红外报警系统设计毕业论文.docx

沈阳理工大学信息学院综合课程设计说明书摘要随着人们生活水平的大幅度提高，人们的保护意识不断增强，防盗报警系统便充分体现了其应用价值。防盗报警系统的设计便是为满足现代住宅防盗的需要所设计的家庭式电子防盗系统。防盗报警系统采用了热释电红外传感器，这种防盗器安装隐蔽，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。防盗报警系统设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分设计主要包括红外探头电路接收信号，LED控制电路控制发光及驱动执行报警电路执行报警等。软件部分设计主要包括使用Protues仿真软件能够实现声光报警的作用。关键词：单片机；红外传感器；信号接收；报警电路目 录摘要 1第1章 绪论 21.1 设计目的与意义21.2 国内外研究现状21.3 设计思路3第2章 原理分析与设计 4 2.1 相关理论4 2.1.1 红外线 4 2.1.2 红外探测 4 2.2 相关器件分析5 2.2.1 AT89C20515 2.2.2 蜂鸣器 6 2.2.3 三极管 7 2.2.4 LM3939 2.2.5 电阻112.3 总体分析 112.4 各模块分析 12 2.4.1 探测模块12 2.4.2 信号处理模块13 2.4.3 报警模块142.5 流程图设计 152.6 程序设计 152.7 仿真调试 17第3章 实物制作183.1 PCB板图设计面板183.2 焊接电路板 193.3 调试 203.4 数据测试 203.5 结论 20第4章 总结展望21参考文献 22第1章 绪论1.1设计目的与意义随着当今社会经济的快速发展，人们的生活质量有了很大提高，居民家里的贵重物品也越来越多。这也给一些不法分子钻空子的机会，所以居民的财产问题也备受瞩目。安防产业也渐渐发展，人们对于安防的灵敏性、便捷性及有效性的要求越来越高。能够随时随地、安全又方便的使用贵重物品是人们一直向往安心、舒适的生活方式。防盗报警器带领着人们一步步向这样的生活迈进。红外探测报警器使用了单片机做信号处理器，它的工作性能好，不易出现不报和误报的现象，安全可靠。目前我国市场上报警器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。本系统采用被动式热释电红外探测器，其价格低廉、制作简单、安装比较方便、防盗性能比较稳定、灵敏度高、安全可靠等特点，得到了广泛的应用。而且防盗器安装隐蔽，不容易被盗贼发现。1.2国内外研究现状 自二十世纪九十年代起红外技术正在经历第三次革命，以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。它不仅解决了红外摄像技术中最为突出的要求低温（大约77K）冷却工作的要求，而且还可像光子半导体红外焦平面阵列技术一样实现同读出电路的大规模或超大规模集成，实现了高密度、小型化、便携和易于操作的红外热像仪，同时这种技术也适合采用目前硅大规模集成电路制作技术批量生产，使红外热摄像仪成本低廉化，去除了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题，搬去了阻碍红外热摄像仪技术广泛推广应用，特别是进入广阔民用市场的障碍，成为当今红外成像技术最引人瞩目的突破之一。我国从上世纪80年代后期陆续开始了红外焦平面探测器的研制。尽管国内的第二代、第三代红外焦平面技术在材料、器件工艺、读出电路、杜瓦和致冷等方面取得一些进展，完成了少数器件的研制，但还有许多关键技术还没有完全突破，可靠性、工程化、通用化与标准化水平有待进一步提高；第四代产品还刚开始进行技术突破，到目前为止，只有为数很少的工程化产品提供军方使用。目前实现批量生产的焦平面探测器组件相当于西方国家较早一段时期的水平。红外探测器技术总体水平与西方发达国家相比仍有较大差距。1.3设计思路本次设计主要介绍了红外报警系统的设计。利用Proteus进行电路仿真。利用Keil进行软件仿真。同时了解红外探测的工作原理，编写数据处理程序加载到单片机里。最后根据电路图焊接电路板，用烧录器把程序烧录到单片机里，最后进行实物仿真调试。在此过程中熟悉Keil和Proteus的使用，学会焊接电路板。第2章 原理分析与设计2.1 相关理论2.1.1 红外线红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家赫歇尔于1800年发现，又称为红外热辐射，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)(2.5-3)m之间；中红外线，波长为(2.5-3)(25-40)m之间；远红外线，波长为(25-40)l000m 之间。2.1.2 红外探测被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射。