热释电红外线报警系统测试报告.doc

基于《AT89S52的家庭防盗报警器》的设计
摘要
家庭防盗报警器，采用MCU微控制器。AM ,ROM,CPU构成，定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
该设计由控制器，显示系统，传感器，电源等，四大部分组成。控制器采用目前以应用非常成熟的AT8S52单片机作为控制核心器件，显示系统采用以为数码管显示，传感器是热释电红外线传感器，和集成稳压电源。
关键字：报警系统，数码管显示，热释电红外线传感器，集成运放
引言
目前，智能化小区建设在全国范围内迅速开展起来，利用现代科技力量，为小区居民住户提供保安、生活、消费、信息等多种服务，提供一个安全、舒适的生活环境，已经被众多房地产开发商所认识。在激烈的房地产市场中，加大小区住宅科技含量，建设适用的“智能化”小区，满足新形势下市场要求，已经成为房地产建设中一道亮丽的风景线，成为房地产销售中新的卖点。
在顺应时代的脚步中，我们设计的家庭报警器应运而生，目前市场上已有无数的报警器，能适应各种环境，通过市场调查，我们发现市场上很多报警器都存在诸多不足，我们在综合市场的情况和确定消费人群的情况只下，制定了该的家庭报警器，本系统能够实现精准报警，准确率高达99.5%，并且价格便宜，适应各类消费人群。
该系统采用AT89S52单片机作为核心控制器件，能够有效的减少外围电路，实现小型化，传感器采用D203S热释电红外线传感器，属于非接触式传感器，能够很好的隐蔽。
该系统采用MCU微控制器和热释电红外线传感器具有很好的发展前景和开发价值。

一.系统设计
1.1方案比较
1.2.1显示模块
方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。虽然其功能强大，可显示各种字体的数字、汉字，图像，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要完成大量的显示工作。
方案二：采用发光二极管（LED）显示。虽只能显示非常有限的符号和数码字，但可完全满足本设计数字显示的要求，且编程简单，价格便宜。
分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用。
1.2.2 报警系统
方案一：采用GMS模块，当小偷实施偷窃行为时，直接报警，并向用户发送信息，但是成本高，编程复杂，需完成大量的工作。
方案二：直接采用扬声器，当小偷实施偷窃行为时，扬声器发出警报声，恐吓小偷，并提醒物业小区保安，成本低，且易安装，电路简单。
分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用。
1.2.3 传感器模块
方案一：采用D203S热释电红外线传感器，该传感器属于开关型传感器，只输出“高”，“低”两种状态，且检测范围宽，编程简单，电路简单。
方案二：采用红外线点对点传感器，虽然也属于开关型传感器，但是检测范围窄，不易安装。
分析以上两种方案的优缺点，第二种方案更为方便、实用。
1.2系统框图
MCU
（单片机）
传感器
D203S
显示模块（LED）
（）
报警电路（扬声器）
电源

