红外防盗报警器的设计.doc

学校代码：10904

机械工程测试技术课程设计

红外防盗报警器的设计

姓 名：
田德阳
学 号：
201215120143
指导教师：
卢纪丽
院系：
机电工程学院
专 业：
机械设计制造及其自动化
完成日期：
2014年12月3日

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摘 要
本系统是基于单片机AT89C51设计的家用无线防盗报警器。它采用的元件是热释电红外传感器，它的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠、抗干扰能力强。该报警器成本较低，易于安装可靠性和稳定性高，并且在功能上具有良好的可扩展性，便于市场应用与推广。本设计分硬件设计和软件设计两个部分，硬件部分包括红外探头电路、单片机控制电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。整个系统是在系统软件控制下工作的。

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Abstract
This system is designed based on single chip AT89C51 home wireless burglar alarm. It uses the element pyroelectric infrared sensors, and its production is simple, low cost, more convenient to install, and anti-theft performance is relatively stable, high sensitivity, safe, reliable, anti-interference ability. The alarm is low cost, easy to install high reliability and stability, and has a good scalability in functionality, ease of market application and promotion. The design points of hardware design and software design in two parts, hardware section includes infrared sensor circuit, MCU control circuit to drive the implementation of the alarm circuit, LED control circuit and other components. The whole system is working under the control of the system software.

Key words: SCM; infrared sensor；Wireless alarm； data collection

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目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1

1.2 设计任务与要求 1
第二章 主要元器件选择与介绍 2
2.1 传感器介绍 2
2.1.1 热释电红外线传感器简单介绍 2
2.1.2 热释电红外传感器结构 2
第三章 系统硬件设计 3
3.1 整体设计方案 3
3.2 信号放大电路 3
3.2.1 主要电路元件介绍 3
3.2.2 实现功能 4
3.3 比较电路 5
3.3.1实现功能 5
3.4声音报警电路 5
3.4.1 主要电路元件介绍 5
3.4.2 实现功能 5
3.5灯光警示电路 6
3.5.1 主要电路元件介绍 6
3.5.2 实现功能 6
3.6 显示电路 7
3.6.1 主要电路元件介绍 7
3.6.2 实现功能 8
3.7供电电源电路 8
3.7.1 主要电路元件介绍 8
3.7.2 实现功能 9
第四章 系统软件设计 10
4.1 单片机程序语言设计 10
4.1.1 单片机汇编语言程序设计的基本步骤 10
4.1.2 汇编语言程序设计方法 10
4.2 报警系统的程序设计 10
4.2.1主程序流程图 10
4.2.2 中断函数流程图 11
参考文献 13
致 谢 14
附录一：设计编程程序 15
附录二：硬件电路图 18

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第一章 绪论
1.1 选题背景
随着社会科学的不断进步和发展，人们生活水平得到很大的提高，对个人私有财产的保护越来越重视，因而对于防盗的措施提出了更高的要求。本设计就是为了满足现代生活防盗的需要而设计的应用于家庭、车库、仓库和保险柜等处进行防盗监控的无线防盗报警装置。
目前市面上防盗装备主要有开关式电子防盗报警器、压力触发式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或多或少的存在着一些缺点。本设计的红外线探测防盗报警器是基于红外光的不可见性而设计的，具有报警精确度高、误报率低、设备安装隐蔽等特点，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。这种热释电红外传感器可以通过非接触形式的检测接收人体辐射的红外线，并且将其转变为电信号，通过各部分电路进行报警。同时，热释电红外传感器不仅可用于防盗报警装置，也可用于接近开关、制动控制、遥测等各个领域。
1.2 设计任务与要求
（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、中断控制、报警等模块组成。
(2)本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路、报警器及相关的控制管理软件组成。
(3)系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，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，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。
(4)红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点是能有效判断是否有人员进入。至于报警可采用声光信号。

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第二章 主要元器件选择与介绍
2.1 传感器介绍
现在有关家庭防盗的传感器种类非常多，有门磁传感器、红外线反射开关无线探头、振动位移传感器、人体热释电传感器、雷达波人体检测无线探头等等。本系统考虑到不仅要满足可靠性探测的需求，同时还需要考虑安装操作简便和经济实用，所以本设计选用了人体热释电红外传感器完成防盗监测。当盗贼企图从门窗进入室内进行盗窃时，人体热释电传感器可以检测到人体移动的红外信号，从而进行报警。
2.1.1 热释电红外线传感器简单介绍
热释电红外线(PIR)传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。

