基于单片机的红外防盗报警器设计

南昌工程学院本科毕业论文第三章系统硬件设计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3-2运算放大器图3-3LM324的引脚图图3-3LM324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3.2.3原理分析热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.1~10HZ，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60~70dB,带宽0.3~7HZ。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3-4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。采用单电源供电。放大器要求：增益：60~70DB带宽：0.3~7HZ工作原理：放大电路的电压增益为：A=1+2πfR12C4/(1+2πfR7C4)(1+2πfR12C4)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在单电源供电的情况下，外加电压分压器后，可保证运放输出电压有较大的动态范围。静态下应将输出端电位设在1/2处，方法是：ICA外接R4、R10分压器，将1/2VCC引至运放的同相输入端，这相当于将输入偏置电压垫高1/2VCC,从而使输出电压的静态电位定在1/2VDD处。与ICA一样，ICB为了保证运放输出电压有较大的动态范围，同样设置了分压器。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3.3.2原理分析本系统应用LM324剩余的两个集成运算比较器构成了一个双限电压比较器。如图3-5所示：基准电压分别由(R6+R14)和R14分压提供。当输入电压VO1<5引脚电压时，比较器输出高电平；当VO1>13脚电压时，比较器也输出高电平。而当5引脚电压<VO1<13脚电压时，比较器输出低电平。如图3-6所示：图3-6当人体通过菲涅尔透镜组成的传感器现场时，传感器输出一交变信号。其变化幅度大于13引脚电压，小于5脚电压，才能使比较器输出高电平，否则为低电平，而前级放大器静态时输出电压基本为1/2VCC，处在5引脚和13引脚电压之间，故比较器输出为0。所以两引脚电压的差值越接近1/2VCC，电路的灵敏度越高，但容易因噪声干扰产生误动作，若两引脚的差值远离1/2VCC，电路的可靠性将提高，但灵敏度降低。一般基准电压可按下列式子来计算：V差值=（4~5）VN式子中VN为噪声电压。传感器给出的噪声电压，是指传感器噪声输出的信号经过70dB以上的放大后的噪声电压的峰-峰值。本产品的噪声电压大约为80mV,所以有V差值=（4~5）80mV=320~400mV.这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。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3.4.3原理分析如下图3-7所示：高音报警电路选用12V的高音喇叭作为报警装置，使用SS8050大功率三极管做驱动电路，当SPK为高电平时，三极管导通，传送信号至高音报警器使高音报警器发声报警。反之则截至。本系统中经过软件设置使报警器真实模拟了声音频率均匀拉高，还原、再拉高的过程。形成频率在976~1945Hz之间平滑递增的声音效果。实现报警器声音非常逼真。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。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：1）扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。4）自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。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3.5.3原理分析如图3-8所示：这里我们选用12V的炫目灯做灯光警示电路，因炫目灯在正常工作状态下电流比较大，所以这里我们选用使用继电器控制其开关的方案。这里我们照样使用三极管驱动继电器工作。并联在线圈的两端的是续流二极管，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不是立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管。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3.6.3原理分析在这里，串联的几个470欧电阻是限流电阻。因为数码管是由发光二极管按照一定的顺序排列制成的元件，每个发光二极管的内阻非常小，正常工作电流大致在10~25mA，如不串入限流保护电阻，直接连接很有可能瞬间烧坏数码管。我们可以依公式来计算出限流电阻的阻值：R=U/I;其中U=5V,I=（10~15）mA,可得R=330~500欧。这里我们选用典型值470欧。10K电阻为上拉电阻，以保证P0口可以输出高电平。当P0口输出高电平时其对应的发光二极管导通，二极管亮，P0口0-7根据不同的电平输入显示不同的数值。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3-11L7805CV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3.7.3原理分析如下图3-12所示，本系统采用L7805CV来做电压芯片，因为其输出电流可达1.5A,可满足本系统各个电路部分5V的供电电压。在电源的两端并联的大电容和小电容起滤波作用。大电容是滤除低频，小电容是滤除高频。在其两端再并入同系列的大小电容可获得很宽频率范围的滤波特性。3.8单片机最小系统3.8.1主要电路元件介绍石晶振荡Y1（石英晶振即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称），它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。3.8.2实现功能通过振荡得到一个稳定的时钟频率。利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。其电路原理图设计如图3-13所示。图3-13单片机最小系统3.8.3原理分析如下图3-13所示，单片机的采用得是5V电源供电，时钟电路（也就是振荡电路）采用的是11.0592MHZ晶振，它可以向单片机提供一个正弦波信号作为基准，来决定单片机的执行速度。图中的电容起稳定作用。其复位电路采用的是混合复位电路，在上电的时候就会自动复位，也可进行手动复位。这样就可以方便在单片机死机的时候进行重启。参考文献南昌工程学院本科毕业论文南昌工程学院本科毕业论文系统软件设计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。4.1.3Keil简介KeiluVision2是德国Keil公司开发的一款关于8051系列MCU的开发工具，它支持汇编、C语言及混合编程，是一种集成化的文件管理编译环境，可用来编译程序源码、链接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等。KeiluVision2具有强大的仿真功能，可不接硬件电路直接进行用户程序仿真，也可利用硬件仿真器(用Monitor51协议，需硬件支持)，通过连接单片机硬件电路，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真调试。在keiluVision2中编制程序：(1)新建项目。启动uVision2，选择Project→NewProject菜单项，打开对话框，输入项目文件名并选择保存路径。项目文件保存完后，弹出SelectDeviceforTARGET‘TARGET1’对话框，是新建项目的CPU元器件选择，选AT89S52。(2)在项目中添加源程序文件。在菜单中选择File→New，新建源程序文件。输入源程序，然后把程序保存在项目所在的目录中，为文件取一个名，若是C语言编写的程序，扩展名为.C，若是汇编语言编写的程序，扩展名为.ASM。接下来，将该文件添加到项目中，用鼠标在屏幕左边的SourceGroup1文件夹图标上右击弹出菜单，选择AddFiletoGroup‘SourceGroup1’命令，弹出文件窗口，选择刚刚保存的文件，按ADD按钮，关闭文件窗口，程序文件即可加到项目中。(3)项目的编译、链接。将光标指向项目窗口中的文件名，并右击，在快捷菜单中选择Buildtarget选项，uVision2将自动完成对当前项目中所有源程序模块的编译、链接，得到.HEX目标文件。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YNNYYN4.2.2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。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图4-2外部中断1请求延时10S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T0重装初值、高音报警器取反关闭各个外设关闭各个外设图4-3第五章总结本设计采用KeilC51开发系统，完成了各个程序模块规划及各模块的设计与编程，同时实现了对整个信号处理过程的编程与调试。它具有使用简单、功能齐全、性价比高等一系列特点，是一种经济型、实用型的家庭防盗报警系统。本设计研究了一种基于单片机技术的红外无线防盗报警器。该防盗报警器通过以单片机AT89C51为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能够有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。

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