图1-1 硬件结构框图

1.3软件结构图
结束，并返回继续检测
发出警报，并显示，延时10秒后在检测传感器，警笛报警30秒
是否有传感器报警
循环检测各传感器
初始化

图1-2 软件结构框图

二.电路分析与设计
2.1.传感器及信号处理电路
D203S传感器检测到的人体红外线信号非常的弱，所以就得有放大电路进行信号处理。用集成运放构成的交流放大电路具有线路简单、免调试、故障率低等优点，如今许多电子产品中的交流放大电路普遍采用运放构成，全面分析集成运放构成的各种交流放大电路的组成和参数计算，有助于对该类电路的检修，以及合理设计和使用集成运放构成的交流放大电路。在设计单级运放交流放大电路时，
(1)选择能够满足使用要求的集成运算放大器。在采用电容耦合的交流放大电路中，由于电容隔直流，交流放大电路输出的温度漂移电压很小。因此，对集成运放漂移性能的要求可以降低，主要从转换速率、增益带宽、噪声等方面来考虑选用集成运放。对脉冲信号、宽频带交流信号和视频信号等，应选用转换速率较高增益带宽至少是最高工作频率10倍的集成运放。对音质要求比较高的音频交流放大电路中常采用高速低噪声的集成运放，如双运放的4558、ENE5532等。
(2)确定采用双电源供电还是单电源供电。在使用条件许可的情况下，运放交流放大电路尽量采用双电源供电方式，以增大线性动态范围。当集成运放双电源使用时，正、负电源电压一般要对称。且电源电压不要超过使用极限，电源滤波要好。为了消除电源内阻引起的低频自激，常常在正、负电源接线与地之间分别加0．01～0．1 μF的电容退耦。使用单电源供电时，运放同相输入端电位要小于该运放的最大共模输入电压。
    (3)确定输入信号是同相输入还是反相输入。若要求放大电路的输入电阻比较大，应采用同相输入式交流放大电路。因为反相输入式交流放大电路输入电阻的提高会影响电压增益。由相关计算公式可知，增大反相输入式交流放大电路输入电阻时，该电路电压增益将减小，且电压增益也会受信号源内阻的影响。所以在设计反相输入式交流放大电路时，有时输入电阻和电压增益的选择难以兼顾。而采用同相输入式交流放大电路时，双电源供电的输入电阻值适当增大，或者单电源分压电阻值适当增大，就能够提高放大电路的输入电阻，而对电压增益无影响。
(4)确定交流放大电路电压增益。单级运放交流放大电路的电压增益Au通常不要超过100倍（40DB）。过高的电压增益不但会使放大电路的通带下降，也容易感应高频噪声或产生自激振荡。如果要得到一个放大倍数比较大的放大器，可用两级等增益的运放电路或者多级等增益的运放电路来实现。
  (5)确定交流放大电路中的电阻值。一般应用中阻值在1～100kΩ之间比较合适。高速的应用中阻值在100Ω～1k Ω之间，但会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1～10M Ω之间，但会增大系统噪声。先设定图中运放反向输入端R电阻值，根据相关电路的电压增益计算式，再估算出反馈电阻RF的值。最好采用金属膜电阻，以减小内噪声。
    (6)确定放大电路中的电容值。信号耦合电容的大小决定放大电路的低频特性。根据交流放大电路信号频率的高低选择耦合电容值。若放大的是低频交流信号如音频信号，耦合电容值可选择1～22μ F之间；若放大的是高频交流信号，耦合电容值可选择1000pF～0．1 μ F之间。同相输入式交流放大电路引入直流全反馈的隔直流电容值由式估算。式中f是输入信号的最低频率。
2.1.1.传感器
D203S热释电红外线传感器的典型接法，RI为信号源内阻。C1滤除高频干扰。

图2-1 感感器
2.1.2.信号放大电路
该图使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R4和R 5分压，使运放同相输入端电位 为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R5两端并联滤波电容，消除谐振；由于C3隔直流，使R3引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。放大电路的电压增益为 ,大电路的输入电阻Ri≈R，放大电路的输出电阻R0=0。
两级的放大倍数

图 2-2 信号放大电路
2.1.3.信号输出电路
该输出电路采用运放制作的比较器作为输出，可以调节输出精确度，可根据测试的对象的不同来调节RP1来达到测试要求。测量两米远的目标（人体），传感器采集到的信号经两级放到后的幅值约为2.7V，所有就设计运放的反向输入电压为2.65V。

图2-3 输出电路
2.2.显示电路
LED数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低

图 2-4 显示电路
2.3.报警电路

图 2-5 报警电路
音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号音量和功率级都要理想——如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz～ 20kHz，因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应(驱动频带受限的扬声器时要小一些，如低音喇叭或高音喇叭)。根据应用的不同，功率大小差异很大，从耳机的毫瓦级到TV或PC音频的数瓦，再到“迷你”家庭立体声和汽车音响的几十瓦，直到功率更大的家用和商用音响系统的数百瓦以上，大到能满足整个电影院或礼堂的声音要求。
在本设计中我们采用一级放大输出，应为单片机最大输出电压为5V，幅度足够，但是由于输出功率较低，所以采用一级放大输出，有效驱动扬声器发声。

