热释电报警电路设计黄河科技学院课程设计4

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热释电检测报警电路设计

摘要

本论文从硬件和软件两方面对系统进行了详细的设计。介绍了核心芯片的选型，外围电路的连接，芯片与芯片之间的连接电路，程序设计方法和相应的软件。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，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。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：传感器，单片机，红外传感器，数据采集

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1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题描述 .......................................................................................................................... 1 1.2 基本工作原理及框图 ...................................................................................................... 1 2 设计介绍 ................................................................................................................................ 2 2.1 技术要求 .......................................................................................................................... 2 2.2 主要任务 .......................................................................................................................... 2 3 方案设计 ................................................................................................................................ 2 3.1 总体设计思路 .................................................................................................................. 2 3.2 硬件设计 .......................................................................................................................... 3 3.2.1 电源电路设计 ........................................................................................................... 3 3.2.2 主机电路设计 ........................................................................................................... 4 3.2.3 时钟电路 ................................................................................................................... 4 3.2.4 复位及复位电路 ....................................................................................................... 5 3.2.5 键盘电路 ................................................................................................................... 6 3.2.6 数码显示电路的设计 ............................................................................................... 7 3.3 蜂鸣器电路 ...................................................................................................................... 7 3.4 用户端探测器设计 .......................................................................................................... 8 3.4.1 热释电红外探测器电路设计 ................................................................................... 8 3.4.2 振动位移传感器电路设计 ....................................................................................... 9 4 报警器软件设计 .................................................................................................................... 9 4.1 程序语言设计 .................................................................................................................. 9 4.1.1 程序语言的分类 ..................................................................................................... 10 4.1.2 单片机汇编语言程序设计的基本步骤 ................................................................. 10 4.1.3 汇编语言程序设计方法 ......................................................................................... 10

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4.2 报警系统的程序设计 .................................................................................................... 11 总结 ...................................................................................................................................... 12 致谢 ...................................................................................................................................... 13 参考文献 .................................................................................................................................. 14 附录Ⅰ：电路原理图 .............................................................................................................. 15 附录Ⅱ：汇编程序 .................................................................................................................. 16

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1 绪论

1.1 课题描述

随着时间的推移，计算机革命的完成，信息高速公路的发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。本次设计所用的这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。

经过本次课程设计会使我们进一步对单片机有个感观认识，增强动手能力。使理论与实际相结合。 1.2 基本工作原理及框图

防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统[1]。

防盗报警系统由探测器、传感器、控制器、报警器、显示器几部分构成，如图所示。控制器实现对热释电红外探测器和振动位移传感器的循环扫描，并控制报警信号处理电路作出相应状态处理，如果有报警信号的话，延时1～2秒对该端口进行一次扫描确保真的有险情时立即发出报警信号，控制报警电路报警，同时通过数码显示单元显示具体的事发位置。

图1-1 防盗报警系统构成图

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2 设计介绍

2.1 技术要求

基于单片机控制的热释电红外报警，将检测到人体红外信号转换成电压信号，经调理电路整形处理为TTL电平送入单片机，单片机对送入信号进行判别，是哪一路报警信号，发出音响报警并通过数码管显示报警位置。 2.2 主要任务

1.系统分析与设计：对系统进行调研，详细分析系统，设计出基于单片机控制的热释电红外报警系统方案；

2．实现系统的关键技术：热释电传感器调理电路；报警音响电路；报警显示电路；软件控制；

3．系统电路的设计与实现：器件选择；地址分配和硬件连接；

4．系统软件的设计与实现:单片机代码的实现，计算机控制代码的实现； 5．系统调试； 6．系统联调； 7．写课设报告。

3 方案设计

3.1 总体设计思路

本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成[2]。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。

就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、报警电路、

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单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图3-1总体设计框图所示：

AT89 复位电路驱动 LED发光显示 C51 信号检测电路放大驱动报警执行电路

图3-1 总体设计框图

图3-1中当任一房间有人进入时红外传感器将接收到人体散发出的红外信号转化为电信号，在电平转换电路中传感器出来的高电平与三极管集电极的高电平相抵消得到单片机识别的低电平，经过单片机处理，数码管与蜂鸣器分别收到信号，此时数码管显示相应房间位置，蜂鸣器收到低电平信号并报警[3]。当单片机一直处于低电平状态下时，报警会一直持续，数码管依旧显示，直至传感器没有接收到信号，单片机恢复到高电平状态报警停止。

