二、設(shè)計(jì)任務(wù)分析1.該設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵設(shè)定、報(bào)警等。
2.本紅外線防盜報(bào)警系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、蜂鳴器、單片機(jī)控制電路、LED指示電路及軟件組成。
3.系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能：此熱釋紅外報(bào)警器安裝在禁區(qū)，按下布防鍵綠色發(fā)光二極管會(huì)閃爍，說明系統(tǒng)準(zhǔn)備開始布防，30秒鐘后綠色發(fā)光二管會(huì)長亮，說明系統(tǒng)進(jìn)入布防狀態(tài)了，當(dāng)人員外出時(shí)，可把報(bào)警系統(tǒng)設(shè)置在外出布防狀態(tài)，探測器工作起來,當(dāng)有人闖入時(shí)，熱釋電紅外傳感器將探測到動(dòng)作，設(shè)置在監(jiān)測點(diǎn)上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號(hào)，紅外熱釋電模塊送出TTL 電平至STC89C52單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行報(bào)警電路使警號(hào)發(fā)聲。
并且具有手動(dòng)報(bào)警和手動(dòng)取消報(bào)警功能，黃燈做信號(hào)指示。
三、技術(shù)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)（實(shí)施）
3.1本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
3.1.1系統(tǒng)概述1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡介
紅外線防盜報(bào)警器是當(dāng)前使用比較普遍的報(bào)警器之一，它以其靈敏度高、價(jià)格實(shí)惠，受到了廣大用戶的歡迎。但是使用每一種紅外線傳感器都有其不足之處，如抗干擾能力弱、誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重等，可靠性不夠高。目前市面上裝備主要有壓力觸發(fā)式防盜報(bào)警器、開關(guān)電子防盜報(bào)警器和壓力遮光觸發(fā)式防盜報(bào)警器等各種報(bào)警器，但這幾種比較常見的報(bào)警器都存在一些缺點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一種簡易的紅外報(bào)警器。此熱釋紅外報(bào)警器安裝在禁區(qū)，根據(jù)檢測人體自身的熱量，檢測到有人時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，并且能夠自動(dòng)或手動(dòng)取消報(bào)警。
設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了熱釋電紅外傳感器，它的制作簡單、成本低，安裝比較方便，而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安裝隱蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn)。為了探測移動(dòng)人體，通常使用雙元件型熱釋電紅外線傳感器，在這種傳感器內(nèi)部，兩個(gè)靈敏元件反相連接，當(dāng)人體靜止時(shí)兩元件極化程度相同，互相抵消。但人體移動(dòng)時(shí)，兩元件極化程度不同，凈輸出電壓不為0，從而達(dá)到了探測移動(dòng)人體的目的。
3.2硬件電路設(shè)計(jì)紅外熱釋電家庭防盜報(bào)警的硬件結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、按鍵模塊、紅外熱釋電傳感器DYP-ME003、LED指示燈和蜂鳴器報(bào)警模塊組成。電路總原理圖的框架圖如圖3-1所示：
圖3-1 總體設(shè)計(jì)框圖
處理器采用51系列單片機(jī)STC89C52。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。設(shè)置在監(jiān)測點(diǎn)上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號(hào)，送出TTL 電平至STC89C52單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)軟件查詢、識(shí)別判決等環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)出入侵報(bào)警狀態(tài)控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及報(bào)警指示燈報(bào)警。
3.2.1紅外感應(yīng)部分3.2.1.1 電源模塊
本系統(tǒng)電源電壓為4.5v，由三節(jié)干電池組成。電源模塊電路為電源開關(guān)和電源指示燈組成。SW1是電源開關(guān)，按下SW1開關(guān)后，電源指示燈D4發(fā)光指示電源情況。
3.2.1.2 熱釋電傳感器
基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品, 靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式,廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備, 尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。
實(shí)物圖片：
電氣參數(shù)：
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| L 不可重復(fù)觸發(fā)/H 重復(fù)觸發(fā) |
| 5S(默認(rèn))可制作范圍零點(diǎn)幾秒-幾十分鐘 |
| 2.5S(默認(rèn))可制作范圍零點(diǎn)幾秒-幾十秒 |
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功能特點(diǎn)：
1. 全自動(dòng)感應(yīng):人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。
2. 光敏控制（可選擇，出廠時(shí)未設(shè)）：可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。