三.软件设计
C51 是MCS-51系列单片机, 是一种低端的8位CPU, 通常用在工业控制等嵌入式设备中. 主要的软件开发工具有Keil。
Keil的C51是支持51单片机最成功的C语言，它功能强大且代码效率极高，其应用最为广泛。但是，C51和标准C有一定的区别，主要体现在数据类型和数据存储结构上的差别，下面主要介绍C51和标准C有区别的内容。
3.1 C51的数据类型
C语言的基本数据类型有char、int、short、long、float、double。对于C51来说，short和int类型相同，float和double类型相同。也就是说，C51不支持双精度浮点运算。
数据类型
长度
取值范围
数据类型
长度
取值范围
unsigned char
单字节
0~255
float
4字节
±1.18e-38~±3.40e38
char
单字节
-128~127
*
1-3字节
对象的地址
unsigned int
双字节
0~65535
bit
1位
0或1
int
双字节
-32768~32767
sfr
单字节
0~255
unsigned long
4字节
0~4294967295
sfr16
双字节
0~65536
long
4字节
-2147483648
~2147483647
sbit
1位
0或1
表 3-1 C51的数据类型
1、char、int、long三种类型均分无符号型（unsigned）和有符号型（signed，缺省），有符号型的数据采用补码表示，与标准C的定义相同，其数据长度和取值范围见上表。
2、float也与标准C一样，符合IEEE-754标准，数据长度和取值范围见上表。float的使用和运算，需要数学库“math.h”的支持。
3、指针型（*），它本身就是一个变量，只是这个变量存放的不是普通的数据，而是指向一个数据的地址。指针变量本身也要占据一定的内存，在C51中，指针变量的长度一般为1~3个字节。如char * dat表示dat是一个字符型的指针变量，float * dat1表示dat1是一个浮点型指针变量。指针变量直接指示硬件的物理地址，因此用它可以方便对8051的各部分物理地址直接操作。
以上数据类型在标准C中都有定义，以下4种类型是C51的扩充数据类型。
4、位类型：bit
布尔处理器是8051单片机的特色，使用它可以方便进行逻辑操作。位类型（bit）可以定义一个位变量，由C51编译器在8051内部RAM区20H~2FH的128个位地址中分配一个位地址。需要注意的是，位类型不能定义指针和数组。
5、特殊功能寄存器：sfr
8051及其兼容产品的特殊功能寄存器必须采用直接寻址的方式来访问，8051的特殊功能寄存器离散地分布在80H~FFH的地址空间里。sfr可以对8051的特殊功能寄存器进行定义，sfr型数据占用一个字节，取值0~255。
6、16位特殊功能寄存器：sfr16
8051及其兼容产品的16位特殊功能寄存器（如DPTR），就可以用sfr16来定义，sfr16型数据占用两个字节，取值0~65535。
在C51编译器提供的头文件reg51.h中，已经把所有的特殊功能寄存器进行定义，我们可以直接用include命令包括在程序中，参见附录2。注意，在使用时，所有的sfr的名称都必须大写，如开系统中断写为“EA=1”。
7、可寻址位类型：sbit
利用sbit可以对8051内部RAM的位寻址空间及特殊功能寄存器的可寻址位进行定义。
例如：sbit flag = P1^0；表示P1.0这条I/O口线定义名为flag的标志。
在使用中需注意，只有unsigned char 和bit类型是8051CPU可以直接用汇编语言支持的数据类型，它们的操作效率最高。其他的数据类型都有多条汇编指令组合操作，需占用大量的程序存储空间和数据存储器资源。C51还支持结构类型和联合类型等复杂类型数据，与标准C相同，不另介绍。
8、数据类型的转换
不同类型的数据是可以相互转换的，可以通过赋值或者强制转换。赋值转换次序为：bit – char – int – long – float，如果反向赋值，则结果丢弃高位。 强制转换是通过强制转换运算符来实现的，形式为：（类型名）（表达式），如：（int）（x + y）和（float）（5%3）；