处理器采用51系列单片机AT89S51整个系统是在系统软件控制下工作的。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，经放大电路送出TTL 电平至AT89S51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s一段时间后自动解除，当警情消除后复位电路使系统复位。

3.2 硬件设计 3.2.1 电源电路设计

本系统电源电路原理图如图3-2所示，系统的电源采用220V交流供电，电网的220V交流电经桥路整流，电容滤波，送入7805和7809的输入端，最后输出5V和9V的直流电。

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图3-2 电源原理图

3.2.2 主机电路设计

主机部分的电路原理图如图3-3所示，它由复位电路、振荡电路、蜂鸣器、共阴极7段数码管组成。引脚P1.0和P1.4分别接到传感器的输出端，用以检测异常情况，以便进行报警处理[4]。

C9+5V151431191891716/RES21+5V40传感器2P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRVCC传感器1U123456781312P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728abcdefgdp蜂鸣器

S23SW-PBC8+5V4104J322pFG1C1022pF6.000MHZ控制单元GNDRXDTXDALE/PPSEN10113029AT89C51/MRVCCGNDIMP812图3-3 主机部分原理图

3.2.3 时钟电路

AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2

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分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-4所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用[5]。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

图3-4 内部方式时钟电路

3.2.4 复位及复位电路

复位操作：复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

复位信号及其产生：RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号送至

复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作[6]。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us[7]。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图3-5示为复位电路。

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图3-5 复位电路图

上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。

本系统中的复位电路，利用的是单片机复位监控芯片IMP812。

IMP812 是在低功耗微处理器（uP）微控制器（uC）和数字系统中用来监视3.0V、3.3V和5.0V电源工作的低功耗监控电路。每个都具有去抖动的手动复位输入。IMP812 是美国Maxim公司MAX812的改进型替代产品其工作温度范围扩展为-40℃至105℃。

IMP812的低功耗使之成为便携式及电池供电设备的理想选择。器件具有紧凑的4引脚SOT143封装仅占用极小的电路板空间。 3.2.5 键盘电路

键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279，CH451，LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。本文便使用软件实现键盘的扫描。

考虑到本系统操作简便，所以采用独立式键盘。独立式键盘电路如图3-8所示。

图3-8 按键电路图

按键抖动可能导致单片机将一次按键操作识别为多次操作，一般采用硬件电路或软

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件程序来消除。

图3-9 按键抖动示意图

3.2.6 数码显示电路的设计

由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用[8]。图8所示为发光二极管报警电路。

图3-10 数码管显示电路

3.3 蜂鸣器电路

本系统的蜂鸣器报警电路如图3-11所示,蜂鸣器用一个三极管0913来驱动。单片机引脚P2.0接0913的基极输入端。当P2.0输出高电平1时，三极管导通,蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P2.0输出低电平0时,三极管截止，蜂鸣器停止发声。

图3-11 蜂鸣器电路

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3.4 用户端探测器设计

本系统采用了两组传感器器件,每组各一个热释电红外探测器和一个振动位移传感器。每组的两个传感器通过一个或非门连在一起，任何一个传感器接收到报警信号，单片机都会做出反应，处理警情[9]。这样的复合式传感器的设计,增加了安全性，减少了漏报发生的可能性。

为了缩短课题研发周期，应用传感技术。我选用了两种热释电传感器成品组件。 3.4.1 热释电红外探测器电路设计

本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图3-12所示，引脚功能如下： (1) 数字1脚：电源负极

(2) 数字2脚：信号输出，高电平有效，4～6V和工作电压有关 (3) 数字3脚：电源正极 DC6～9V (4) W1：灵敏度调整

(5) W2：输出延时调整 5～120秒

图3-12 热释电红外传感器的引脚示意图

它的技术参数如下： ·工作电压：DC6～9V ·电平输出：和电源电压相同

·感应角度：水平：90～140度；垂直：15～30度 ·静态电流：小于750μA ·无信号输出：0V ·感应距离：0.5～15米

·外形尺寸：28mm×38mm 高25毫米（最高点） ·输出电平：4～6V与工作电压有关

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·工作时间：可调5-120秒范围

当探测器检测到异常的情况，由2脚输出一个高电平，发送到单片机上，单片机做出报警处理[8]。

3.4.2 振动位移传感器电路设计

本系统采用ND—1型振动位移传感器，它是一种集振动和位移于一体的全方位传感器。它内部采用先进的固态加速度检测器件，对外来振动十分敏感。图3-13是ND—1型振动位移传感器的内部组成框图，它由振动和位移传感元件、灵敏度限制电路、检测控制电路、延时电路和输出级等。