由光学系统、热传感器（也称红外传感器）及报警控制器等组成。也称被动红外报警器。红外感光管是由光敏二极管组成的，其管芯是一个具有红外光敏特征的PN节，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无红外光照时，又很小的饱和反向漏电流，此时光敏二极管截止。当受到红外光照射时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。被动式红外器的核心部件是红外探测器件（红外传感器），通过光学系统的配合作用，它可以探测到位某一个立体防范空间内的热辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体等目标时，由于所有背景物体（如墙、家具等）在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所有不能触发报警。当有人体在探测区域内走动时，就会造成红外热辐射能量的变化。红外传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号，经适当的处理后，送往报警控制器，发出报警信号。红外传感器的探测波长范围是814m，由于人体的红外辐射波长正好在此探测波长范围之内，因此能较好地探测到活动的人体。红外传感器前的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量经反射镜反射或特殊的透镜透射后全都集中在红外传感器上。这样，一方面可以提高红外传感器的热电转换效力，另一方面还起到了加长探测距离、扩大警戒视场的作用。2.2 相关器件分析2.2.1 AT89C2051AT89C2051的引脚图如图2.1所示。图2.1 AT89C2051引脚图AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微型计算机。它采用Atmel的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，Atmel AT89C2051是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。l AT89C2051的管脚介绍：l VCC：电源电压。l GND：地。(1)P1口的介绍：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ANI0)和反相输入(AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。(2)P3口的介绍：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻 的七个双向I/O口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。(3)RST介绍：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。1) XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。2)XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。2.2.2 蜂鸣器蜂鸣器的图片如图2.2所示。图2.2 蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”表示。u 结构原理压电式蜂鸣器 ：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器： 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。本课题采用电磁式蜂鸣器。u 有源蜂鸣器与无源蜂鸣器有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫；而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫，需要接在音频输出电路中才能发声。判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，还可以用万用表电阻档Rxl档测试:用黑表笔接蜂鸣器“-”引脚，红表笔在另一引脚上来回碰触，如果触发出咔、咔声的且电阻只有8(或16)的是无源蜂鸣器;如果能发出持续声音的，且电阻在几百欧以上的，是有源蜂鸣器。本课题采用无源蜂鸣器。2.2.3 三极管三极管照片如图2.3所示。图2.3 三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。图2.3中，1管脚是发射极E，2管脚是基极B，3管脚是集电极C。其电流表达式为：、a) 为发射极电流；b) 为集电极电流；c) 为基极电流；d) 为放大系数。