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基于AT89C51單片機的紅外防盜報警器設計 The design for infrared burglar alarm
學生姓名XXXXX
班級XXXXXXXXXXXXXX
學號XXXXXXXX
指導教師XXXXX
目錄摘 要 Abstract 目 錄 第一章 緒論 1.1 選題背景 1.2 報警系統發展的歷史和現狀 1.3家庭防盜報警系統未來發展趨勢 1.4 設計任務與要求 第二章 主要元器件選擇與介紹 2.1 傳感器介紹 2.1.1 熱釋電紅外線傳感器簡單介紹 2.1.2 熱釋電紅外傳感器結構 2.1.3 熱釋電效應 2.1.4 菲涅爾透鏡及其基本原理 2.1.5 熱釋電紅外傳感器工作原理 2.1.6 熱釋電紅外傳感器引腳圖介紹 2.2 AT89C51單片機簡單概述 2.2.1 AT89C51單片機的結構 2.2.2 AT89C51管腳說明 第三章 系統硬件設計 3.1 整體設計方案 3.2 信號放大電路 3.2.1 主要電路元件介紹 3.2.2 實現功能 3.2.3 原理分析 3.3 比較電路 3.3.1實現功能 3.3.2原理分析 3.4聲音報警電路 3.4.1 主要電路元件介紹 3.4.2 實現功能 3.4.3 原理分析 3.5燈光警示電路 3.5.1 主要電路元件介紹 3.5.2 實現功能 3.5.3 原理分析 3.6 顯示電路 3.6.1 主要電路元件介紹 3.6.2 實現功能 3.6.3 原理分析 3.7供電電源電路 3.7.1 主要電路元件介紹 3.7.2 實現功能 3.7.3 原理分析 3.8 單片機最小系統 3.8.1 主要電路元件介紹 3.8.2 實現功能 3.8.3 原理分析 第四章 系統軟件設計 4.1 單片機程序語言設計 4.1.1 單片機匯編語言程序設計的基本步驟 4.1.2 匯編語言程序設計方法 4.1.3 Keil 簡介 4.2 報警系統的程序設計 4.2.1主程序流程圖 4.2.2 中斷函數流程圖 第五章 總結 參考文獻 致 謝 附錄一：設計編程程序 附錄二：硬件電路圖
第一章 緒論
1.1 選題背景隨著社會科學的不斷進步和發展，人們生活水平得到很大的提高，對個人私有財產的保護越來越重視，因而對于防盜的措施提出了更高的要求。本設計就是為了滿足現代生活防盜的需要而設計的應用于家庭、車庫、倉庫和保險柜等處進行防盜監控的無線防盜報警裝置。 目前市面上防盜裝備主要有開關式電子防盜報警器、壓力觸發式防盜報警器和壓力遮光觸發式防盜報警器等各種報警器，但這幾種比較常見的報警器都或多或少的存在著一些缺點。本設計的紅外線探測防盜報警器是基于紅外光的不可見性而設計的，具有報警精確度高、誤報率低、設備安裝隱蔽等特點，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用。這種熱釋電紅外傳感器可以通過非接觸形式的檢測接收人體輻射的紅外線，并且將其轉變為電信號，通過各部分電路進行報警。同時，熱釋電紅外傳感器不僅可用于防盜報警裝置，也可用于接近開關、制動控制、遙測等各個領域。 1.2 報警系統發展的歷史和現狀從上世紀初開始，報警系統就已經開始在北美形成雛形。在北美，報警求救箱放置在各個街頭巷尾，在求救時發出聲響提示，用來尋求附近警察的幫助；這種呼救箱同時直接連接到附近的警察局，使得一些更遠的警察也可以接收到求救信息。隨后，由于通信技術的發展，提供遠程通信技術服務的電報公司開始加入到了這個行業中，使得報警信息可以傳送到更遠的地方；不過，由于這種電報方式難以普及，所以稍后出現的電話就理所應當的成為報警通信的主要方式。而此后出現的自動撥號系統以及電話迅速的普及，更加使得通過電話報警的方式得到了更加前所未有的發展。 從上面的過程來看，報警行業的出現、發展離不開工業技術發展，只有通過良好的通信手段，才能把個不同地區的報警信息匯聚到不同的相關部門，然后由各個部門負責分配極其有限的警力來幫助所有需要幫助的個體。 目前，對于北美的安全防范產業來說，最成功的經營模式無疑就是聯網報警服務模式，聯網報警可以將整個北美的安防產業進行從橫向到縱向的整合串并，并且形成了一個集多種高科技技術和產業化管理于一體化的綜合性產業。比如2011年世界排名第一的北美最大的安防跨國公司一泰科安防（ADT SECURITY）公司，泰科安防已經為全球740多萬民用、商業、工業、以及政府部門客戶提供安防服務，其中就包括90%的世界財富500強公司。泰科安防的年銷售收入高達70多億美元，經營覆蓋了全球40多個國家和地區，提供全面的安防和安全解決方案。現在全世界90%的世界財富500強公司美國50家最大的全國性及區域性銀行控股公司中的半數美國72家大中型機場。美國30座最繁忙的機場中，19家使用ADT的服務全球最大的100家零售商中，80%使用ADT的服務。 我國從1979年開始公安部在石家莊市召開了“全國刑事技術預防專業工作會議”，會議上提出要大力開展安全技術防范工作，技防工作作為公安業務的組成部分就從這里開始被正式提出來了。事實上我國的技防工作早在60年代就已經開始出現了，那時候由于形勢所迫，銀行，博物館都開始自發的采用各種各樣的防范手段，這是我國技術防范工作的初級階段。 當時采用的手段主要是聲控報警。當罪犯撬玻璃和砸展柜時所產生的聲音傳到值班室時。