图3-13 ND—1型振动位移传感器内部框图

由于器件内部集成度很高,外围电路相当简单，图中的C6是延时控制。电容，取值越大，延时就越长，反之则越短，一般取值0.1uF～10uF，这里取值为4.7uF。当人体在不断运动时，输出为高电平，并通过内部电路延时，当人体停止运动时，输出转为低电平。R1是外接灵敏度设定电阻，取值在51K～100K之间，阻值越大，灵敏度就越高。此电阻可以不接，这时传感器灵敏度最高。

4 报警器软件设计

4.1 程序语言设计

计算机完成一项工作，必须按顺序执行各种操作。用计算机所能接受的语言把解决问题的步骤描述出来，就是程序设计。与其他微型计算机不同的是，单片机没有像监控系统因此，程序设计就或操作系统那样的软件系统，所有的单片机程序均需由用户设计完成成为单片机应用不可缺少的内容。程序设计基础包括不同类型程序的设计方法和技

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巧[6]。

4.1.1 程序语言的分类

计算机能理解和执行的语言称为计算机程序设计语言，它随计算机的诞生而诞生，随计算机的发展而发展。程序设计语言有机器语言、汇编语言和高级语言之分，究竟选用哪一类、哪一种语言来编写程序，这要根据计算机的具体应用场合和各类语言的特点来决定。图4-1是三种语言处理过程的示意图。

汇编语言源程序面向机器高级语言源程序面向过程

汇编程序机器语言程序（目标程序）编译或解释程序面向机器

图4-1 三种语言程序处理过程示意图

单片机通常应用于家用电器、仪器仪表、工业过程自动化中，处于这些应用场合下，要求计算机执行程序速度快、实时性强，要有灵活的接口处理技术，但存储容量小。根据这些要求，显然应该优选汇编语言来进行程序设计。虽然许多单片机开发系统提供了高级语言，但目前被广泛采用的仍是汇编语言。本课题就采用的是汇编语言. 4.1.2 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： A．设计任务的分析、确定思路或算法。 B．程序的总体设计并画出流程图。

C．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。

D．源程序的汇编和调试。 E．编写程序说明文件。 4.1.3 汇编语言程序设计方法

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· 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。

· 划分功能模块进行设计。 · 自上而下逐渐求精。 4.2 报警系统的程序设计

主程序首先对单片机进行初始化，然后进入扫键程序，开始布防。当检测到意外情况（有人入侵）时，通过标志位进行警情判别，然后进入报程序进行分类报警，主程序流程图见图4-2。

图4-2 主程序流程图

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总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。

这次实习让我受益匪浅，无论从知识上还是其他的各个方面。上课的时候的学习从来没有见过真正的单片机，只是从理论的角度去理解枯燥乏味。但在实习中见过甚至使用了单片机及其系统，能够理论联系实际的学习，开阔了眼界，提高了单片机知识的理解和水平。在这次课程设计中又让我体会到了合作与团结的力量，当遇到不会或是设计不出来的地方，我们就会在QQ群里讨论或者是同学之间相互帮助。团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。

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致谢

论文工作已经结束，回顾四年来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示衷心的感谢!

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参考文献

[1] 何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社，1996 [2] 宋文绪. 传感器与检测技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[3] 余锡存. 单片机原理及接口技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2000. [4] 唐桃波, 陈玉林. 基于AT89C51的智能无线安防报警器 [J]. 电子设计应用, 2003, 5(6): 49～51.

[5] 李全利. 单片机原理及接口技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004. [6] 薛均义, 张彦斌. MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2005.

[7] 马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计(第3版) .北京航空航天大学出版社，2003 [8] 王洪建.AT89C2051在小区防盗报警系统中的应用.第七届青年学术会议论文集，2005

[9] 王宁.智能监控防盗报警系统.同济大学硕士学位论文，2007

附录Ⅰ：电路原理图课程设计说明书第 15 页

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