u 放大原理1)发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。2)基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。3)集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。u 三极管的分类三极管分为PNP型与NPN型，如图2.4所示。图2.4 PNP型与NPN型三极管1) PNP型的导通条件：基极与发射极间接适当的正向电压。2) 关断条件：基极与发射极间不加电压或加反向电压。3）NPN型的导通条件：基极与发射极间接适当的反向电压。4）关断条件：基极与发射极间不加电压或加正向电压。u 工作状态1）截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。2）放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数=，这时三极管处放大状态。3）饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。u 万用表判断方法三极管基极的判别：根据三极管的结构示意图，我们知道三极管的基极是三极管中两个PN结的公共极，因此，在判别三极管的基极时，只要找出两个PN结的公共极，即为三极管的基极。具体方法是将多用电表调至电阻挡的R1k挡，先用红表笔放在三极管的一只脚上，用黑表笔去碰三极管的另两只脚，如果两次全通，则红表笔所放的脚就是三极管的基极。如果一次没找到，则红表笔换到三极管的另一个脚，再测两次；如还没找到，则红表笔再换一下，再测两次。如果还没找到，则改用黑表笔放在三极管的一个脚上，用红表笔去测两次看是否全通，若一次没成功再换。这样最多没量12次，总可以找到基极。三极管类型的判别： 三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。判别时只要知道基极是P型材料还N型材料即可。当用多用电表R1k挡时，黑表笔代表电源正极，如果黑表笔接基极时导通，则说明三极管的基极为P型材料，三极管即为NPN型。如果红表笔接基极导通，则说明三极管基极为N型材料，三极管即为PNP型。2.2.4 LM393LM393 是双电压比较器集成电路。其图片如图2.5所示。图2.5 LM393其封装内部电路如图2.6所示。图2.6 LM393内部电路各管脚介绍如表2.1所示。表2.1 LM393管脚介绍u 工作原理例如当2号管脚接一适当电压，3号管脚接信号输入端。当3号管脚的输入电压高于2号管脚的电压时，1号管脚输出高电平；当3号管脚的输入电压低于2号管脚的电压时，1号管脚输出低电平。2.2.5 电阻色环电阻如图2.7所示。图2.7 色环电阻色环电阻是电子电路中最常用的电子元件采用色环来代表颜色和误差，可以保证电阻无论按什么方向安装都可以方便、清楚地看见色环。其颜色代表的数字如表2.2所示金、银、无表示误差表2.2 色环电阻颜色表达黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银无01234567895%10%20%。u 五环电阻的表示方法1）第一条色环：阻值的第一位数字；2）第二条色环：阻值的第二位数字；3）第三条色环：阻值的第三未数字；4）第四条色环：阻值乘数的的幂数；5）第五条色环：误差（常见是棕色，误差为）。6）五环电阻为精密电阻，误差常为1%，精密电阻通常用于军事，航天等方面。2.3 总体分析总电路图如图2.8所示。图2.8 总电路仿真图1) P3.3口接红外传感器输出信号，在电路中用一个地和开关代替。2) 分为探测部分、复位电路、晶振电路、报警电路。3) 当P1.1口是低电平时D1才会发光。当P1.0口电平不断变化时LS1才会发声，一直的高电平或低电平时不会发声。2.4 各模块分析2.4.1 探测模块红外探测模块如图2.9所示。图2.9 红外探测模块红外探测模块主要由红外感光管、电压比较器、敏感调节器组成。最右边的管是红外感光管，中间的黑色芯片是电压比较器，绿色的是敏感调节器。其有四个管脚AO、DO、GND、VCC。l AO口：模拟信号输出。l DO口：数字信号输出。l GND口：接地。l VCC口：接正电压。当红外感光管接收到红外信号时，DO口输出低电平。2.4.2 信号处理模块信号处理部分如图2.10所示。图2.10 信号处理部分信号处理部分主要由AT89C2051单片机组成。含有晶振电路和复位电路。探测器DO口的输出信号输入到单片机的P3.3口进行信号处理。晶振的振荡频率大小决定了单片机的信息处理速度，但不应超过24MHz，不然系统不稳定。复位的主要作用是把特殊功能寄存器的数据刷新为默认数据，单片机在运算过程中由于干扰等外界原因造成寄存器中数据混乱不能使其正常继续执行程序（称死机）或产生的结果不正确时均需要复位，以使程序重新开始运行。2.4.3 报警模块报警电路模块如图2.11所示。