当于开路状态，由于下拉电阻R4的缘故，常态下P1.0口处于低电平状态。 图3-5 热释电红外传感器原理图 图3-6 声光报警原理图3.5 声光报警电路的设计 该设计有报警电路，布放状态下检测到人时，蜂鸣器就会发声提示，LED同时会亮起，直到主人按下撤防，才会停止鸣叫，控制引脚接在P1.3引脚上，利用三极管当做开关电路可以保护单片机，还可以起到放大电流的作用，当三极管为高电平时，发射极截止，为低电平时，发射极导通。当P1.3引脚给低电平时，电流方向为电流到三极管，再到蜂鸣器，蜂鸣器和小灯并联，然后电流再到负极。其中R5为分

11、压电阻，避免将小灯烧坏，电源为5V，小灯3V左右就可以亮，分压电阻普遍选的是1.1k到10k5,R3为限流电阻。报警模块如图3-6所示。3.6数码管模块的设计显示电路是由一位共阳数码管显示，单片机控制数码管每段的高低电平，从而实现数码管的显示。常用的七段显示器的结构如下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器(如图3-7所示)，阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图c所示)。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。此外，要画出电路图，首

12、先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来。 （a）外形 （b）共阳极 (C)共阴极图3-7 数码管引脚3.7硬件电路的选择及说明从下图的硬件电路图，分析可知在本设计中要用到如下模块：51单片机 AT89C51、由热释电红外传感器组成的检测模块、由LED组成的发光报警模块、由蜂鸣器组成的声音报警模块等一些单片机外围应用模块，以及单片机的自动复位电路和晶振电路等。本文设计的题目是用于实验室智能防盗报警设计。本系统的工作原理是当有人进入红外传感器的检测范围，红外传感器把检测到的信号输入单片机。单片机通过红外传感器输入的高低电平去控制报警电

13、路，以来通知主人有人进入，从而起到防盗的目的。图3-8系统硬件电路4. 程序设计4.1主程序设计 主程序的主要功能是负责检测人体的热信号、显示并处理子程序显示的结果，当红外热感应器检测到人体热信号时，蜂鸣器发声报警。 主程序流程图如图4-1所示。YYN初始化调用子程序人体热信号报警处理开始结束图4-1程序主流程图4.2中断子程序设计（1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率）14，然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。定时时间为1s 报警蜂鸣

14、声音为1KHZ=(1/(500us*2)。所以中断为500us，中断一次21H加1，直到256*500us，22H加1，到22H.3为1，即256*500us*8=1.024s。（2）利用89C51的内部定时器使其工作在计数模式MODE2下15。中断子程序流程图如图4-2所示。中断程序开始中断程序开始TO初始化TO初始化保护现场保护现场定时单元定时单元N满1SN满1S读取THO读取THOYY恢复现场恢复现场图4-2 中断程序流程图4.3显示子程序设计显示数据子程序的主要功能就是把热红外感应模块检测到结果经单片机处理完毕的距离显示在八段数码管上。显示数据子程序流程图如图4-3所示。开始开始数据传

15、送显示数据结束YN图4-3显示数据子流程图4.4报警子程序设计报警子程序的主要功能是热感应模块检测到人体热信号时，能够使声光从而达到报警的目的。报警子程序流程图如图4-4所示。 YY开始检测到热信号Y声光报警结束 图4-4报警子流程图5系统仿真本设计通过利用Proteus仿真，将所编写的程序用Keil软件编译，所仿真原理图如下图所示。图5-1系统仿真图本设计所要求达到的目标是在接收到人体感应模块带来的高电平信号，可使图中的红灯由暗变亮，蜂鸣器产生报警，可观察到红灯亮，同时蜂鸣器发出鸣叫声。下图为布防和声光报警的两张实物图片:6.系统分析与调试本设计是在Keil C环境下开发的，Keil C软件

16、支持C语言的编程及调试，运用方便，是做C语言毕业设计者的首选。设计的首要任务是安装和学习使用这个软件，在简单的学习和了解Keil C后，在编译完Keil C后，再运用STC_ISP_V480软件烧录到开发板上，实现实物与程序的连接。在烧录前要对STC_ISP_V480进行一些必要的设置。第一步：设置MCU Type为STC89C51RC；第二步：打开编写好并编译的程序文件，它是以.hex为后缀的文件；第三步：选择对应的COM端口，（可在我的电脑的设备管理处查看COM选项）；第四步：点击Download/下载，等提示请给MCU上电时，打开开发板上的开关，它就自行烧录了。Keil C程序运行如图6

17、-1所示，下载图如图6-2所示：图6-1keil C运行图在完成对程序的调试及烧录之后，还要对功能进行测试，首先用万用表测试电源和地有没有短路，然后再对设计进行通电。最开始要对主控板进行测试，因为它是核心，按下按键看下数码管是否显示正常，当显示“b”会显示30s，当“b”灭掉之后按下“sos”按键看系统会不会报警，如果报警则系统基本正常，再按下“c”撤防。按键功能正常后，在测试人体感应部分，按下布放后，将设计放在无人的地方（或是用东西盖住），当“b”灭掉之后，让人体感应模块感应人体，主控机会显示“一”。图6-2 程序烧录运行图本次设计出现的问题及解决方法：万用表检测是否短路时，发现有短路显现，

18、经过排查，发现数码管接错，数码管的两个“com”接口是相通的，都接电源或只接一个。我将两个分别接了电源和地，改正后，无短路现象。程序烧录不了，当用同学的电脑烧录时，可以烧录，最后发现是串口的com端口选择错误，每个电脑的端口都不一样的。要用“串口调试助手”测试。蜂鸣器一直在响，问题应该出现在驱动哪里。最后确定是三极管出了问题，设计中应该用pnp型三极管结果误选了npn型的，换过之后可以正常报警。当布防灭掉之后就报警，人体感应模块根本没有检测到人体为什么会报警呢？通过电路的排除和查阅资料，最终确定是人体感应模块的延时调到了最大，由于刚开机的时候会检测到人体，就一直有电平输出，放在无人的地方时，还

19、处于延时状态，当布防后，还保持输出信号，所以会报警。总结通过本次毕业设计，使我对所学的单片机以及电路制图等方面的知识得到了巩固，并且有了进一步的深入了解。通过查阅和收集了大量的相关资料，通过计算和分析，终于将设计圆满的完成。在设计过程中，让我发现仅仅有理论知识是完全不够的，实践的东西也是相当重要的。只有将理论和实践很好的相结合起来才能更好的完成自己的工作。这对我以后的学习和工作有了很大的帮助。 还有就是让我对报警器的制作流程也有了一定的了解。从得到指标开始，设计原理图，PCB图，焊板，调试。这里让我知道。对待要调试验证的掉路，一定要优先保证连接上的畅通，仔细检查是不是有虚焊，漏焊的存在。还有就是要注意我们采用的器件是不是符合设计的要求。最后还要通过通电之前的数据测量检查一下电路的安全情况。回到这次的设计上来。本设计是一套防盗报警系统，其主要的功能是人体探测器检测到异常状况时把信号传递给主机，主机通过处理将警情信号传给报警器发出报警声，同时能显示出出现警情的具体位置。通过这次设计让我发现了自己的很多不足之处，比如实际动手能力差等等。让我明白了自己需要提高的地方还很多，需要学习的也很多。参考文献1焦玉全 俞伟钧 等主编 .MCS-51单片机原理及应用M.东南大学出版社，2010.2雷伏容 张小林 崔浩 编著 .51单片机常用模块设计查询手册M.清华大学出版社，2010.3楼然苗 李光