值班室的人員判斷出罪犯正在行竊，并及時報告給領導和有關部門，組織布置保衛人員和警力將犯罪分子包圍后并將其抓獲。 1982年公安部和公安部第一研究所，根據當時的防盜報警技術為故宮許多的展廳安裝了各種主動紅外式、被動紅外式、超聲波式、微波式、聲控式等防盜探測器，形成了多種探測手段于一體的防盜報警系統，此時我國的防盜報警技術已經提高到了一個新水平。 1984年以后是安防事業在我國進入了普及和提高的階段，而且發展迅速。此時各個銀行、博物館、商場、超市、居民小區等都陸續開始建立了各種安全防范系統。 進入90年代以后，人們越加注意到周邊安全防范的重要性，慢慢開始利用周邊的圍墻，鐵柵欄等屏障建立了周界防范，如果沒有條件形成完整的周界防范，也要建立相應的防范區。在防護區和禁區內采用多種不同探測原理的探測器構筑多道防線，與此同時防遮擋功能的探測器已經問世，進一步促進了入侵探測器技術的發展。 目前，我國的安防技術已經基本上和國際接軌。在現代通信技術、自動控制技術和現代計算機技術的支持下，安防系統已經形成了一個十分完善的計算機控制系統，防盜報警系統，聲音系統，電視監控系統，門禁系統和巡更系統等統一由同一臺計算機進行調控管理，標志我國的安防事業有邁進了一個新的階段。 1.3家庭防盜報警系統未來發展趨勢隨著個人安全防范意識的提高，以及各種智能樓宇建筑的蓬勃發展，現在防盜報警系統的容量也在迅速增大，報警探測器由一開始的幾個、十幾個增加到了上百、數百個。防范區域面積的擴大、施工布線的復雜、探測器分布位置的后期調整和擴容等等，都對整個防盜報警系統的控制管理方式乃至整個系統設計架構又提出了新的要求。 防盜報警系統中的通訊方式一般包括報警探測器和報警控制器之間的聯網，以及報警控制器和控制中心之間的聯網。在實際的施工部署過程當中，為了能夠更加靈活的搭配探測器的布線和數量，探測器和報警控制器之間大多數仍然采用了傳統的開關量信號傳輸，而報警控制器和控制中心之間的聯網則是整個系統是否能夠穩定靈活擴展的關鍵所在。 使用電話線聯網的方式運營費用較高、聯網速度較慢，為解決多用戶同時報警造成線路堵塞的問題，此時接警中心就需要配置多臺接警控制器和多路通訊鏈路。而專用總線聯網的方式運營成本較低、聯網速度較快，但是覆蓋面積范圍很小、線路鋪設可靠性比較差、傳輸很容易受干擾。 防范區域的不斷加大使得報警系統的監控范圍不斷延展，這樣使得分布在各個不同地區的報警控制器必須要有更完善、更先進的通訊網絡來支撐，控制中心的安保監測人員才有能力對整個系統內的所有探測器的報警狀態進行全面了解，傳統的聯網方式在面對這類情況的變化時已經難以為繼，此時以聯網報警技術的出現則使得這一要求的實現成為了可能。 防盜聯網報警是一種“人防、技防、物防”三防相結合的安全防范體系，是目前安防界公認的最為有效的安全防范措施。聯網報警的應用廣泛，用戶花非常低的投入就可以獲得全方位、全天候的安全防范措施。為用戶提供全天24小時值班，同時提供巡防、接警、出警等服務，最大程度保障用戶的安全。若期間產生相關財產損失，損失的部分將按照聯網報警服務中心為用戶贈送的保險取得相應賠償。在我國很多城市，聯網報警已經成為了社會安全防范的重要舉措。其技術發展的主要方向主要有以下幾點。 （1）聯動集成化 多系統多平臺的集成已經成為安防系統發展的一個主要方向，防盜報警系統也不例外。其中，對報警信息進行視頻復核的強烈市場需求使得防盜報警系統與視頻監控系統之間實現集成聯動最具必要性。如果監控區域內出現警情，安保人員一般不可能迅速出現在現場，如果同時出現多處警情，也無法分身去多個地方。如果防盜報警系統能夠聯動視頻監控系統，就可以在控制中心即時觀察報警現場的實時情況，準確識別復核是否有入侵行為還是誤報，自動記錄報警時間和位置信息、自動進行視頻抓拍和錄像以及通知相關執法部門。 有賴于科技強警和平安城市建設的顯著成效，許多一線中心城市已經做出了部署20萬甚至30萬攝像頭的構想和規劃，部分社區和區域已初步建立起“覆蓋到面、監測到線、控制到點”的全天候、多功能科技防范網絡體系。在已建成的圖像信息采集設備中，政府投資建設的僅占很小比例，大部分都是金融單位、學校、商場樓宇、賓館酒店、企業內部和居民社區等社會力量投資建設的監控系統，大量的業主可支配控制的攝像機的安裝使用使得視頻復核的難度大幅降低，而矩陣、DVR、第三方綜合管理軟件等各類主控設備和平臺，在智能化聯動處理方面的功能完善也簡化了集成管理的復雜度。 （2）傳輸IP化 此外，由于目前大多數中小型防盜報警系統的業主尚未接受報警服務收費的消費觀念，接警中心的主要服務客戶便集中在銀行、文博、學校等重點防范單位。普通用戶只能自行管理使用防盜報警系統，而諸如即時報警、延時報警、24小時防區等專業報警主機的復雜功能設置很難全面掌握，更不用說快速應用，通過與視頻監控系統的綁定，則可以簡化系統使用難度，讓使用者通過直觀簡便的圖像觀察與報警探測結合起來進行日常安保工作。報警信息數字化，不僅可以解決報警信息數據的多系統多平臺共享問題，還可以減少數據傳輸過程中受到的誤報干擾。誤報警是指在沒有出現危險情況時，報警系統發出了報警信號，引起誤報的原因包括報警技術是否先進、報警探測器是否合格、系統設計是否周全、施工環節是否合理、用戶使用是否正確等。而在報警信息傳輸過程中的環境影響(比如報警通訊線路與動力線/照明線等強電間距過小時且未采取防電磁干擾措施)，通過IP化處理就可以大幅削弱。 