3.2 C51数据的存储结构
数据分常量和变量。常量可以用一个标志符号来代表。变量由变量名和变量值组成，每一个变量占据一定的存储空间，这些存储空间存放变量的值。8051的存储空间比较复杂，因此，数据的存放也同样复杂，详见下表：C51的存储器类型。
一般地，C51对变量定义时，除定义数据类型外，还可以定义存储类型。其格式为：
“数据类型 [存储类型] 变量名”，或者“[存储类型] 数据类型 变量名”。
如：unsigned char data name_var，或者data unsigned char name_var。
存储类型为可选项，如果不做存储类型的定义，系统将按照编译时的存储模式来默认。具体默认存储类型参见下表：存储模式与默认存储类型。
存储器类型
说 明
data
直接寻址片内RAM，00~7FH空间，速度最快
bdata
可位寻址的片内RAM区20H~2FH空间，容许位和字节混合访问
idada
间接访问片内00~FFH全部256个地址空间
pdata
使用MOVX @Ri指令访问外部RAM分页的00~FFH空间
xdata
使用MOVX @DPTR访问外部RAM的0000~FFFFH全部空间
code
使用MOVC @A+DPTR访问程序存储器0000~FFFFH全部空间
表 3-2 C51的存储器类型
存储模式
默认存储类型
SMALL
参数和局部变量均为片内RAM，即data存储类型，也包括堆栈
COMPACT
参数和局部变量均为片外分页RAM，pdata存储类型，堆栈置于片内RAM
LARGE
参数和局部变量均为片外64K的RAM，xdata存储类型，堆栈置于片内RAM
表3-3 存储模式与默认存储类型
3.3 C51的中断函数
C51增加了一个intrrupt函数选项，支持直接编写中断服务程序函数。其函数定义的形式为：
函数类型 函数名（） [ intrrupt n ] [ using n ]
函数类型一般定义为void，intrrupt后的 n 是中断号，指示相应的中断源。C51编译器从code区的绝对地址8n+3处产生中断向量。 n 必须是常数，不允许使用表达式。
中断号
中断源
中断向量入口
0
外部中断0
0003H
1
定时器0
000BH
2
外部中断1
0013H
3
定时器1
001BH
4
串行口
0023H
5
定时器2
002BH
表3-4 中断号与中断向量
using n是可选的，n为0~3的常数，指示选择8051的4个寄存器组。如果不使用using n，中断函数所有使用的公共寄存器都入栈。如果使用using n，切换的寄存器就不再入栈。注意，带using的函数不允许返回bit类型数值。
编写C51的中断函数时，需要注意的几个问题：
（1） 中断函数没有返回值，因此它必须是一个void类型的函数；
（2） 中断函数不允许进行参数传递；
（3） 不允许直接调用中断函数；
（4） 中断函数对压栈和出栈的处理由编译器完成，无需人工管理；
（5） 需要严格注意using n的使用，必须确保寄存器组的正确切换。
3.4 程序清单
程序清单 附录（1）

四.系统测试
4.1 测试仪器：
4.2 测试方法：
4.3 测试结果：
五.结论
本系统以AT89S52单片机为核心控制器件，实现各种控制及运算。
设计和调试过程中遇到了许多困难和问题，通过认真分析和实践验证获得较为理想的效果，这也让我们深刻体会到了团结协作的重要性，提高了解决实际问题的能力。
[参考文献]
[1] 张毅刚，等。新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.
[2] 江晓安，董秀峰，等。模拟电子技术（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007
[3] 全国大学生电子设计竞赛组委会，第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京：北京理工大学出版社，2003，第一版

附录
附录（1） 程序清单