基于红外线报警及自动拨号家居防盗系统研发Word格式.docx
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物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。
假定物体发射红外辐射的峰值波长为几，，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长戈与物体温度T的乘积。
这一乘积为一常数，即：
物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。
1.2.2.2热释电效应
被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。
热释电效应是指如果使某些强介电质材料（如钦酸钡、钦错酸铅P（zT）等）的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。
在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器P（TR），PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。
另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提高接收灵敏度。
用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60一70db，就可以检测10一20m处人的活动。
热释电传感器具有自极化效应，晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变。
这些极化电荷被空气中的带电粒子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。
这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射。
相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，由相反方向的电流或电压输出。
1.2.2.3热释电红外传感器的基本结构
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。
按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种：
用于测量温度的传感器，它的工作波长为（1－20）纳米;
用于火焰探测的传感器，它的工作波长为0.435+/-0.15纳米;
用于人体探测的传感器，它的工作波长为7－15脚。
图1.2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用。
当人体处于静止状态时，两元件极化程度相同，相互抵消;
当人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。
使用时一般在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。
在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。
一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的（并且不受可见光的影响）。
一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。
传感器探头前部装有菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜，它由一组平行的棱柱型透镜所组成，它的每一单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区，这样就在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”。
视场的侧视图和俯视图如图1.3所示。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断在“盲区”和“高灵敏区”内切换，这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增强了能量变化幅度，从而提高了探测灵敏度。
1.2.2.4热释电红外探测器的基本原理
热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。
当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。
由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。
红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。
当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体（如墙壁、家具等）在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。
当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号U。
，送往报警器，发出报警信号。
红外探测器的探测波长为8－14微米，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。
被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。
由于被动式红外技术具有监测距离较远，灵敏度较高，节能价廉等优点，本课题采动式红外探测器作为报警探测器，并在设计中增加了电话自动拨号报警的功能，使报警系统更加趋于完善。
2主要元器件的选择与简介
2.1系统中微处理器的选择
当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。
常用的单片机有很多种：
Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond（华邦）W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。
我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。
2.2AT89C52芯片简介
AT89C52特点：
●与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
●8K字节可重擦写FLASH闪存
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz-24MHz
●三级加密程序存储器
●256X8字节内部RAM
●32个可编程I/O口线
●3个16位定时/计数器
●5个中断源
●可编程串行UART通道
●低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节FLASH闪存，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，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工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信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他所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C52的芯片管脚图如图2-1。
图2-1
引脚功能说明：
VCC——电源电压
GND——地
P0口——P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口——P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见下表。
FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P1.0和P1.1的第二功能，如表2-1所示。
表2-1
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
