基于51单片机的防盗报警系统的设计课程设计报告.doc

河北联合大学轻工学院 qinggong college, hebei united university 自自动动控控制制原原理理 课课程程设设计计报报告告 设计题目：基于设计题目：基于 51 单片机的防盗报警系统的设计单片机的防盗报警系统的设计 学生姓名：李萌学生姓名：李萌 学学 号号：201124520111 专业班级：专业班级：11 自动化自动化 4 班班 学学 部：信息科学与技术部部：信息科学与技术部 指导教师：指导教师：马马 亮亮 2013 年 12 月 25 日 摘 要 -i- 摘 要 本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单，成本低，安装 比较方便，而且防盗性能比较好，抗干扰能力强，灵敏度高，安全 可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被强盗发现，同时它的信号经过 单片机系统处理后合 pc 机通信，用于多用户统一管理。本设计包 括硬件和软件两个部分。硬件部分包括单片机控制电路，低频带通 放大电路电压比较整形电路，声音报警电路，灯光警示电路，状态 显示电路，供电电源电路等部分构成。处理器采用 51 系列单片机 at89c51，整个系统是在系统软件控制下工作的。 关键词 单片机；红外传感器；数据采集；报警电路 目 录 -ii- 目 录 摘 要i abstractii 第 1 章 绪论.1 1.11.1 防盗报警系统的现状 2 1.2.本课题的来源 2 1.3 本文主要内容 2 1.4 本章小节 2 第 2 章 防盗报警系统的研究.3 2.1 方案选择论证 3 2.2 主控芯片单片机的选择3 2.3 传感器的选择5 2.3.1 传感器的红外辐射与红外探测的原理结构.5 2.3.2 红外测温原理.5 2.3.3 热释红外传感器的结构.5 2.3.4 菲涅尔透镜.5 2.3.5 热释电红外传感器控制电路芯片的选择.5 2.4 本章小结 6 第 3 章 家庭防盗报警的分析和设计.8 3.1 低频带通放大电路.8 3.2 电压比较整形电路.9 3.3 双限电压比较器的工作原理10 3.4 报警电路. 11 3.5 灯光警示电路. 12 3.6 状态显示电路. 13 3.7 供电电源电路14 3.8 单片机最小系统. 14 3.9 家庭防盗报警的流程 图.15 4.0 本章小结.15 结 论.16 参考文献.17 目 录 -iii- 谢 辞.18 附 录一 家庭防盗报警原理图19 附 录二 家庭防盗报警程序20 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪论 1.1 基于 51 单片机防盗报警系统的设计的现状 11.1 在国内外的发展状况 报警设备对于保护人们的生命和财产安全至关重要。目防盗报警 产品在我国的普及率只有 20%，与欧美等发达国家高达 70%的普及 率相比，我国防盗报警产品市场的发展才刚刚起步。随着人们安全 防患意识的提高，会有更多的人选用家庭安防报警产品，可以预见 家庭安防报警将会有非常广阔的发展空间。 随着现代电子技术，计 算机技术。通信技术，传感技术和制造技术等的迅速发展，有关家 庭安防报警随着现代电子技术，计算机技术。通信技术，传感技术 和造技术等的迅速发展，有关家庭安防报警方面的产品也愈来愈丰 富。 可以预见，智能住宅将成为 21 世纪建筑业的发展主流特别是在 我国随着人们生活日益提高评价住宅小区的重要指标。住宅小区是 否智能化，安防系统是否完备，可靠将成为评鉴住宅小区的重要指 标。 河北联合大学轻工学院 -2- 1.1.2 当前基于 51 单片机防盗报警系统的设计的特征 现在的家庭安防产品虽然具有良好的报警处理功能，但有 些产品由于功能较少或价格高等原因而难于普及，更没有将加 密技术和视频监控技术等很好的融入到整个家庭安防报警系统 中来。 1.2 家庭防盗系统的现状 随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活 水平得到很大的提高，人们私有财产也不断地增多，因而也对防盗 措施提出了新的要求。 从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体 花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至 几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用 于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区 的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提 高。 1.3.本课题的来源 第 1 章 绪论 -3- 目前市场上出现了非常多的家用防火防盗产品，安防产品可大致 分为视频监控,防盗报警等相对料为独立的几大应用领域。就家庭防 火防盗报警系统方面而言，以上列举的这些家庭安防产品虽然具有 良好的报警处理功能，但有些产品由于功能较少或价格高等原因而 难于普及，更没有将加密技术和视频监控技术等很好的融入到整个 家庭安防报警系统中来。 1.4 本文主要内容 研发一种适合于家庭等处的低价位，运行可靠的具有自动拨号， 语音录放和视频录像等多功能的安防报警系统具有很强的现实意义 和广阔的应用前景。本文结合实际需要研究并实现了一种智能防火 防盗报警系统。 1.5 本章小结 综合以上报警器的不足，本系统采用了热释电红外传感器，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，抗 干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被 盗贼。 注 释 -4- 第 2 章 基于 51 单片机防盗报警系统的设计的研究 2.1 方案选择论证 防盗报警系统一般是由入侵探测器、防盗报警控制器和接警中 心（硬件加软件）组成。它的最简单形式是本地（家庭、单位）报 警系统，它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器，以及声光 报警器。 该系统设计方案有以下两种： 方案一；利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报 警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警 情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固 定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、 数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地 址、方位、发案时间、所辖派出所（巡逻大队）经历分布，及时调 动警力做出快速处理。 方案二；通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片 机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。 通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效， 固本设计选择方案二。 2.2.1 at89c51 的主要性能 1)与 mcs-51 单片机产品兼容 2) 4k 字节在系统可编程 flash 存储器 谢 辞 -5- 3)1000 次擦写周期 4)全静态操作：0hz24hz 5)三级程序存储器锁定 6)32 个可编程 i/o 口线 7)两个 16 位定时器/计数器 8)五个中断器 9)可编程串行通道 10)低功耗空闲和掉电模式 12)看门狗定时器 2.3 传感器的选择 2.3.1 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构 热释电传感器是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的,红外 测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范 围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于 工业、农业、交通等领域。 非接触红外测温有以下几点优点： （1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的 测温准确度。 （2）测温范围宽。 注 释 -6- （3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。 （4）不必接触被测物体，操作方便。 （5）可以确定微小目标的温度。 非接触测温技术的意义是显而易见的。随着工农业、国防事业、 医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合，温度测量逐步 上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。 通常将电磁波谱间隔在 0.761000m 的区域称为红外光谱区， 红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。 热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度 变化 p 的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这 种性质被称为热释电极或热释电效应。 有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这 些晶体称作热释电铁电体。例如：litao2(钽酸锂)、bati o2(钛 酸钡)和 tgs（硫酸三甘酞）等。