基于单片机的红外无线防盗系统毕业设计.docx
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基于单片机的红外无线防盗系统毕业设计
毕业设计
基于单片机的红外无线防盗系统
学生承诺书
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计是本人在导师的悉心指导下独立进行研究所得的成果。
除了文中已用特别标志加以标记的引述内容之外，本论文不含任何其它个人或集体已经发表或撰写的研究成果。
对本文研究做出过重要贡献的个人和集体，均以在文中的致谢部分以明确的方式表明。
本人完全可以对本设计的真实性负责。
签名：
日期：
摘要
随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术正在不断地发展。
与此同时，红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分。
由于红外线是不可见光，因此用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且其抗干扰能力强。
本文基于AT89C52单片机设计了红外无线防盗报警系统，介绍了红外线防盗系统的基本原理、组成框图，简单地叙述了红外技术的发展及应用，描述了各项元器件的原理及构造，并绘制了电路原理图。
本文还细致地描述了利用单片机控制的软件流程、程序设计及调试，并做出实物验证系统的准确性及故障原因分析。
本防盗报警系统利用单片机控制技术，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。
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发出报警信号，使于迅速采取应急措施。
关键词：
红外探测单片机声光报警
前言
科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。
现在人们更是感觉到了科技给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会的发展中起了很大的推动作用。
人类从原始向先进的发展都伴随着科学的发展，从原始的手工到现在的智能控制都是科技发展的结果。
先进的科技能减轻人体劳动量、能更合理地利用时间完成任务，可以说科技的微小发展都会给人类带来很大的好处。
当代生活中的人们越来越感觉到了社会的飞跃发展，科技的飞速发展给人们很多实惠、生活、学习、工作中都渗透着科技，都能明显地感受到它发展地威力。
安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。
它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续性。
随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术也在不断地发展。
有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是人们的基本要求，在无人看守的家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。
针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。
如有门磁式、触摸式、红外线监测等自动报警系统,报警器为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。
由于红外线是不见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此用它作防盗监控报警器，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强。
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。
本文基于AT89C52单片机设计了无线红外防盗报警系统。
1绪论
随着经济的发展，人们对防盗、防劫、防火保安设备的需求量大大增加。
针对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行检测和报警的系统，其需求也越来越高。
本设计运用单片机技术设计了一款新颖红外线防盗报警器。
而本设计中的输入部分主要是红外线传感器。
不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为，不同作用的传感器，也可检测出不同类型的情况。
本章节主要介绍了本设计的选题背景、目的意义、解决方法。
1.1课题背景
单片机现在已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域，可以说单片机的应用已渗透到人类的生活、工作的每一个角落，这说明它和我们每个人的工作、生活密切相关，也说明我们每个人都有可能和有机会利用单片机去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境[1]。
红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用。
由于它是不可见光，因此用它做防盗报警监控器，具有良好的隐蔽性，白天黑夜均可使用，而且抗干扰能力强。
这种监控报警装置广泛应用于博物馆、单位要害部门和家庭的防护。
通常红外线发射电路都是采用脉冲调制式。
红外接收电路首先将接收到的红外光转换为电信号，并进行放大和解调出用于无线发射电路的调制信号。
当无人遮挡红外光时，锁相环输出低电平，报警处于监控状态；一旦有人闯入便遮挡了红外光，则锁相环失锁，输出高电平，驱动继电器接通无线发射电路，监控室便可接收到无线报警信号，并可区分报警地点。
当我们考虑的范围广一点：
若是在小区每一住户内安装防盗报警装置。
当住户家中无人时，可把家庭内的防盗报警系统设置为布防状态，当窃贼闯入时，报警系统自动发出警报并向小区安保中心报警。
周界报警系统：
在小区的围墙上设置主动红外对射式探测器，防止罪犯由围墙翻入小区作案，保证小区内居民的生活安全。
有的防盗报警系统还连有上位机。
将探测器发回的现场信号按防区的类型与主机的工作状态（布防、撤防）作出逻辑判断，进而发出报警。
一个防盗系统的功能主要体现在报警主机的功能上[2]。
1.2目的和意义
随着社会的不断进步和科学技术不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护手段在不断的增强，对防盗设施的智能化提出了新的要求。
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。
它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，由于使用了单片机做信号处理器，不但可以用于单一的住宅区，也可以用于较大规模住宅区的防盗系统。
它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。
在我国，目前市面上报警器主要有压力触发式防盗报警器开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。
本系统采用了人体热释电红外传感器，在人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器因其价格低廉、制作简单、成本低，安装比较方便，防盗性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠等特点，备受广大家庭用户的欢迎。
而且防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。
1.3发展现状及趋势
目前，国内市场上的防盗报警系统大部分是国外品牌，如：