P2口——P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口——P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除作为一般的I/O口线外，更重要是它的第二功能，如表2-2所示：
表2-2
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp
2.3LP8072C热释电红外控制电路
LP8072C（兼容：
CS9803,WT8072）是一款热释电红外控制电路。
它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
大量应用于：
人体感应照明控制、人体感应开关,人体感应控制器,马达和电磁控制、防盗报警等领域
LP8072C功能：
工作电压为4.0V～5.5V（DC），工作电流小于700uA；
外接振荡电阻、电容；
外接有硫化镉（CDS）传感器，白天抑制输出；
输出可驱动继电器或可控硅；
内置两级运放，增益可调；
控制时间可调；
内置稳压输出3.1V直接驱动PIR；
集成过零检测，交流电源同步触发，降低电源污染；
与WELTREND公司WT8072兼容；
DIP16封装；
LP8072C应用：
广泛应用于照明控制、马达和电磁控制、防盗报警等领域。
LP8072C引脚：
图2-2
图2-3
LP8072C功能框图：
LP8072C功能说明：
（1）PIR感应信号经内部放大，如果判断有触发，运放输出高电平。
这时候计时检测电路开始计时，计满一定内部时钟周期，跳变为高（可避免误触发）；
（2）CDS接内部施密特触发器，白天CDS阻值低，施密特反相器输出为低，抑制输出；
天暗则相反，施密特反相器输出为高；
（3）过零检测在交流电源过零时产生过零脉冲。
在
（1）、
（2）、（3）同时为高时，输出控制器输出一正脉冲，控制外电路；
（4）PIR与IC引线越短越好，以免引入噪声干扰；
（5）采用阻容降压，应选用正品电路，注意安全，可适当增加保护元器件或电路；
（6）在
（1）所述情况下的计时期间，CDS触发信号不起作用；
（7）PIN6所接R、C决定IC内部时钟，F=（1±
20%）/1.1RC，TRIAC触发时间宽度为2/F；
（8）PIN8所接R、C决定IC内部定时器的周期，频率同样满足要求（7）所示的计算公式。
调节R、C可以输出控制的时间长短，根据应用实际要求而定。
LP8072C电气参数：
参数
符号
条件
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
Vcc
-
4
5
5.5
V
调节电压
Vref
VDD=5V
3
3.1
3.4
CDS最高工作电压
V（CDS）
1.6
2
2.5
工作电流
Icc
NoLoad
OSCON
650
700
850
uA
静态电路
Iss
350
400
450
基准源电流
Iref
1mA
CDS原电流
Icds
3.5
4.5
继电器驱动电流
Icc（relay）
mA
TRIAC准电流
Icc（triac）
15
TB工作频率
Ftb
R=470K
C=100pF
16.6
19
19.8~20.8
KHz
TC工作频率
Ftc
R=220K
C=1000pF
4.7
5.7
6
LP8072C用于继电器控制：
LP8072C用于可控硅控制：
3硬件系统设计
3.1红外防盗报警系统的硬件设计
由于本设计侧重于家庭防盗，实时监控的范围比较狭窄，因此本设计只需使用一个被动式红外探测器就足够。
为此，红外智能防盗报警系统的具体设计要求为：
●
完成对高灵敏度红外传感器的设计，使其能对所发生的警情进行实时、准确的探测。
可进行自动报警（自动拨号报警和声光报警）。
我们设计此系统必须具有以下功能模块：
被动式红外探测器;
声光报警;
电话自动拨号功能;
持续不间断供电;
根据系统所要完成的功能，我们采用单片机作为系统的核心单元，将电子探测、智能控制和电话通讯技术相结合，形成一个两级联网通讯的防盗报警系统。
系统总体架构简图如图3.1所示。
3.2声光报警电路的设计
声光报警电路相对比较简单，本设计采用如图3.2所示的电路来完成探测器的声光报警功能。
图3.2
在左图中，Bell为长鸣蜂鸣器，两个引脚分别为正负极，当正负极两端加上5v电压后，蜂鸣器发出响声。
注意，该蜂鸣器正负极不能接反，否则会烧毁蜂鸣器。
右图中，LED-G表示正常状态下绿灯常亮，LED-R表示有人闯入监控区域内时，红灯快速闪烁，此时，绿灯应该熄灭。
3.3电话自动拨号报警电路的设计
为了简化整个系统的设计流程，我们不采用MT880芯片拨号。
具体实现过程如下：
先在电话机的存储里面存上家庭主人的手机号码或报警电话110.从单片机的引脚p2.0和p2.1引出两条接线接继电器，一条接电话机键盘的免提键，另外一条接电话机键盘的自动重拨键，由于电话键盘扫描是类似单片机键盘扫描，所以可以让单片机先给p2.0一个信号，让电话免提，然后再给p2.1一个信号，让继电器接通，给自动重拨键一个电位，让电话机自动拨号，这样就能完成系统报警功能。
3.4系统工作原理
整个系统的硬件部分主要包括六个部分:
MCU模块;
红外探测器;
声光报警电路;
电话自动拨号报警电路;
电源电路;
工作状态指示电路。
其系统工作原理为:
传感器将探测到的信号送到前置信号处理器处理，单片机判断到P1.0口有脉冲下降沿跳变信号时立刻转到声光报警程序，这时蜂鸣器报警，红灯快速闪烁，过程持续30s。
在这30s内如果有人按下消除报警的开关，则解除报警。
如果这段时间没有人解除报警，则证明家里没有人，系统会在30s后自动触发电话机报警，完成整个系统的工作工程。
之后，单片机会继续循环回到判断P1.0口，等待下一次报警。
3.5系统总的电路图
在用proteus模拟系统时，系统电路由晶振电路，声光报警电路组成。
其中，我们用接P1.0的开光模拟红外线传感器，要求当开关按下时，电平由高跳到低，这相当于，传感器检测到人的状态，电话线用P2.0和P2.1引出，在这里不模拟电话线路图。
图3.5
4软件系统设计
4.1主控模块程序设计
单片机在初始加电时，电压处于不稳定状态，导致此时的单片机不稳定，一般在上电后都要对系统加一段延时。
延时后单片机检测P1口状态，检测电平信号是否突变，如果是则调用报警处理程序，包括自动拨号程序和声光报警程序，如果电平没有出项变化，则继续检测P1口状态。
主程序流程图参见图4.1。
图4.1主程序流程图
4.2系统开发所采用的编程与调试平台
本系统语言采用汇编语言编写，因此选用wave6000，他具有单片机程序的编辑、编译与调试等功能，并生成十六进制的.hex机器文件，通过TOPWIN刻录软件可写入单片机程序存储器中。
仿真软件选用Proteus，他是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件。
其电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果。
4.3主要程序编程
；
-----------------------------
REDEQUP3.3
GREENEQUP3.7
CLOSEEQUP2.7
CHECKEQUP1.0
SOUNDEQUP1.7
MTEQUP2.0
PHEQUP2.1
TIMESDATA30H
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG000BH;
定时器T0中断程序入口
LJMPT0;
跳至TO执行
;
主程序----------------------------------
MAIN：
MOVP0,#0FFH
MOVP1,#0FFH
MOVP2,#0FFH
MOVP3,#0FFH
MOVTMOD,#02H;
T0定时器工作方式2,T1定时器工作方式1
MOVTL0,#06H;
设置T0定时1S
MOVTH0,#06H;
MOVR2,#0
MOVR3,#0
MOVTIMES,#0
SETBEA;
允许中断
SETBET0;
T0中断允许
CLRTR0;
关闭T0
LCALLDELAY
正常状态下只显示绿灯---------------
START:
SETBGREEN；
初始状态亮绿灯
CLRRED；
红灯暗
JNBCHECK,COUNT；
检测p1.0口状态
AJMPSTART
异常状况开始计时30秒----------------
COUNT:
CLRGREEN
SETBTR0；
启动T0计时
JNBCLOSE,STOP；
解除警报开关
MOVA,TIMES
CJNEA,#150,COUNT
AJMPALART
按下开关恢复正常状态----------------
STOP:
CLRTR0
CLRRED
CLRSOUND
30秒时间后进行自动拨号-------------
ALART:
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