3. 溫度補(bǔ)償(可選擇，出廠時(shí)未設(shè))：在夏天當(dāng)環(huán)境溫度升高至 30～32℃，探測距離稍變短，溫度補(bǔ)償可作一定的性能補(bǔ)償。
4. 兩種觸發(fā)方式：（可跳線選擇）
a.不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖剑?/font>
b.可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)
時(shí)間的起始點(diǎn))。
5. 具有感應(yīng)封鎖時(shí)間(默認(rèn)設(shè)置:無封鎖時(shí)間)：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號(hào)。此功能可以實(shí)現(xiàn)“感應(yīng)輸出時(shí)間”和“封鎖時(shí)間”兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。(此時(shí)間可設(shè)置在零點(diǎn)幾秒—幾十秒鐘)。
6. 工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓 DC4.5V-20V。
7. 微功耗:靜態(tài)電流<50 微安，特別適合干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。
8.輸出高電平信號(hào)：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。
感應(yīng)范圍：
3.2.1.5 信號(hào)采集處理模塊
圖3-5信號(hào)處理模塊
圖3-6實(shí)物圖
本電路是將人體輻射的紅外線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。熱釋紅外感應(yīng)2腳輸入到前置放大器OP1進(jìn)行放大，然后由C4耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大。再經(jīng)過電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間定時(shí)器輸出信號(hào)在經(jīng)過R3進(jìn)入單片機(jī)部分進(jìn)行處理。延時(shí)周期可通過R12來調(diào)節(jié)輸出，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)只要Vs發(fā)生上跳變，Vo就會(huì)從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長一個(gè)周期，而電路中的電容為了能夠更好的控制了芯片內(nèi)的定時(shí)器，若Vs一直保持為高電平，這樣就可以通過P10傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)進(jìn)行下一步處理。而根據(jù)不同的距離要求來調(diào)節(jié)R13，最大可以調(diào)節(jié)到7米左右。圖中BISS0001中1腳用跳線連連接住一個(gè)接高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)如果有人體在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才將高電平變?yōu)榈碗娖剑倦娐吩O(shè)計(jì)就是可觸發(fā)方式。
3.3單片機(jī)部分
3.3.1 STC89C52單片機(jī)簡介
（見51hei附件）
3.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-7所示。
圖3-7信號(hào)處理模塊
單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成。
STC89C52 單片機(jī)的工作電壓范圍：4V-5.5V,所以通常給單片機(jī)外界5V直流電源。連接方式為單片機(jī)中的40腳VCC接正極5V，而20腳VSS接電源地端。
復(fù)位電路就是確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到外界環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。本設(shè)計(jì)采用的是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來提高輸出高電平的值。
時(shí)鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，是向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出，該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。因?yàn)橐粋�(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us。
3.3.3按鍵控制電路 按鍵模塊是有三個(gè)獨(dú)立按鍵組成：分別為手動(dòng)報(bào)警鍵、布防鍵、取消報(bào)警鍵。
按下手動(dòng)報(bào)警鍵：當(dāng)遇到特殊緊急情況時(shí)，可按下緊急報(bào)警鍵，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲同時(shí)紅色led信號(hào)指示燈也會(huì)閃爍提示。
按下布防鍵：綠色led燈會(huì)閃爍代表布防開始，一直到綠色led燈會(huì)常亮，代表布防結(jié)束（布防時(shí)間持續(xù)30s鐘）。在此時(shí)如果有人體經(jīng)過傳感器的監(jiān)測范圍區(qū)（監(jiān)測距離為5到7m，監(jiān)測角度為小于100度）時(shí)，紅外熱釋電輸出高電平，單片機(jī)P1^3口檢測高電平，點(diǎn)亮黃色led指示燈，代表有人經(jīng)過監(jiān)控區(qū)，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，有賊入侵。
按下取消報(bào)警鍵：蜂鳴器和指示燈進(jìn)入初始狀態(tài)。圖3-8所示。
圖3-8按鍵部分
3.3.4指示燈和報(bào)警電路報(bào)警電路是有紅色led燈和蜂鳴器模塊組成。報(bào)警指示燈是有單片機(jī)輸出低電平驅(qū)動(dòng)。蜂鳴器是用pnp型的功率驅(qū)動(dòng)管S8550驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)P2^3 口為低電平時(shí)，三極管S8550飽和導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，當(dāng)單片機(jī)P2^3 口為高電平時(shí)，三極管S8550截止，蜂鳴器停止報(bào)警。電路圖如圖3-9所示：
