主动式红外防盗报警电路的设计.docx

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主动式红外防盗报警电路的设计

主动式红外防盗报警电路的设计

指导师：

宋元平作者：

郭亮杨芬群

（温州大学物理与电子信息学院05电信2班浙江温州325000）

摘要：

本系统是基于AT89S52单片机控制的报警器，主要由信号发射部分、信号接收部分、单片机以及声光报警部分组成。

可以通过发射电路发射的探测信号被遮挡时控制报警系统报警，通过单片机控制报警电路的运行，并能同时进行声光报警，用信号收发管进行检测，通过分析得出这个主动报警电路具有很好的稳定性。

另外，因该电路有较强的实用性，适用于较多的场合，实际运用方便，有着广阔的市场前景，故设计意义很重要。

关键词：

单片机报警器声光报警主动

1绪论

1.1课题研究的的意义

当前，防盗，安全等话题已成为我们越来越关注的一个话题。

报警器是一种重要的监视系统，可应用于机场、库房、军事重地以及高温、高寒、高危等恶劣环境下，同时也适用于农村场院、畜禽棚舍的警戒，以及其它需要设防的场合。

报警器分为主动式和被动式两种。

其中，主动报警器是指报警器主动发射探测信号，探测信号障碍物遮挡或反弹回来时，被报警器的探头接收，就会报警；而被动式报警器少了一项功能，就是不能主动的发射探测信号，只能被动的探测障碍物发出的信号，接收到当达到一定阀值即报警。

主动报警器组合了发射器、接收器和放大电路三大主要部分。

发射器和接收器相互对射，即在两者之间，形成一道“信号”障碍，当障碍物或移动目标通过时，信号被遮挡，引起探测器件信号的突然变化，产生一个不同的电信号，系统将这个电信号经过放大电路部分除去燥声并放大处理后开启报警装置，发出报警信号。

该装置不受白天黑夜及气候的限制，无论何时何地都有其特有的使用价值，并且因具有造价低廉、性能稳定可靠及可携带等特点，通用性强，颇受人们喜爱。

1.2课题研究的目的

近年来，随着电子电器的飞速发展，人民的生活水平有了很大的提高，各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，然而一些不法分子也越来越多，因此防盗，安全等话题已成为我们越来越关注的一个话题。

现在许多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效的保证了居民的人身财产安全，由于报警器发出的探测信号有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。

比如防盗报警系统，防盗报警系统是在探测到防范现场有入侵者时能及时发出报警信号的专用电子系统，一般由探测器（报警器）、传输系统和报警控制器组成。

探测器检测到意外情况发出报警信号，通过传输系统送入报警控制器发出报警信号。

报警器的种类很多，按所探测的物理量不同，可以分为微波、红外、激光、超声波和振动等方式；按电信号传输方式不同，又可分为无线传输和有线传输两种方式。

报警器是一种重要的监视系统，可应用于机场、库房、军事重地以及高温、高寒、高危等恶劣环境下，但市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构，价格高昂，一般人们难以接受，如果在设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的报警器，必将为大多数需求者所利用，在人们的防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

本课题尝试用价格低廉、应用普遍的AT89S52单片机控制的电路来设计一个主动式的报警器，期望达到方便、使用的效果。

2总体设计方案

该系统以单片机AT89S52系列为核心，采用信号发射官和信号接收管为发射和接受装置，由反相器芯片反相简介控制cpu工作，在cpu程序运行以后控制输出口电平使得蜂鸣器与发光二极管组成的声光报警电路同时进行报警。

系统原理框图，如图2-1所示。

采用AT89S52单片机，直流可调开关。

其中AT89S52的P1.2-P1.7为输出口，而P3.0-P3.5为输入口。

P1口连接信号发射电路，P1口为低电平时，信号发射电路正常发射信号。

P3口输入经接收信号电路接收并由反相器发想的电平到大CPU后，若各口均为低电平，则CPU不做任何反应，即报警器不会报警

信号被挡住而使接收电路无法接收到时，P3输入口就会输出高电平，此时当一定的时间内检测到位于不同位置的信号被阻挡时，由P3.7口输出报警信号，驱动报警电路惊醒报警。

3硬件电路各部分的电路设计

AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytes（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。

芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

3.1单片机控制系统电路

单片机P1口与红外线发射电路相连，P3口与接收电路相连，P3.7口连接声光报警电路输出方波脉冲信号驱动失衡光报警。

X1、X2管脚与晶振相连，用于定时计数，以形成一秒周期的方波脉冲信号。

3.1.1AT89S52的性能以及标准功能

主要性能：

与MCS-51单片机产品兼容8位中央处理器和ISPFlash存储单元

1000次擦写周期全静态操作：

0Hz~33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器8个中断源全双工串行通道低功耗

标准功能：

AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。

片内资源有4组I/O控制端口、3个16位定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3.1．2主体芯片的主要结构及引脚功能

单片机芯片AT89S52的引脚结构如图3-1所示：

图3-1系统方框图

各主要管脚介绍如下：

VCC:

电源

GND：

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高电平输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻，在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻P1口：

P1口是一个具有内部上啦电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

队P1端口写

“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）计数器/定时器2的触发输入（P1.1/T2EX）.