图2.11 报警电路模块报警电路模块主要由LED、三极管、蜂鸣器组成。单片机处理完信号后从P1.0和P1.1端口输出给报警电路。三极管使集电极电流足够驱动蜂鸣器工作。2.5 流程图设计 流程图如图2.12所示。开始初始设置P3.3=0驱动报警电路工作结束图2.12 流程图2.6 程序设计C语言程序如下：#include /头文件定义#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit hw=P33; /管脚定义sbit bell=P10;sbit red=P11;void Delay100us()/11.0592MHz，延时子程序unsigned char i, j;_nop_();_nop_();i = 2;j = 15;dowhile (-j); while (-i);void main(void) /主程序P3=0xff;bell=1;red=1;while(1) /死循环if(hw=0)bell=!bell; /无源蜂鸣器red=0;Delay100us();else bell=0; red=1; 2.7仿真调试Proteus电路仿真如图2.13所示。图2.13 Proteus电路仿真当P3.3口的接地开关按下后，P3.3口由高电平变为低电平，P1.0口高低电平交替变化，P1.1口由高电平变为低电平，蜂鸣器响起，LED发光。仿真调试成功。第3章 实物制作3.1 PCB板图设计面板 在Proteus中打开ARES并运行。添加器件的封装元器件。然后连接电路板。如图3.1所示。 图3.1 PCB板图3.2 焊接电路板根据PCB板图的格局，在电路板上合适的安放器件，首先用电烙铁把芯片插座焊接到电路板上，然后再依次把元器件焊接到电路板上，最后用导线连接对应的管脚，距离较近的两个管脚可以直接用焊锡连上。电烙铁要先预热几分钟，焊接时电烙铁放在电路板上的时间不要太长以免烧坏电路板。焊完后电路板如图3.2和图3.3所示。 图3.2 电路板的正面图3.3 电路板的反面3.3 调试给系统通上电后，放在阳光处时蜂鸣器会响起，LED会亮；放在避光处时蜂鸣器不响，LED不亮。3.4 数据测试当报警部分没有被驱动时，P3.3口的对地电压大约为4.75V，P1.0口的对地电压约为约为0.3V，P1.1口的对地电压约为4.8V。当报警电路被驱动时，P3.3口的对地电压约为0.4V，P1.0口的对地平均电压为2.5V，P1.1口的对点电压约为0.2V。3.5 结论由此可得实物制作成功，当探测模块被太阳光照射时报警部分工作，没光照时报警部分不工作。第4章 总结展望 这次课设使自己了解了虚拟仿真和实物制作的区别。在电脑中用Proteus对电路进行仿真时很快就能仿真成功，但根据电路图焊接完电路板后，在调试时却并没有立马成功。请教同学时让我把单片机的接地断开再试试，这次发现有光照是报警部分不工作，没光照时报警部分工作。开始以为是三极管使用错了，换成PNP型的三极管后电路就不工作了，后来意识到换三极管后还要改动蜂鸣器端的电源正负状态，所以比较麻烦。最后我们查询了一下烧入的的程序，发现P3.3口是高电平触发状态，所以造成了有光时不报警的状态。把P3.3的触发状态调换一下就好使了。通过本次设计进一步巩固了我已经学习了的理论知识，增强了我对所学知识的实际应用能力和运用所学的知识解决实际问题的能力。在巩固了所学知识的基础之上我具有更强的单片机系统设计与应用能力以及C语言程序的编写。在此次课程设计中我比较顺利的完成了问题分析、电路设计、程序编写、调试和修改。与此同时在整个过程中我也遇到了形形色色的问题,有时候会为一段程序花大把的时间查阅资料进行修改,有时候会为一个电路模块查找几小时的资料。尽管过程是艰辛的， 但是我知道我不能放弃，我要坚持下去。践行远大于理论，我深深的记着。汗水预示着结果也见证着收获。结果让我见到了辛苦的回报。最后但同样重要的是我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！参考文献 1胡海边.单片机原理与应用M.机械工业出版社.20052姜志海.单片机微型计算机原理及应用M.机械工业出版社.20033何立民.单片机应用技术选编M.北京航空航天大学出版社.20004潘永雄.单片机实验与实践M.电子工业出版社.20055李光飞.传感器技术与应用M. 北京航空航天大学出版社.20066朱清慧.Proteus教程电子线路设计、制版与仿真M.清华大学出版社.20067邹应全.51系列单片机原理与实验教程M.西安电子科技大学出版社.20078黄继昌.传感器工作原理及应用实例M.人民邮电出版社.19989楼然苗.51单片机设计实例M.北京航空航天大学出版社.200610孙慧芹.传感器入门M.科学出版社.200611吕璠.热释电红外报警器的设计J.廊坊师范学院学报.200912艾礼貌.浅谈热释电红外传感器报警系统J.中国科技财富报.200913李雪梅.热释红外无线报警器J.山东纺织经济报.200629