2.1.2 热释电红外传感器结构
热释电红外传感器系统主要有光学系统、热释电红外探测头、信号滤波和放大、信号处理电路等几部分组成。其组成框图如图2-1所示：
待测目标

电源
报警电路
信号处理
热释电红外传感器

菲涅尔透镜

图2-1 热释电红外传感器系统组成框图

第三章 系统硬件设计
3.1 整体设计方案
该设计硬件电路的结构框图如图3-1所示，它由红外线探测器、信号放大电路、比较电路、延时电路、显示电路、报警电路和稳压电源组成。
供电电源电路
红外线探测器
报警电路
显示电路
信号放大电路
延时电路
比较电路

图3-1 红外无线防盗报警器的结构框图
红外线探测器由主动式和被动式红外线探测器组成，主动式红外线探测器由红外发光管和接收管组成，被动式红外探测器由红外热释电传感器组成。探测器探测到的微弱信号经过信号放大电路的放大，传输到比较电路，比较电路将探测器探测到的信号与参考值进行比较，除去信号中的干扰信号，提高报警的准确性，比较电路输出的信号传输到报警电路触发报警电路报警。报警电路有声、光报警两种方式组成，并且将声、光报警进行延时，为防止主人启动电路或调试报警器时报警，电路中设计了开机延时电路，为防止交流电网停电或入侵者切断交流电，该报警器配有交流电源和直流电源，直流电源有蓄电池提供，并且交流电源和直流电源可以自动切换。本报警器属于多路探测报警器，探测器有两种类型，可以根据所要监测的区域特点进行选择使用，同时显示报警部分可以显示发生报警的监测区域。硬件电路图见附录二所示。其中，各部分电路设计如下。
3.2 信号放大电路
3.2.1 主要电路元件介绍
LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-2所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-3。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
图3-2运算放大器

图3-3 LM324的引脚图

3.2.2 实现功能
当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，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，然后经放大电路将电信号放大传给单片机。其电路原理图设计如图3-4所示。

图3-4 信号放大电路
3.3 比较电路
3.3.1实现功能
电压比较器的作用是将一个模拟电压与一个参考电压相比较。在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变。其电路原理图如图3-5所示。

图3-5 比较电路
3.4声音报警电路
3.4.1 主要电路元件介绍
三极管SS8050是一种常用的普通三极管。 它是一种由硅制作的低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管。

3.4.2 实现功能
此电路通过接受单片机传送来的电平信号，驱动高音报警器使高音喇叭发声从而达到报警效果。其电路原理图设计如图3-7所示。

图3-7 声音报警电路

3.5灯光警示电路
3.5.1 主要电路元件介绍
继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
3.5.2 实现功能
此电路通过接受单片机传送来的电平信号，驱动灯光警示电路使炫目灯亮起从而达到报警效果。其电路原理图设计如图3-8所示。

图3-8 灯光警示电路
3.6 显示电路
3.6.1 主要电路元件介绍
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。其原理图如3-9。

图3-9 八段数码管引脚图
其中引脚图的两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。

3.6.2 实现功能
本系统使用共阴极数码管做为状态显示电路，在正常无人非法闯入室内时数码管的DP点闪烁，若有人闯入数码管则显示E来提示有人非法闯入。电路原理图如图3-10所示。

图3-10 显示电路
3.7供电电源电路
3.7.1 主要电路元件介绍
L7805CV是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别，用的最多的还是7805，下面我简单的介绍一下他的3个引脚以及用它来构成的稳压电路的资料。如图3-11所示，其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的正5V输出电压。