目前大多數平臺系統的數據接口還是傳統的RS-232/485/422格式，在實時性、準確性、可靠性、交互性等方面上均有不足，而以太網通訊技術對于串口通訊是一種比較徹底的技術革新。以太網的優勢在于不僅傳輸距離不限、數據傳輸速率高、采用標準的通訊協議，網絡底層具有CRC校驗、重發機制，協議上層增加了可靠的握手協議，保證了數據的可靠性。在網絡上傳輸時，通訊數據采用了加密傳輸，同時對發送數據端進行身份識別，隔離了外界的干擾，保障了通信的穩定。將報警信息用標準的TCP/IP協議封裝后，由于指令規范，與監控、消防、樓控、門禁等平臺的集成融合更靈活更先進。基于TCP/IP方式的網絡通訊，還可以通過在線檢測縮短故障范圍，快速排查問題節點。 IP化的技術風潮已經席卷安防各子系統，百萬像素攝像機、網絡視頻編解碼器、智能網絡矩陣、網絡門禁、智能視頻分析等，防盜報警系統也要應需而變，將通過光電生物探測技術獲知的入侵行為轉化為數字信息，提供給其它子系統進行綜合處理。 1.4 設計任務與要求（1）該設計包括硬件設計和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數據采集、中斷控制、報警等模塊組成。 (2)本紅外線防盜報警系統由熱釋電紅外傳感器、單片機控制電路、LED控制電路、報警器及相關的控制管理軟件組成。 (3)系統可實現功能。當人員外出時，可把報警系統設置在外出布防狀態，探測器工作起來,當有人闖入時，熱釋電紅外傳感器將探測到動作，設置在監測點上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經放大電路、比較電路送至門限開關，打開門限閥門送出TTL 電平至AT89C51單片機，經單片機處理運算后驅動執行報警電路使警號發聲。 (4)紅外線具有隱蔽性，在露天防護的地方設計一束紅外線可以方便地檢測到是否有人出入。此類裝置設計的要點是能有效判斷是否有人員進入。至于報警可采用聲光信號。
第二章 主要元器件選擇與介紹2.1 傳感器介紹現在有關家庭防盜的傳感器種類非常多，有門磁傳感器、紅外線反射開關無線探頭、振動位移傳感器、人體熱釋電傳感器、雷達波人體檢測無線探頭等等。本系統考慮到不僅要滿足可靠性探測的需求，同時還需要考慮安裝操作簡便和經濟實用，所以本設計選用了人體熱釋電紅外傳感器完成防盜監測。當盜賊企圖從門窗進入室內進行盜竊時，人體熱釋電傳感器可以檢測到人體移動的紅外信號，從而進行報警。 2.1.1 熱釋電紅外線傳感器簡單介紹熱釋電紅外線(PIR)傳感器主要是由一種高熱電系數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10-20米范圍內人的行動。
2.1.2 熱釋電紅外傳感器結構熱釋電紅外傳感器系統主要有光學系統、熱釋電紅外探測頭、信號濾波和放大、信號處理電路等幾部分組成。其組成框圖如圖2-1所示：
2.1.3 熱釋電效應由于溫度的變化,熱釋電晶體和壓電陶瓷等會出現結構上的電荷中心相對位移,使它們的自發極化強度發生變化，從而在它們的兩端產生異號的束縛電荷,這種現象稱為熱釋電效應。具有這種性質的材料稱為熱釋電體。壓電陶瓷屬于熱釋電體。若不考慮溫度的不均勻性,熱釋電體一般具有一級和二級熱釋電效應。其中二級熱釋電效應是由于溫度變化引起材料形變,再由壓電效應產生電荷的二級效應。一般情況下,若溫度變化率相同,升降溫過程中產生的熱釋電電荷大小相等,但符號相反。 2.1.4 菲涅爾透鏡及其基本原理菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。菲涅爾透鏡可按照光學設計或結構進行分類。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。 菲涅爾透鏡的工作原理十分簡單：假設一個透鏡的折射能量僅僅發生在光學表面（如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，如圖2-2。 圖2-2 傳統透鏡到菲涅爾透鏡結構的變化 另外一種理解就是，透鏡連續表面部分“坍陷”到一個平面上。如圖2-3。 圖2-3 塌陷到平面 從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點，也就是透鏡的焦點。每個凹槽都可以看做一個獨立的小透鏡，把光線調整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。 簡單地說，菲涅爾透鏡一面是平坦的，另一面是凸起的。人們首次使用菲涅爾透鏡是在18世紀初，當時它被用在燈塔的探照燈上，聚焦射出來的光束。當人們需要一面又薄又輕的透鏡時，塑料菲涅爾透鏡便派上了用場。盡管成像質量不如玻璃透鏡，但是在很多應用中我們并不需要完美的圖像質量。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理在探測器前方產生一個交替變化的“盲區”和“高靈敏區”以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時人體發出的紅外線就不斷地交替從“盲區”進入“高靈敏區”這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入從而強其能量幅度。 