圖3-9指示燈和報(bào)警電路
3.4軟件的程序?qū)崿F(xiàn)3.4.1主程序工作流程圖按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如下圖所示：
圖3-10主程序工作流程圖
3.5 報(bào)警判斷程序單片機(jī)檢測到紅外熱釋電傳感器的入侵信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的程序處理，分別驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈和蜂鳴器報(bào)警。利用了取反語句使得報(bào)警燈和蜂鳴器的亮滅和報(bào)警的間斷時(shí)間相同，如果沒有人來取消報(bào)警，程序?qū)?huì)繼續(xù)循環(huán)報(bào)警工作。
/******************紅外報(bào)警處理**********************/
void hongwai_dis()
{
if(flag_alarm == 1) //報(bào)警
{
red = ~red; //紅燈報(bào)警
beep = ~beep; //蜂鳴器報(bào)警
}
if(flag_bufang_en == 1) //準(zhǔn)備開始布防
{
green = ~green; //綠燈閃
}
if(flag_bufang == 1) //確認(rèn)布防
{
green = 0; //如果延時(shí)布防成功 綠燈長亮
if(hw == 1) //紅外有輸出
{
flag_alarm = 1;
}
}
}
3.6 程序編寫與調(diào)試3.6.1 Keil編譯器軟件簡介
Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。
圖15 C51工具包整體結(jié)構(gòu)圖
Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for DOS的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE 本身或其它編輯器編輯C 或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM 中。
3.7 硬件安裝及調(diào)試中遇到的問題
3.7.1安裝步驟1.檢查元件的好壞
按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測方法分別進(jìn)行檢測，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對(duì)原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。
2.放置、焊接各元件
按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。
3.7.2電路的調(diào)試首先燒入顯示程序，看顯示正不正常。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，導(dǎo)致電路功能不能完全實(shí)現(xiàn)，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長、有的過短。類似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。
四、心得體會(huì)在本次研究的是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的紅外報(bào)警器。該系統(tǒng)主要是有單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、紅外熱釋電傳感器部分、蜂鳴器報(bào)警模塊、led狀態(tài)指示燈和按鍵模塊組成。。外部不可接上拉電阻，否則會(huì)影響紅外熱釋電傳感器的正常工作。此設(shè)計(jì)上有三個(gè)led信號(hào)指示燈,分別為紅色燈，綠色燈和黃色燈。紅色燈代表報(bào)警信號(hào)指示，綠色燈代表布放信號(hào)燈指示，黃色燈代表DYP-ME003紅外熱釋電傳感器信號(hào)指示燈。按鍵部分也有四個(gè)按鍵，分布代表復(fù)位鍵（屬于單片機(jī)最小系統(tǒng)部分），左邊第一個(gè)燈為手動(dòng)報(bào)警鍵，按下此鍵蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲同時(shí)紅色led信號(hào)指示燈也會(huì)閃爍提示。左邊第二個(gè)鍵為布防鍵，當(dāng)按下此鍵，綠色led燈會(huì)閃爍代表布防開始，一直到綠色led燈會(huì)常亮，代表布防結(jié)束（布防時(shí)間持續(xù)30s鐘）。報(bào)警器的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低。隨著現(xiàn)代人們安全意識(shí)的增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信報(bào)警器必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。
試驗(yàn)中在進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)與protues仿真的過程中遇到了很多問題，例如在Altium designer里并沒有at89c52，這就需要自己設(shè)計(jì)一個(gè)c52庫，在這個(gè)上面我花費(fèi)了大量的時(shí)間在管腳以及電器封裝。當(dāng)進(jìn)行protues仿真時(shí)，我認(rèn)識(shí)到仿真并沒用想象中那么容易，此次設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的紅外熱釋電傳感器的型號(hào)是DYP-ME003，此傳感器在上電是需要1分鐘左右的時(shí)間才能穩(wěn)定，有效電平為高電平，平時(shí)為低電平狀態(tài)。他是一個(gè)復(fù)雜的集成模塊，其中包括紅外探測器，光學(xué)放大原件，以及電路設(shè)計(jì)。DYP-ME003可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為高低電平，這個(gè)部分在仿真中只能用開關(guān)代替。
附件一：總體原理圖設(shè)計(jì)
附件二：仿真圖附件三：程序源代碼
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