单片机课程设计（论文）-红外线警报器设计.doc

摘 要 本文介绍了红外发射和红外接收的工作原理及其特点，提出了一种 红外线接收发的简单应用电路，并基于 at89c51 单片机设计了一个简 单的红外遥控报警电路。用红外线做信号载波具有成本低、传播范围和 方向可以控制、不产生电磁辐射干扰和被干扰等诸多优点，因此被广泛 地应用在各个技术领域中。 目 录 1. 引言1 2. 设计方案思路2 3. 总体设计2 4. 硬件设计1 4.1 硬件介绍.1 4.2硬件电路2 4.2.1 红外对射电路2 4.2.2显示电路原理 .3 4.2.3 报警电路原理4 5. 软件设计5 5.1 总体方案.5 5.2 程序流程图.5 5.3模块说明6 6. 制作与调试7 6.1 硬件电路的布线与焊接.7 6.2 调试.8 7. 结论8 参考文献9 谢 辞.10 附件 1红外线收发技术系统原理图 .11 附件 2红外线收发技术 pcb 图 .13 附件 3程序清单 .14 附件 4 元器件清单 16 1 1. 引言 当今年代，红外线发展火热。红外线(infrared rays)也是一种光线，由于它的波 长比红色光（750nm)还长，超出了人眼可以识别的（可见光）范围，所以我们看不 见它。红外线由德国科学家霍胥尔于 1800 年发现，又称为红外热辐射(infrared radiation)。通常把波长为 0.751000m 的光都称为红外线，并可以按照波长继续 细分为三部分，即近红外线，波长为 0.751.50m 之间；中红外线，波长为 1.506.0m 之间；远红外线，波长为 6.0l000m 之间。红外对射的特点是不影 响周边环境、不干扰其它设备，红外线是一种光线，但又不同于普通可见光，它不 会被察觉有了它不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻了人们的劳动 强度，改善了劳动条件。可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对 射系统，称为主动式红外线应用系统。当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻挡 时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地 构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面， 过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有 移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的目的1。使用红外线做信号载波的优 点很多：成本低、传播范围和方向可以控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成 影响） 、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。因此被广泛地应用在各个技术领域 中2。 红外防盗报警器有以下的优势： 1、无形的防卫方式：打破传统的防盗方式，使入侵者在不知不觉中触警。 2、良好的抗干扰特性：当昆虫或小动物等通过防盗网时，由于不能完全遮断防卫射 束，所以不会产生误报警。 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理 器，俗称单片机3。at89c 单片机的发展为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 高且价廉的方案。 。 2 2. 设计方案思路 本次设计的思路是安装 4 个红外接收头，4 位共阳数码管，一个蜂鸣器。任 意一个红外线切断，数码管显示相应的位数，蜂鸣器接着报警，然后按下复位 键，回到初始状态。 3. 总体设计 红外线报警器采用 at89c51 作为主要的芯片来制作，at89c51 芯片的功能比 较全。红外对射由发射管和接收管两部分组成，当发射管和接收管在某一角度的范 围之内，接收头接收到发射管发出的红外信号时，相应的指示灯点亮。当有障碍物 阻挡了红外对射管之间的信号传输，那么相应的指示灯熄灭，同时报警器鸣叫，提 示报警。 开始 红外发射电 路 一体化红外 接收头 单片机 结束 报警 图 3-1 本方案的红外基本原理 1 4. 硬件设计 4.1 硬件介绍 红外对射管：红外对射管由红外发射管和红外接收管两部分组成。红外发射管 在外加电压的情况下可以产生出红外线。红外线是一种光线，具有普通光的性质， 但又不同于普通可见光，它不会被察觉4。