早期的美国安定保、C&K、日本艾礼富、以色列EL等，近几年进入中国市场的加拿大枫叶、德国博世、美国GE等，这些厂商无论是在资金和技术上，都具备很强的优势，对国内厂商的发展形成巨大的竞争压力；国内防盗报警产品厂商发展时间比较短，真正取得长足发展也是在2000年以后，特别是在2004年国内有些厂商迅速成长，投资规模和企业规模都在迅速发展和扩大。
但是与国外厂商相比还有很大差距。
现阶段，大部分工程商安装防盗报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额。
这主要是因为，在产品供给市场上，绝大部分国外品牌来自美国和日韩，防盗报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国是时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。
现阶段国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射和接收以及微波等技术为基础。
而这里所涉及的被动式报警器则采用了美国的传感元件——热释电传感器。
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，同时它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
随着国家智能化小区建设的推广，防盗系统已成为智能小区的必需设备。
利用单片机控制技术和无线网络技术，开发一种具有联网功能的智能无线防盗系统，并开发相关的传感器。
采用无线数据传输方式，不需重新布线，特别适用于已装修用户及布线不方便的场合。
现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展[3]。
2红外探测技术
2.1红外线辐射原理
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。
结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。
红外线具有：
1.有热效应；2.穿透云雾的能力强。
因此得到结论：
太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。
也可以当作传输之媒界。
太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。
在某些应用现场，检测器要接触被测物是不实际或者是不可能的。
而红外检测器可以在短时间内远距离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。
辐射原理：
所有的物体都是由不断震动的原子构成的，高能量的原子震动频率越高。
所有微粒的震动，包括这些原子，生成电磁波谱。
物体的温度越高，它的震动就越快，因此光谱的辐射能量就越高。
结果，所有物体都不停的以自身的波长频率向外辐射，而其波长和频率又取决于物体自身的温度和它的光谱比辐射率。
目标物越小，你就应该靠它更近一些。
当目标物的直径很小时，那么将温度计靠目标物近一些就显得很重要，这样可以确保只是在测量该目标物，而不包括周围环境[4]。
2.2红外探测器的选择
红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能，热能等其它形式的能量。
在室温条件下，任何物品均有辐射。
温度越高的物体，红外辐射越强。
人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。
我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。
探测器安装后数秒钟已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。
被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。
被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。
其核心是红外探测器件通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。
红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内。
红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。
否则不断变化的热气流将引起误报警。
主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。
分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。
红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。
接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。
主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。
因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。
其特点是探测可靠性非常高。
但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。
主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。
综上所述，结合本系统的设计目的和各种红外探测器的特点，本系统选用的是被动式红外探测器。
具体的选用哪种红外传感器将在下文介绍。
3红外无线防盗系统主要元器件介绍
3.1单片机AT89C52
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes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，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[5][6][7]。
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节Flash内存，256字节内部RAM，32个I/O口，3个16位定时计数器一个6向量2级中断结构，一个全双工串口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
主要性能：
（1）与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；
（2）8k字节可重擦写Flash闪速存储器；
（3）1000次擦写周期；
（4）全静态操作：
0Hz－24MHz；
（5）三级加密程序存储器；
（6）256×8字节内部RAM；
（7）32个可编程I／O口线；
（8）3个16位定时／计数器；
（9）8个中断源；
（10）可编程串行UART通道；
（11）低功耗空闲和掉电模式；
本系统选用AT89C52单片机主要是因为AT89C52单片机的内存是最为适合的，8K的内存可以满足系统程序的存储，又不至于过大而造成浪费。
3.2LCD1602液晶
3.2.1LCD1602简介
如图3-1所示，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶[8]。
图3-1LCD1602液晶
3.2.2LCD1602液晶管脚功能
图3-2555时基电路的电路结构和引脚图
如图3-2所示，1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，低电平时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