为了使传感器能够长期稳定地工作， 提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了 tgs 晶体制作的双型探 测器 2.3.2 红外测温原理 红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物 理学可知，处于绝对温度（273.15）以上的任何物体，都要释 放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能， 并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。 谢 辞 -7- 由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红 外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温 度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能量 出物体的辐射功率，则可确定它的温度。 2.3.3 热释红外传感器的结构 红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热 释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工 作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、 光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广， 容易使用。常用的热释电探测器如：litao2(钽酸锂) 探测器、bati o2(钛酸钡) 探测器和 tgs（硫酸三甘酞）探测器等。 如图 2-1 为热释电红外传感器的结构图、电路图。传感器的敏 感元为 pzt，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以 提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容 的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故 在管内附有 jfet 及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。在管壳的顶 部设有虑光镜（to5 封装） 。图 2-2 为热释电传感器的实物照片。 图 2-1 注 释 -8- 图 2-2 热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极 化强度下降。温度升高到 tc 时，自极化消失，此温度称为居里温度。 温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体， 极化强度变为零。 由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负 极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中 和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是 自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时 间很短，约 1012s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内 的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因 此可在动态条件下测量自发极化。 如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在 电极上感应的电荷量为： 谢 辞 -9- q=aps 当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温 度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相 当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。 如图 2-3 所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流 过负载经放大后成为输出信号。 图 2-3 2.3.4 菲涅尔透镜 目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔 透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器 只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可 使传感器的探测半径从不足 2m 提高到至少 8m 范围。菲涅尔透镜实 际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的 视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图 4 所示)。这样，当 人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红 外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区 和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或 注 释 -10- 者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视 场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿 又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一 个又一个相应的电信号。 图 2-5 菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其 焦距一般在 5cm 左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白 色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到 十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。 2.4 热释电红外传感器控制电路芯片选择 热释电红外传感器输出的检测信号很小。要经过放大、比较等 几个环节才能输出控制信号。使电路执行相关动作。热释电红外传 感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上 述功能的电路。本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控 制系统。下图 2-6 是控制电路的结构框图： 谢 辞 -11- 低频放大比较整形 vi vo 图 2-6 lm324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。 与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电 流为 mc1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源， 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组 运算放大器可用图 2-7 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 2-8。 图 2-7 lm324 的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3v-32v 注 释 -12- 4.低偏置电流：最大 100na 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能 本章小结 我们应该正确掌握各器件的基本知识和用途，这样它们才能被 我们正确使用，进而去去到达我们的目的。 3 系统硬件设计 3.1 低频带通放大电路 热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅 1mv 左右，频率为 0.110hz，需经高增益、低噪声低频放大器放大后，才能进一步处 理，一般来讲，要求放大器的增益为 6070db,带宽 0.37hz。放大 器的带宽对可靠性和灵敏度有重要影响，带宽窄，噪声小误动作率 低；带宽宽，噪声大，误动作率高！ 如图 3-1 所示，本系统采用 lm324 中的两个集成运算放大器构 成低频带通放大电路，lm324 内部集成了四个独立的高增益运算放 大器，其电流小（典型值 is=1.0ma） ，且与所加电源电压的大小无 关，频率补偿及偏置电流均采用了温度补偿措施，性能稳定。采用 谢 辞 -13- 单电源供电。 图 3-1 放大器要求： 增益：6070db 带宽：0.37hz 工作原理： 放大电路的电压增益为： a=1+2fr12c4/(1+2fr7c4)(1+2fr12c4) 一般要求放大电路的增益为 65db。 电路的上下限截至频率为： fh=1/r12c7,fl=1/r7c4 3.2 电压比较整形电路 注 释 -14- 图 3-2 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。本系统应用 lm324 剩余的两个集成运算比较器构成一个双限电压比较器。 3.2.1 双限电压比较器的工作原理 如上图 3-2 所示：基准电压分别由(r6+r14)和 r14 分压提供。 当输入电压 vo113 脚 电压时，比较器也输出高电平。而当 6 引脚电压 #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit spk=p12; sbit led=p10; uchar frq=0x00; sbit star=p07; /*延时函数，定时/计数器 t1*/ void delay(uint t) uint i; for(i=0;it;i+) frq+; th1=(65536-20000)/256; tl1=(65536-20000