红外线具有可以光速直线传播、强度可 调、可以通过光学透镜聚焦、可以被不透明物体遮挡等等诸多优点5。红外接收管 是与发射管配对的特制二极管，它可以接收到红外发射管发射出的红外线，并产生 微小的光电流，可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对射系统， 称为主动式红外线应用系统。使用中，经常配对出现，当红外线收、发装置之间的 隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号6。利用这种对射系 统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护 或者自动控制方面。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射 式。直射式指的是发光管和接收管彼此相对安放在发射与受控物的两端，中间相距 一定距离；反射式指发光管与接受管并列一起，平时接收管始终无光照，只有在发 光管发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作7。本 次设计的是运用直射方式的红外对射管。 at89c51: at89c51 是一个低电压，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 128bytes 的随机存取数据存储器 （ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元，功能强大的 at89c51 单片机可以提供许多较复杂系统控制应用场合8。at89c51 具有以下标准 功能： 4k 字节 flash，128 字节 ram，32 位 i/o 口线， 2 个数据指针，2 个 16 位定时器/计数器，1 个全双工串行口，片内晶振及时钟电路9。 2 4.2硬件电路 4.2.1 红外对射电路 图 4-1 红外对射电路原理图 红外对射电路一共有四幅同样的红外对射电路构成。图 4-1 为其中的一幅红外 对射电路。当红外发射管 d5 加上电压导通之后，红外接收管 d6 将产生一个微小的 光电流，npn 三极管 q15 的基极将产生一个微小的电流，基极微小的电流存在使得 q15 的 b-e 之间导通，npn 三极管 q15 工作在饱和状态，c-e 之间的电阻很小，近 似短路，集电极相当于直接接地，电压为 0v。q15 的导通使得 q10 的集电极电位 近似于 0v,则 pnp 三极管 q10 饱和导通，那么 q10 的发射极和集电极近似为短路， 相当于 5v 的电压加载到发光二极管 d7 和电阻 r43 上，发光二极管点亮，表示红外 对射管已经形成通路。当红外对射管的通路被阻挡，d6 产生不了光电流，三极管 q15、q10 截止， q10 的集电极上的电压相当于 3.7v，发光二极管接地，不点亮， 表示红外对射管不导通。 3 4.2.2显示电路 图 4-2 显示电路原理图 显示电路由四位共阳数码管、pnp 三极管、单片机组成。q6、q7、q8、q9 分 别控制四位数码管显示。当红外对射管 1 号被阻挡，则红外对射电路中的发光二极 管的正端，与单片机相连的引脚上测得 3.7v 的高电平，单片机控制数码管显示“1” ， 提示用户 1 号门有人闯入。同样，当其他的红外对射管被阻挡后，同样会显示 2、3、4，提示用户有人闯入。单片机的 p1 口与数码管的八个显示段相连，三极管 的集电极串联一个电阻后与数码管的片选端相连。当单片机的 p3 口输出为高电平的 时候，三极管截止，若此时 p1 口输出为高电平，则数码管将显示数字“8” 。通过改 变 p1 口输出高电、低电平的不同，数码管将会显示 09 之间的数字10。改变 p3 口 的高低电平则可以选择数码管的位显示。 4 4.2.3 报警电路 图 4-4 报警电路原理图 报警电路由蜂鸣器驱动电路和按键电路两部分组成。当 p2.42.8 口检测到高电 平，即表示有人闯入，则单片机的 p2.2 口将输出低电平，使得 pnp 三极管 q3 饱和 导通，蜂鸣器发出报警声。按键电路是让用户手动解除报警11。当按键按下后，单 片机 p2.0 口检测到低电平，使得 p2.2 输出为高电平，解除报警。 5 5. 软件设计 5.1 总体方案 软件设计是通过不断检测单片机上与红外对射电路相连的管脚的高、低电平， 若测得单片机引脚上为高电平时，表示有人闯入，提示报警，数码管显示闯入的具 体位置。 