人體輻射的紅外線中心波長為9~10um而探測元件的波長靈敏度在0.2~20um范圍內幾乎穩定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口這個濾光片可通過光的波長范圍為7~10um正好適合于人體紅外輻射的探測而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。 2.1.5 熱釋電紅外傳感器工作原理本設計所用的熱釋感器就采用的是雙探測元的結構。其工作電路原理及設計電路如 圖2-4所示, 在VCC電源端利用C1和R2來穩定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩壓元件穩定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經過FET放大后，經過C2，R1的穩壓后使輸出變為高電位，再經過NPN的轉化，輸出OUT為低電平。 圖2-4 熱釋電紅外傳感器原理圖 2.1.6 熱釋電紅外傳感器引腳圖介紹本系統采用的熱釋電紅外傳感器成品的引腳示意圖如圖2-5所示，引腳功能如下： 數字1腳：電源負極 數字2腳：信號輸出，高電平有效，4～6V和工作電壓有關 數字3腳：電源正極 DC6～9V W1：靈敏度調整 W2：輸出延時調整 5～120秒 圖2-5 熱釋電紅外傳感器的引腳示意圖 它的技術參數如下： 1、工作電壓：DC6～9V 2、電平輸出：和電源電壓相同 3、感應角度：水平：90～140度；垂直：15～30度 4、靜態電流：小于750μA 5、無信號輸出：0V 6、感應距離：0.5～15米 7、外形尺寸：28mm×38mm 高25毫米（最高點） 8、輸出電平：4～6V與工作電壓有關 9、工作時間：可調5-120秒范圍 當探測器檢測到異常的情況，由2腳輸出一個高電平，發送到單片機上，單片機做出報警處理。
2.2 AT89C51單片機簡單概述2.2.1 AT89C51單片機的結構AT89C51單片機是美國Atmel公司生產的一種帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域，同時也為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖2-6為AT89C51單片機的基本組成功能方塊圖。由圖可知，在這一塊芯片中，集成了一臺微型計算機的各個主要組成部分，其中包括CPU、存儲器、可編程I/O口、定時器/計數器、串行口等，各部分通過內部總線相連。
外時鐘源 外部事件計數  外中斷 控制 并行口 串行通信 圖2-6 AT89C51 功能方塊圖 2.2.2 AT89C51管腳說明ATMEL公司的AT89C51是一種高效微控制器。采用40引腳雙列直插封裝形式。AT89C51單片機是高性能單片機，因為受引腳數目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FLASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫1時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址1時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入1后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 INT0（外部中斷0） P3.3 INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6  （外部數據存儲器寫選通） P3.7  （外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/  ：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許端的輸出電平用于鎖存地址的地址字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號端。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。  /VP：當  保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，  將內部鎖定為RESET；當 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：反向振蕩器的輸出,如采用外部時鐘源驅動器件，應不接。
第三章 系統硬件設計3.1 整體設計方案該設計硬件電路的結構框圖如圖3-1所示，它由紅外線探測器、信號放大電路、比較電路、延時電路、顯示電路、報警電路和穩壓電源組成。