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8为地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1，在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash的编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能使用，在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号，如下表3-1所示

引脚号特殊功能

P3.0RXD（串行输入）

P3.1TXD（串行输出）

P3.2INTO（外部中断0）

P3.3INTO（外部中断0）

P3.4TO（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储写）

P3.7RD（外部存储器都）

RST:

复位输入，晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成时，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上。

ALE/PROG:

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SER的第0位置

“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高，这个ALE能使标志位（地址为8EH的SER的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PESN：

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89SS52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号，为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.3单片机控制部分电路

下图所示为单片机组成的控制电路，其中晶振与其相连构成时钟电路，而复位开关与其相连构成单片机最小系统。

如图3-2所示：

图3-2单片机控制电路电路图

3.2信号发射电路

发射电路主要由D7-D12六个发射管组成，发射管的负极依次接到单片机P1.2`P1.7口，当电源接通时，单片机的P1口设为输出状态，当P1口输出均为“0”时，各个二极管均为导通状态，发出信号，覆盖了接收电路的一定区域。

正常情况下没有遮挡时P1口输出为00H。

发射二极管在使用时，须由电流驱动，在进行设计时，最重要的是对电流的控制，不能太大，也不能太小。

可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。

不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。

根据本次设计的具体情况，采用双列直插DIP-40封装

一、总体介绍

本文设计的红外光电报警器是一种红外直射式主动报警器，它主要由发射、接收和报警等三部分组成，其方框图如图1所示。

D1,D2分别为红外发射和接收二极管。

整个的电路由以下图示几个部分构成。

其中第一个模块的供电电压为5v，其余各个模块的供电电压均为正负15v，发射部分安装在一块电路板上，后面的接收部分在另一块电路板上，但功放和报警装置为独立一个模块电路板。

下面介绍各个模块的工作原理。

发射部分接收部分及放大部分

图1报警器总体方框图

二、发射板电路介绍

如图2所示，发射电路由多谐振荡器、射级跟随器、红外发光二极管等三个单元组成，多谐振荡器没有稳定状态，只有两个暂稳状态，而且无需外来脉冲触发，电路能自动交替翻转，使两个暂稳态轮流出现，输出矩形波或方波。

由于输出的矩形脉冲波含有丰富的谐波，故称它为多谐振荡器。

在本系统中，多谐振荡器为系统提供一个稳定的方波信号，它由集成电路NE555,R,C等器件构成，。

其振荡频率由R,C决定，周期T=0.693（R1+2R2）×C。

用示波器观测a点的波形及电压，应为方波，占空比为50％，其静态电压Vpp>10V。

频率（1000±50）Hz[1]。

图2中，R1=27K,R2==2K,R3=24K,R4=2K,R5=5.1K,R6=0.5K,R7＝100Ω,C1=0.022uF,C2=0.01uF,C3=100uF，三极管3DG130及相关电阻组成射极跟随器，对方波信号进行电流放大，为红外发光二极管提供足够大的辐射能量。

其工作电流iD在30mA-40mA之间。

发射管

图2多谐振荡器驱动电路

三、接收板电路

主要由一个前置放大器组成，前置放大器由红外接收二极管D2、电阻及741集成电路组成如图3所示，前置放大器是一个反向比例放大电路，红外接收二极管将接收到的光信号转化为电信号，这个微弱的电信号U，经过电阻R1加到集成运放的反向输人端，反馈电阻R3，跨接在输出端与反向输人端之间，使电路处于闭环状态，它是反向输人运算电路的基本形式之一。

由于输人端接收的是微弱的红外光信号，要求前置放大器要有很低的噪声系数，但在实际中，噪声不可避免，而系统中，这一级放大器性能的优劣直接影响到整个系统的品质。

所以尽管不同系统对放大器的技术指标的要求会各不相同，但对前置放大器的低噪声设计都必须是优先考虑的，该电路可满足此项要求。

当有“光”照射时，红外接收二极管D2内阻减小，前置放大器有信号输入，集成电路741的6端有输出，输出电压Vpp>10V[1]。

图3中:

R1=15K,R2=100K,R3=1K，R4=4.7K,R5＝1K,R6=1.3K,R7=50K,R8=500Ω,C1＝10uF,C2=0.1uF，C3=47uF，三极管3DG130及相关电阻组成射极跟随器，对方波信号进行电流放大，为红外发光二极管提供足够大的辐射能量。

其工作电流应在30mA-40mA之间。

图3前置放大电路

四、功放及报警信号输出电路

功放及报警信号输出电路是一个合成的电路，这是一个利用LM324放大器组成的一个电路，里面集成了差分式放大电路，多级放大和电压比较器。

差分式放大电路可以抑制电路中白噪声，保留有效信号，放大电路将电路中的有效信号放大，电压比较器的比较电压可以自己设置，用来调节报警的参考电压值，即报警灵敏度，防止无人时由于噪声报警或者有人通过时不报警，增强设备在不同条件下的可用性。