5.2 程序流程图 开始 延时 延时 结束 检测端口电平 检测端口电平 报警并显示位 置 yes yes no no 图 5-1 程序流程图 6 5.3模块说明 程序初始化模块程序初始化模块： #include unsigned char code table4=0x06,0x5b,0x4f,0x66; sbit p2_7=p27; sbit p2_6=p26; sbit p2_5=p25; sbit p2_4=p24; sbit p2_2=p22; sbit p3_0=p30; sbit p3_1=p31; sbit p3_2=p32; sbit p3_3=p33; unsigned int i; 延时模块：延时模块： void delay30ms(int j) while(j-) for(i=0;i50000;i+); 检测端口电平及显示模块：检测端口电平及显示模块： void main (void) p2_2=1; 定义 p2-1 为高电平； p1=0x00; 定义 p0 口为低电平； p3_0=1; 定义 p3-0 为高电平； p3_1=1; 定义 p3-1 为高电平； p3_2=1; 定义 p3-2 为高电平； p3_3=1; 定义 p3-3 为高电平 7 while(1) 端口电平检测； if(p2_7=1) 如果 p2-7 为高电平； delay30ms(); d 调用延时子程序，延时 30ms； if(p2_7=0) 如果 p2-7 为低电平； p3_0=0; p3-0 为低电平； p2_2=0; p2-2 为低电平； p1=table0; 调用数码管显示程序； 6. 制作与调试 6.1 硬件电路的布线与焊接 对于电子产品来说，电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路， 电路板设计的合理性与产品的生产及产品的质量密切相关，要设计出一个实用的产 品，还必须遵守以下设计原则和抗干扰设计。 1、电路板的选用、电路板的选用 选用环氧树脂板, 环氧树脂与铜箔有极好的粘合力,同箔的附着强度与工作温度 高,可以在 260 度的焊锡熔中不起泡。也可使用覆铜聚四氟乙烯玻璃布层压板。不同 的材料有不同的特点，由于调试中可能多次更换元件，所以要考虑到铜箔的粘合力。 2、走线、走线应应注意的问题注意的问题 线路板的好坏直接影响着放大器的性能，不好的线路板，会使信号产生歧变，产 生本底噪音生尖峰脉冲干扰等，为了尽避免上述影响，线路板在线出尽量做到：接 照信号的传输路径由小到大的顺序在电路板上各路的布置各元器的位置，尽量缩短 各元器件之间的距离，以减少外部干扰的引入和不必要的干扰。在供电线路中，大 电流通过的路径应尽量设计得实一些，以降低电源内阻，使电流能顺利通过。在供 电线路中，应尽量避免大电流的印刷电路式导线交布置在小电流通路的中间式附近， 以免造成对小电流的干扰。走线时，应尽量走大于 90 度直角的线以防止产生尖峰脉 8 冲造成干扰。在焊接的时候都是通过手工完成，在打孔时也是通过手工操作电钻完 成，而我们并不是这方面的技工，这将在打孔的时候无法避免一些技术失误。如果 焊盘的直径过小，在打孔时，孔稍微大了一点，焊盘便没有了。所以在设计旱盘大 小是都设置为大于 2 毫米。线的宽度问题很重要，由于在学校的条件是手工腐蚀铜 板，考虑到热转印中，炭粉的吸附与脱落问题，防止出现断线的情况，布线宽为 1.5-2.5 毫米。地线则尽可能的加宽，设置为环绕在板的边缘。大功率元件与小功率 元件尽量分开布线。 在焊接的过程中要先将体形小的元器件比如电阻、瓷片电容先焊接好，然后再焊 接芯片的插脚和其他体积较大的元器件。焊接好后用数字万用表检测电路是否有短 路和断路以及虚焊现象。 6.2 调试 在调试的过程中，我先调试红外对射部分的电路，接通电源后，发现发光二极 管不亮，我对照原理图和 pcb 板用数字万用表检测每个元器件引脚的电压值，发现 原来在画图的时候三极管的三个引脚接反了，我将三极管重新焊接后，发光二极管 点亮。然后我将写好的程序烧录进单片机调试整个电路的工作情况。由于我事先在 仿真器上已经将程序的调试成功，所以当单片机放入电路后用手阻挡了其中一个红 外对射的通路，蜂鸣器发出警报并且数码管显示“1” 。当我按下解除警报的按钮后， 蜂鸣器不发出声响。整个电路完成。 7. 结论 通过本次设计，不但增强了我的动手能力，将以前在书本上学到的理论的知识 用于实践中。大学三年的学习使我积累了较多电子方面的理论知识，为本次设计奠 定一定的基础。在设计阶段，查阅了大量相关的资料，并对这些资料进行筛选、归 纳、分析、总结，最后确定了自己的设计方案。在设计过程中，老师给了我大量的 帮助，不断的指点我，纠正我的错误，使我在完成设计途中避免了很多的弯路，设 计最终获得成功。在此期间真地学到了很多东西。 9 参考文献 1 徐玮，徐富军，沈建良 c51 单片机高效入门