圖3-1 紅外無線防盜報警器的結構框圖 紅外線探測器由主動式和被動式紅外線探測器組成，主動式紅外線探測器由紅外發光管和接收管組成，被動式紅外探測器由紅外熱釋電傳感器組成。探測器探測到的微弱信號經過信號放大電路的放大，傳輸到比較電路，比較電路將探測器探測到的信號與參考值進行比較，除去信號中的干擾信號，提高報警的準確性，比較電路輸出的信號傳輸到報警電路觸發報警電路報警。報警電路有聲、光報警兩種方式組成，并且將聲、光報警進行延時，為防止主人啟動電路或調試報警器時報警，電路中設計了開機延時電路，為防止交流電網停電或入侵者切斷交流電，該報警器配有交流電源和直流電源，直流電源有蓄電池提供，并且交流電源和直流電源可以自動切換。本報警器屬于多路探測報警器，探測器有兩種類型，可以根據所要監測的區域特點進行選擇使用，同時顯示報警部分可以顯示發生報警的監測區域。硬件電路圖見附錄二所示。其中，各部分電路設計如下。 3.2 信號放大電路3.2.1 主要電路元件介紹LM324是四運放集成電路，它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3-2所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3-3。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。
3.2.2 實現功能當有人闖入時，熱釋電紅外傳感器將探測到動作，設置在監測點上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，然后經放大電路將電信號放大傳給單片機。其電路原理圖設計如圖3-4所示。
圖3-4 信號放大電路 3.2.3 原理分析熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小，僅1mV左右，頻率為0.1~10HZ，需經高增益、低噪聲低頻放大器放大后，才能進一步處理，一般來講，要求放大器的增益為60~70dB,帶寬0.3~7HZ。放大器的帶寬對可靠性和靈敏度有重要影響，帶寬窄，噪聲小誤動作率低；帶寬寬，噪聲大，誤動作率高！ 如圖3-4所示，本系統采用LM324中的兩個集成運算放大器構成低頻帶通放大電路，LM324內部集成了四個獨立的高增益運算放大器，其電流小（典型值Is=1.0mA），且與所加電源電壓的大小無關，頻率補償及偏置電流均采用了溫度補償措施，性能穩定。采用單電源供電。 放大器要求： 增益：60~70DB 帶寬：0.3~7HZ 工作原理： 放大電路的電壓增益為： A=1+2πfR12C4/(1+2πfR7C4)(1+2πfR12C4) 一般要求放大電路的增益為65Db。 電路的上下限截至頻率為： FH=1/R12C7,FL=1/R7C4 在單電源供電的情況下，外加電壓分壓器后，可保證運放輸出電壓有較大的動態范圍。靜態下應將輸出端電位設在1/2處，方法是：ICA外接R4、R10分壓器，將1/2VCC引至運放的同相輸入端，這相當于將輸入偏置電壓墊高1/2VCC,從而使輸出電壓的靜態電位定在1/2VDD處。與ICA一樣，ICB為了保證運放輸出電壓有較大的動態范圍，同樣設置了分壓器。 3.3 比較電路3.3.1實現功能電壓比較器的作用是將一個模擬電壓與一個參考電壓相比較。在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產生越變。其電路原理圖如圖3-5所示。 圖3-5 比較電路
3.3.2原理分析本系統應用LM324剩余的兩個集成運算比較器構成了一個雙限電壓比較器。如圖3-5所示：基準電壓分別由(R6+R14)和R14分壓提供。當輸入電壓VO1<5引腳電壓時，比較器輸出高電平；當VO1>13腳電壓時，比較器也輸出高電平。而當5引腳電壓<VO1<13腳電壓時，比較器輸出低電平。如圖3-6所示： 圖3-6 當人體通過菲涅爾透鏡組成的傳感器現場時，傳感器輸出一交變信號。其變化幅度大于13引腳電壓，小于5腳電壓，才能使比較器輸出高電平，否則為低電平，而前級放大器靜態時輸出電壓基本為1/2VCC，處在5引腳和13引腳電壓之間，故比較器輸出為0。所以兩引腳電壓的差值越接近1/2VCC，電路的靈敏度越高，但容易因噪聲干擾產生誤動作，若兩引腳的差值遠離1/2VCC，電路的可靠性將提高，但靈敏度降低。一般基準電壓可按下列式子來計算： V差值=（4~5）VN 式子中VN為噪聲電壓。傳感器給出的噪聲電壓，是指傳感器噪聲輸出的信號經過70dB以上的放大后的噪聲電壓的峰-峰值。本產品的噪聲電壓大約為80mV,所以有V差值=（4~5）80mV=320~400 mV.這樣，即照顧到靈敏度，又能保證電路有一定的可靠性。 3.4聲音報警電路3.4.1 主要電路元件介紹三極管SS8050是一種常用的普通三極管。 它是一種由硅制作的低電壓,大電流,小信號的NPN型硅三極管。
3.4.2 實現功能此電路通過接受單片機傳送來的電平信號，驅動高音報警器使高音喇叭發聲從而達到報警效果。其電路原理圖設計如圖3-7所示。 圖3-7 聲音報警電路
3.4.3 原理分析如下圖3-7所示：高音報警電路選用12V的高音喇叭作為報警裝置，使用SS8050大功率三極管做驅動電路，當SPK為高電平時，三極管導通，傳送信號至高音報警器使高音報警器發聲報警。反之則截至。本系統中經過軟件設置使報警器真實模擬了聲音頻率均勻拉高，還原、再拉高的過程。形成頻率在976~1945Hz之間平滑遞增的聲音效果。實現報警器聲音非常逼真。