另外，本电路所采用输出的报警信号为方波，在可以扩展模拟电路的同时也可以扩展数字报警模块，例如把方波调节成为5V和0V时，就可以用单片机来扩展出更多的功能出来，完成一些智能的报警动作。

如图4所示。

图4功放及报警信号输出原理图

下面对图4的电路逐步进行分析，分析这个电路各个方面的性能。

对于本电路可以分为三个主要部分。

（一）差分式放大电路

第一部分为差分式放大电路，可以抑制电路中的共模信号，放大有用的前置放大传递过来的报警信号（差模信号），根据电路中设置的参数，本试验中差分电路的差模信号放大倍数在3～4倍之间，共模信号的放大倍数趋近于0。

具体效果如下图5所示。

对差模信号的放大对共模信号的放大

图5差分电路对同样大小的差模信号和共模信号的放大作用

（二）中间放大级

第二级放大级是由中间的两个反向放大器构成，形成两级反向放大，其综合效果为同向放大，放大倍数可以通过改变两个反向放大器的的反馈电阻来实现，对于负反馈，放大倍数的表达式是

所以中间级放大部分的总的放大倍数是

通过第二级前后的信号的相位和信号的大小关系如图6.

图6通过第二级前后信号的相位和幅度关系图7模拟信号经过电压比较器后的波形

（三）电压比较级

第三个部分就是电压比较器部分，通过电压比较器，实现了两个作用：

（1）去除了噪声信号对报警器的干扰，调节灵敏度。

电路中总是会存在着各种噪声信号，当外界的条件不同时，噪声信号的大小也是有所不同的，当噪声信号足够大的时候，就会被电路当作一种有效信号存在于电路里影响电路的报警，当设置一个比较电压后，把超过这个电压的部分当作是报警信号，输出一个有效的信号，即报警信号，把小于这个电压的信号认为是噪声信号，同时也不会使报警部分发出报警动作。

（2）实现与数字器件的连接。

因为这个报警器放大部分是用模拟电路完成的，处理的都是模拟信号，而实际的生活中的智能报警控制电路往往是用数字器件制作的，所以，当模拟信号通过电压比较器以后就变成了方波信号，然后通过一些方法对方波进行处理，使方波的高电压为5v，低电压为0v，就变成了数字芯片（例如单片机等）可以接收处理的标准数字信号，实现与数字器件的连接。

第二级出来的争先模拟信号经过一个0.5v的参考电压比较后得到图7的波形。

由上面的分析可以知道一个微弱的报警信号经过这个功放电路的处理后，可以变成一个很容易处理和识别的大信号，从而实现了电路的报警信号输出功能。

当输入为一个2mv的报警信号时，此报警电路的各个功能级连接处的信号如图8所示：

输入信号差分电路输出信号

放大级放大后的信号通过电压比较器后的信号

图8各级输出信号波形

（四）总体性能

对于一个稳定的电路来说，有多个指标，下面分析这个电路的通频带宽等。

图9为测试电路的相位，幅度与频率的关系时软件的设置与结果（本图测试输出接点13）：

由图9的结果中可以看出：

当输入的报警信号的频率小于10k的时候，输出的信号不会产生明显的失真现象，可以有效的放大和处理报警信号。

同时通过红外对管接收到的报警信号频率在10k以下，所以这个电路完全可以用来处理红外光电接收器发送过来的报警信号，实现电路的功能。

图10为总的输入与输出的相位关系。

图9测试电路的相位，幅度与频率的关系时软件的设置与结果

图10输入信号（正弦）和输出报警信号（方波）

五、扩展

同时，为了更好的增加这个电路的实用性，最后一级输出报警信号具有扩展功能，可以扩展到数字器件对输出信号进行处理，方法是把最后一级的LM324的供电电压变为＋5v和0v，那么方波就会变成5v高电平和0v低电平的数字信号波，可以传送给单片机或者其他数字器件来处理报警信号。

图11是最后一级LM324接＋5v和0v时输出信号经过稍微修正后的波形。

图11扩展后的输出方波信号波形

六、总结

本次设计可以完成报警并且实现报警信号的输出，实现所期待的功能，实现本次试验的目的，并且可以扩展到数字器件。

缺点是试验中用到的电源的电压种类比较多，例如有5v，＋15v，和－15v等，在供电方面比较复杂一些，可以试着用分压的方法来供电，以减少供电电源的接口数目。

前置放大电路输送过来的报警信号相对较大，可以通过电阻分压的方法与功放电路接入或者改变放大电路的参数来改变放大倍数等。

参考文献

[1]刘长文,赵玮等.《红外光电报警器的研究》[A].《光学技术》,2006年8月,第32卷增刊,269-270页

[2]许胜辉.《电子技能实训》[M].人民邮电出版社.2005年2月

[3]何希才.《常用电子电路应用365例》[M].电子工业出版社.2006年9月

[4]康华光.《电子技术基础模拟部分》[M].第四版.高等教育出版社.1999年6月

[5]康华光.《电子技术基础数字部分》[M].第四版.高等教育出版社.1999年6月

主动报警器是指主动发射探测信号、探测信号被人体遮挡或反射时，探测器及报警；被动报警器是被动的探测人体发出的红外线，接收到并达到一定阀值即报警。

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