3.2.3LCD1602的操作控制
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。
以下是1602的16进制ASCII码表地址：
图3-31602ASCII码表地址
读的时候，先读左边那列，再读上面那行，如：
#号的ASCII为0x23，字母Q的ASCII为0x51（前面加0x表示十六进制）。
3.3HC-SR501红外热释电传感器
3.3.1HC-SR501传感器模块
HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品[9]。
电气参数如表3-1所示：
表3-1HC-SR501电气参数
产品型号
HC-SR501人体感应模块
工作电压范围
直流电压4.5~20V
静态电流
<50uA
电平输出
高3.3V/低0V
触发方式
L不可重复触发/H重复触发
延时时间
0.5~200S（可调）可制作范围零点几秒到几十秒
封锁时间
2.5S（默认）可制作范围零点几秒到几十秒
电路板外形尺寸
32mm×24mm
感应角度
<100度锥角
工作温度
-15~70度
感应透镜尺寸
直径：
23mm（默认）
3.3.2HC-SR501传感器功能特点
1、全自动感应:
人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。
2、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。
3、温度补偿（可选择，出厂时未设）：
在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。
4、两种触发方式：
（可跳线选择）
a、不可重复触发方式:
即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；
b、可重复触发方式：
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
5、具有感应封锁时间（默认设置:
2.5S封锁时间）：
感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。
此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
（此时间可设置在零点几秒—几十秒钟）。
6、工作电压范围宽：
默认工作电压DC4.5V~20V。
7、微功耗:
静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。
8、输出高电平信号：
可方便与各类电路实现对接。
其感应范围如图3-4所示。
图3-4HC-SR501模块感应范围
3.3.3HC-SR501传感器的应用特点
1.感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。
2.应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。
3.感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。
为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。
3.4NRF24L01+无线数传模块
3.4.1NRF24L01+模块
NRF24L01+是挪威NordicVLSI公司出品的一款新兴射频收发器件，采用4mmX4mmQFN20封装。
NRF24L01+工作在ISM频段：
2.4~2.524GHz。
且内置频率合成器、功率放大器调制器等。
并融合增强行shockbrust技术，其中地址、输出功率、通信频道可通过程序进行配置，适用于多机通讯。
NRF24L01+功耗很低在以-6DB功率发射时，工作电流只有9mA；而对应接收机的工作电流只有12.3mA，多种低功率模式是节能设计更加方便。
NRF24L01+在业界领先的低功耗特点是其特别适合于纽扣电池的2.4G低功耗应用，整个解决方案包括链路层和MultiCeiver功能，提供了比现有NRF24XX更多的功能和更低的消耗，与目前的蓝牙技术相比在提供更高的速率的同时，只需消耗更小的功耗。
NRF24L01+与NRF24L01兼容，同时增加250Kbps低速功能[10]。
NRF24L10+模块特性如表3-2所示：
表3-2NRF24L10+模块特性
3.4.2NRF24L01+模块原理
发射数据时，首先将NRF24L01+配置为发射模式：
接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01+缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么NRF24L01+在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。
如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便在次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。
最后发射成功时,若CE为低则NRF24L01+进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。
接收数据时,首先将NRF24L01+配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。
当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。
若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。
最后接收成功时，若CE变低，则NRF24L01+进入空闲模式1。
在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。
但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。
与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由NRF24L01+的MOSI输入。
相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
NRF24L0l+所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。
NRF24L01+的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3-3所示。
表3-3常用配置寄存器
0A~0F
RX_ADDR_P0~P5
设置接收通道地址
10
TX_ADDR
设置接收接点地址
11~16
RX_PW_P0~P5
设置接收通道的有效数据宽度
3.4.3NRF24L01+模块引脚功能介绍
NRF24L01的封装及引脚排列如图3-5所示：
图3-5NRF24L01+模块引脚分布
CE：
使能发射或接收;
CSN，SCK，MOSI，MISO：
SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置NRF24L01：
IRQ：
中断标志位；
VDD：
电源输入端；
VSS：
电源地；
XC2，XC1：
晶体振荡器引脚;
VDD_PA：
为功率放大器供电，输出为1.8V；
ANT1,ANT2：
天线接口；
IREF：
参考电流输入。
3.4.4NRF24L01+模块工作模式
通过配置寄存器可将NRF241L01+配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表3-4所示。
表3-4NRF24L01+模块工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_
升级会员 