3.5燈光警示電路3.5.1 主要電路元件介紹繼電器（英文名稱：relay）是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。 繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，廣泛應用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設備中，是最重要的控制元件之一。 繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應機構（輸入部分）；有能對被控電路實現“通”、“斷”控制的執行機構（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅動的中間機構（驅動部分）。 作為控制元件，概括起來，繼電器有如下幾種作用： 1） 擴大控制范圍：例如，多觸點繼電器控制信號達到某一定值時，可以按觸點組的不同形式，同時換接、開斷、接通多路電路。 2） 放大：例如，靈敏型繼電器、中間繼電器等，用一個很微小的控制量，可以控制很大功率的電路。 3）綜合信號：例如，當多個控制信號按規定的形式輸入多繞組繼電器時，經過比較綜合，達到預定的控制效果。 4） 自動、遙控、監測：例如，自動裝置上的繼電器與其他電器一起，可以組成程序控制線路，從而實現自動化運行。
3.5.2 實現功能此電路通過接受單片機傳送來的電平信號，驅動燈光警示電路使炫目燈亮起從而達到報警效果。其電路原理圖設計如圖3-8所示。 圖3-8 燈光警示電路 3.5.3 原理分析如圖3-8所示：這里我們選用12V的炫目燈做燈光警示電路，因炫目燈在正常工作狀態下電流比較大，所以這里我們選用使用繼電器控制其開關的方案。這里我們照樣使用三極管驅動繼電器工作。 并聯在線圈的兩端的是續流二極管，線圈在通過電流時，會在其兩端產生感應電動勢。當電流消失時，其感應電動勢會對電路中的原件產生反向電壓。當反向電壓高于原件的反向擊穿電壓時，會把原件如三極管，等造成損壞。續流二極管并聯在線兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產生的感應電動勢通過二極管和線圈構成的回路做功而消耗掉。叢而保護了電路中的其它原件的安全。 在電路中反向并聯在繼電器或電感線圈的兩端，當電感線圈斷電時其兩端的電動勢并不是立即消失，此時殘余電動勢通過一個二極管釋放，起這種作用的二極管叫續流二極管。 3.6 顯示電路3.6.1 主要電路元件介紹我們最常用的是七段式和八段式LED數碼管，八段比七段多了一個小數點，其他的基本相同。所謂的八段就是指數碼管里有八個小LED發光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字形。數碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實共陰極就是將八個LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個LED的另一端高電平，它便能點亮。而共陽極就是將八個LED的陽極連在一起。其原理圖如3-9。 圖3-9 八段數碼管引腳圖 其中引腳圖的兩個COM端連在一起，是公共端，共陰數碼管要將其接地，共陽數碼管將其接正5伏電源。一個八段數碼管稱為一位，多個數碼管并列在一起可構成多位數碼管，它們的段選線（即a,b,c,d,e,f,g,dp）連在一起，而各自的公共端稱為位選線。顯示時，都從段選線送入字符編碼，而選中哪個位選線，那個數碼管便會被點亮。數碼管的8段，對應一個字節的8位，a對應最低位，dp對應最高位。所以如果想讓數碼管顯示數字0，那么共陰數碼管的字符編碼為00111111，即0x3f；共陽數碼管的字符編碼為11000000，即0xc0。
3.6.2 實現功能本系統使用共陰極數碼管做為狀態顯示電路，在正常無人非法闖入室內時數碼管的DP點閃爍，若有人闖入數碼管則顯示E來提示有人非法闖入。電路原理圖如圖3-10所示。 圖3-10 顯示電路 3.6.3 原理分析在這里，串聯的幾個470歐電阻是限流電阻。因為數碼管是由發光二極管按照一定的順序排列制成的元件，每個發光二極管的內阻非常小，正常工作電流大致在10~25mA，如不串入限流保護電阻，直接連接很有可能瞬間燒壞數碼管。我們可以依公式來計算出限流電阻的阻值：R=U/I;其中U=5V,I=（10~15）mA,可得R=330~500歐。這里我們選用典型值470歐。10K電阻為上拉電阻，以保證P0口可以輸出高電平。當P0口輸出高電平時其對應的發光二極管導通，二極管亮，P0口0-7根據不同的電平輸入顯示不同的數值。
3.7供電電源電路3.7.1 主要電路元件介紹L7805CV是我們最常用到的穩壓芯片了，他的使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩壓電源,他的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機運行所需的電壓，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差別，用的最多的還是7805，下面我簡單的介紹一下他的3個引腳以及用它來構成的穩壓電路的資料。如圖3-11所示，其中1接整流器輸出的+電壓，2為公共地(也就是負極)，3就是我們需要的正5V輸出電壓。 圖3-11 L7805CV引腳圖