图3-11 L7805CV引脚图

3.7.2 实现功能
通过此电路为整个电路各个模块提供其工作所需电压。其电路原理图设计如图3-12所示。

图3-12 供电电源电路

第四章 系统软件设计
4.1 单片机程序语言设计
4.1.1 单片机汇编语言程序设计的基本步骤
单片机汇编语言程序设计的基本步骤如下：
(1) 设计任务的分析、确定思路或算法。
(2) 程序的总体设计并画出流程图。
(3) 编写源程序。可在编译软件下编程，要求简练、层次清楚、字节数少和执行时间短等。
(4) 源程序的汇编和调试。
(5) 编写程序说明文件。
4.1.2 汇编语言程序设计方法
(1) 汇编程序的基本结构总是简单程序、分支程序、循环程序、查表程序子程序、中断程序等结构化的程序模块有机组成的。
(2) 划分功能模块进行设计。
(3) 自上而下逐渐求精。
4.2 报警系统的程序设计
4.2.1主程序流程图
如下图4-1所示:在开机后，单片机首先进行初始化，将数码管、高音警报器、炫目灯等外设关闭，同时将中断总允许位、外部中断0允许位和定时计数器T1开启，关闭外部中断1允许位和定时计数器T0。其中布防/撤防按键用来触发外部中断0，热释电传感器用来触发外部中断1，外部中断1允许位的开启与关闭由外部中断0来控制。方便对报警器进行布防与撤防功能。定时计数器T0用来控制高音报警器的发音频率以使其发出逼真的报警声；定时计数器T1用作延时函数按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如图4-1所示；
图4-1 主程序工作流程图
系统初始化
声光报警结束

检测外部有
无信号输入
声光报警是否持续10秒

开始
启动声光报警电路开始报警

是否还有检测信号等待下次报警

结束
Y
N
N
Y
Y
N

4.2.2 中断函数流程图
下图4-2、4-3为中断函数流程图：

外部中断0请求

打开外部中断1允许位，并将数码管、高音报警器、炫目灯关闭。

图4-2

外部中断1请求
延时10S

数码管显示E，炫目灯开启。同时开启定时中断0允许位

定时中断T0请求

T0重装初值、高音报警器取反

关闭各个外设

图4-3

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参考文献

[1] 张军. AVR单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2005年
[2] 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 北京：高等教育出版社 2004年10月
[3] 杨志忠. 数字电子技术. 高等教育出版社. 2000年
[4] 黄智伟 无线发射与接收电路设计 北京：北京航空航天大学出版社 2004年5月
[5] 吴少军、刘光斌 编著 单片机实用低功耗设计 人民邮电出版社
[6] 谭辉.Nrf401 无线收发芯片的长距离通信设计［J］.今日电子, 2004,12,(I);78
[7] 韩毅;上班族,如何保护自己的家——家庭防盗报警系统[J];安防科技;2003年07期
[8] 钱晓军;家庭无线智能防盗报警系统[J];安防科技;2003年07期
[9] 宋松娥;安全防盗报警系统的组成及其作用[J];中国安防产品信息;1993年02期
[10] 范冰彦;家庭无线智能防盗报警系统[J];安防科技;2003年03期

致 谢
此次课程设计是在卢纪丽老师悉心指导下完成的。卢老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对学生尽职尽责的教导都给我留下了十分深刻的印象。在此，我向卢老师表示衷心的感谢!
通过本次课程设计，我增强了理论与实践结合的能力，锻炼了我的意志，更使我增强了信心。

附录一：设计编程程序
//**********************************
//名称：家庭防盗报警系统程序
//**********************************
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit spk=P1^2;
sbit led=P1^0;
uchar FRQ=0x00;
sbit star=P0^7;
/*****延时函数，定时/计数器T1****/
void delay(uint t)
{
uint i;
for(i=0;iTH0=0XFE;
TL0=FRQ;
spk=~spk;
}

/*****外部中断1，检测到传感器信号后进行报警控制*****/
void EX1_INT() interrupt 2
{
P0=0X79; //数码管显示E,表示有人传入
led=1; //炫目灯开启
TR0=1; //开启定时中断0允许位
delay(1000);
TR0=0; //关闭定时中断0允许位
P0=0X00;
led=0;
spk=0;
}

/*****外部中断0.布防/撤防功能*****/
void EX0_INT() interrupt 0
{

EX1=~EX1; //开启/关闭外部中断1允许位
P0=0X00;
led=0;
spk=0;
}
/*****主函数*****/
void main()
{
P0=0X00; //置数码管黑屏
led=0; //关闭炫目灯
spk=0; //关闭高音报警器
EA=1; //开启中断总允许位
EX0=1; //开启 外部中断0允许位
EX1=0; //关闭 外部中断1允许位
ET0=0; //关闭 定时中断T0允许位
ET1=1; //开启 定时中断T0允许位
IT1=1; //设置外部中断1触发方式为下降沿
IT0=1; //设置外部中断0为触发方式为下降沿
TMOD=0X11; //定时/计数器工作在模式1中
TH0=0X00; //对定时计数器T0赋初值
TL0=0XFF;
TR0=0; //关闭定时/计数器T0,由外部中断1控制开启
TR1=1; // 开启定时计数器T1
while(1)
{
star=!star;
delay(10);
}
}
附录二：硬件电路图