3.7.2 實現功能通過此電路為整個電路各個模塊提供其工作所需電壓。其電路原理圖設計如圖3-12所示。 圖3-12 供電電源電路 3.7.3 原理分析如下圖3-12所示，本系統采用L7805CV來做電壓芯片，因為其輸出電流可達1.5A,可滿足本系統各個電路部分5V的供電電壓。 在電源的兩端并聯的大電容和小電容起濾波作用。大電容是濾除低頻，小電容是濾除高頻。在其兩端再并入同系列的大小電容可獲得很寬頻率范圍的濾波特性。 3.8 單片機最小系統3.8.1 主要電路元件介紹石晶振蕩Y1（石英晶振即所謂石英晶體諧振器和石英晶體時鐘振蕩器的統稱），它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩定度高等優點，被應用于家用電器和通信設備中。石英諧振器因具有極高的頻率穩定性，故主要用在要求頻率十分穩定的振蕩電路中作諧振元件。 晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。這種晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械力，它又會產生電，這種特性叫壓電效應。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關。由于石英晶體化學性能非常穩定，熱膨脹系數常小，其振蕩頻率也非常穩定，由于控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。根據石英晶體的機電效應，我們可以把它等效為一個電磁振蕩回路，即諧振回路。他們的機電效應是機-電-機-電..的不斷轉換，由電感和電容組成的諧振回路是電場-磁場的不斷轉換。在電路中的應用實際上是把它當作一個高Q值的電磁諧振回路。由于石英晶體的損耗非常小，即Q值非常高，做振蕩器用時，可以產生非常穩定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩定和陡削的帶通或帶阻曲線。
3.8.2 實現功能通過振蕩得到一個穩定的時鐘頻率。利用中斷方式可以實現報警持續時間未到10秒時，用手工按鍵停止的聲光報警的作用。其電路原理圖設計如圖3-13所示。 圖3-13 單片機最小系統 3.8.3 原理分析如下圖3-13所示，單片機的采用得是5V電源供電，時鐘電路（也就是振蕩電路）采用的是11.0592MHZ晶振，它可以向單片機提供一個正弦波信號作為基準，來決定單片機的執行速度。圖中的電容起穩定作用。其復位電路采用的是混合復位電路，在上電的時候就會自動復位，也可進行手動復位。這樣就可以方便在單片機死機的時候進行重啟。
第4章 系統軟件設計4.1 單片機程序語言設計4.1.1 單片機匯編語言程序設計的基本步驟單片機匯編語言程序設計的基本步驟如下： (1) 設計任務的分析、確定思路或算法。 (2) 程序的總體設計并畫出流程圖。 (3) 編寫源程序。可在編譯軟件下編程，要求簡練、層次清楚、字節數少和執行時間短等。 (4) 源程序的匯編和調試。 (5) 編寫程序說明文件。 4.1.2 匯編語言程序設計方法(1) 匯編程序的基本結構總是簡單程序、分支程序、循環程序、查表程序、子程序、中斷程序等結構化的程序模塊有機組成的。 (2) 劃分功能模塊進行設計。 (3) 自上而下逐漸求精。 4.1.3 Keil 簡介Keil uVision2是德國Keil公司開發的一款關于8051系列MCU的開發工具，它支持匯編、C語言及混合編程，是一種集成化的文件管理編譯環境，可用來編譯程序源碼、鏈接和重定位目標文件和庫文件、創建HEX文件、調試目標程序等。Keil uVision2具有強大的仿真功能，可不接硬件電路直接進行用戶程序仿真，也可利用硬件仿真器(用Monitor51協議，需硬件支持)，通過連接單片機硬件電路，在仿真器中載入項目程序后進行實時仿真調試。 在keil uVision2 中編制程序： (1)新建項目。啟動uVision2，選擇Project→New Project菜單項，打開對話框，輸入項目文件名并選擇保存路徑。項目文件保存完后，彈出Select Device for TARGET‘TARGET1’對話框，是新建項目的CPU元器件選擇，選AT89S52。 (2)在項目中添加源程序文件。在菜單中選擇File→New，新建源程序文件。輸入源程序，然后把程序保存在項目所在的目錄中，為文件取一個名，若是C語言編寫的程序，擴展名為.C，若是匯編語言編寫的程序，擴展名為.ASM。接下來，將該文件添加到項目中，用鼠標在屏幕左邊的Source Group1文件夾圖標上右擊彈出菜單，選擇Add File to Group‘Source Group1’命令，彈出文件窗口，選擇剛剛保存的文件，按ADD按鈕，關閉文件窗口，程序文件即可加到項目中。 (3)項目的編譯、鏈接。將光標指向項目窗口中的文件名，并右擊，在快捷菜單中選擇Build target選項，uVision2將自動完成對當前項目中所有源程序模塊的編譯、鏈接，得到.HEX目標文件。 4.2 報警系統的程序設計4.2.1主程序流程圖如下圖4-1所示:在開機后，單片機首先進行初始化，將數碼管、高音警報器、炫目燈等外設關閉，同時將中斷總允許位、外部中斷0允許位和定時計數器T1開啟，關閉外部中斷1允許位和定時計數器T0。其中布防/撤防按鍵用來觸發外部中斷0，熱釋電傳感器用來觸發外部中斷1，外部中斷1允許位的開啟與關閉由外部中斷0來控制。方便對報警器進行布防與撤防功能。定時計數器T0用來控制高音報警器的發音頻率以使其發出逼真的報警聲；定時計數器T1用作延時函數。按上述工作原理和硬件結構分析可知系統主程序工作流程圖如圖4-1所示；
4.2.2 中斷函數流程圖下圖4-2、4-3為中斷函數流程圖： 第五章 總結本設計采用KeilC51開發系統，完成了各個程序模塊規劃及各模塊的設計與編程，同時實現了對整個信號處理過程的編程與調試。它具有使用簡單、功能齊全、性價比高等一系列特點，是一種經濟型、實用型的家庭防盜報警系統。 本設計研究了一種基于單片機技術的紅外無線防盜報警器。該防盜報警器通過以單片機AT89C51為工作處理器核心，外接熱釋電紅傳感器，它是一種新穎的被動式紅外探測器件，能夠以非接觸方式探測出人體發出的紅外輻射，并將其轉化為相應的電信號輸出，同時能夠有效的抑制人體輻射波長以外的紅外光線與可見光的干擾。平時傳感器輸出低電平，當有人在探測區范圍內移動時輸出低電平變為高電平，此高電平輸入單片機，作為單片機的外部觸發信號處理，經單片機內部軟件編程處理后，單片機輸出控制信號，驅動聲光報警電路開始報警。隨著現代人們安全意識的增強以及科學技術的快速發展，相信報警器必將在更廣闊的領域得到更深層次的應用。
致 謝此次論文的整個過程是在袁康敏老師悉心指導下完成的。袁老師嚴謹的治學態度、精益求精的工作作風和對學生盡職盡責的教導都給我留下了十分深刻的印象。在此，我向袁老師表示衷心的感謝! 通過本次畢業設計，我增強了理論與實踐結合的能力，設計過程中遇到各種問題在指導老師的幫助下得以解決，鍛煉了我的意志，更使我增強了信心。 論文工作即將結束，回顧四年多來的學習經歷，面對現在的收獲，我感到無限欣慰。在這個溫馨和睦的集體中，我們團結互助，才取得了今天的成績。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學表示由衷的感謝! 再次衷心感謝在百忙之中指導我完成論文和參加畢業答辯的各位老師。
附錄二：硬件電路圖
單片機源程序如下:
- //**********************************
- //名稱：家庭防盜報警系統程序
- //**********************************
- #include <reg51.h>
- #define uint unsigned int
- #define uchar unsigned char
- sbit spk=P1^2;
- sbit led=P1^0;
- uchar FRQ=0x00;
- sbit star=P0^7;
- /*****延時函數，定時/計數器T1****/
- void delay(uint t)
- {
- uint i;
- for(i=0;i<t;i++)
- {
- FRQ++;
- TH1=(65536-20000)/256;
- TL1=(65536-20000)%256;
- while(!TF1);
- TF1=0;
- }
- }
-
- /*****定時器T0中斷函數*****/
- void T0_INT() interrupt 1
- {
- TH0=0XFE;
- TL0=FRQ;
- spk=~spk;
- }
-
- /*****外部中斷1，檢測到傳感器信號后進行報警控制*****/
- void EX1_INT() interrupt 2
- {
- P0=0X79; //數碼管顯示E,表示有人傳入
- led=1; //炫目燈開啟
- TR0=1; //開啟定時中斷0允許位
- delay(1000);
- TR0=0; //關閉定時中斷0允許位
- P0=0X00;
- led=0;
- spk=0;
- }
-
- /*****外部中斷0.布防/撤防功能*****/
- void EX0_INT() interrupt 0
- {
- EX1=~EX1; //開啟/關閉外部中斷1允許位
- P0=0X00;
- led=0;
- spk=0;
- }
- /*****主函數*****/
- void main()
- {
- P0=0X00; //置數碼管黑屏
- led=0; //關閉炫目燈
- spk=0; //關閉高音報警器
- EA=1; //開啟中斷總允許位
- EX0=1; //開啟 外部中斷0允許位
- EX1=0; //關閉 外部中斷1允許位
- ET0=0; //關閉 定時中斷T0允許位
- ET1=1; //開啟 定時中斷T0允許位
- IT1=1; //設置外部中斷1觸發方式為下降沿
- IT0=1; //設置外部中斷0為觸發方式為下降沿
- TMOD=0X11; //定時/計數器工作在模式1中
- TH0=0X00; //對定時計數器T0賦初值
- TL0=0XFF;
- TR0=0; //關閉定時/計數器T0,由外部中斷1控制開啟
- TR1=1; // 開啟定時計數器T1
- while(1)
- {
- star=!star;
- ……………………
- …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………
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基于單片機的紅外防盜報警器設計&#40;畢業設計&#41; (1).doc
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