对射式光电开关报警器的设计说明Word格式文档下载.docx
《对射式光电开关报警器的设计说明Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《对射式光电开关报警器的设计说明Word格式文档下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率高，不可靠。
（三）遮光式触发防盗报警器在受到太照射就会引起误报，而且准确度不高。
而本设计中所使用的对射式光电开关运用红外线，有很强的隐蔽性且准确性高、检测距离远，在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
这种报警器利用开关的通断性来有效的报警。
同时，对射式光电开关既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、遥测等领域，总之报警器与社会生活密不可分。
2设计概述
本系统采用对射式光电开关来检测信号，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能有效控制电路系统。
2.1设计任务与要求
（1）本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为信息采集、时钟控制、电源控制、复位模块、开关与报警等模块。
（2）该开关报警系统由对射式光电开关、鸣器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
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。
终端由中央处理器、输入模块、输出模块、功能设定模块等部分组成。
（3）系统可实现功能。
工作人员把报警系统设置在布防状态，对射式光电开关工作起来,当有人闯入时，对射式光电开关断开，由程序控制单片机处理运算后驱动执行报警电路使报警器开始工作。
（4）红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。
该装置设计的要点：
一是能有效判断是否有人员进入；
二是尽可能增加防护围。
另外，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。
报警采用声光信号。
（5）在设计时要对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调，在调试成功后要求获得焊接的实物。
2.2设计思路
本设计由硬件和软件两个部分组成。
模块划分为数据收集、时钟控制、电源控制、复位模块、开关与报警等子模块。
电路结构可划分为：
对射式光电开关、蜂鸣器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
对于本设计来说，单片机和对射式光电开关是设计的中心单元，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。
设置在监测点的对射式光电开关将红外光谱变换成电信号，经放大电路后，电路导通，相当于开关闭合。
当有不透明物体通过时，开关瞬时断开，在单片机，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工作。
当警情消除后复位电路使系统复位。
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：
对射式光电开关电路、报警电路、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1所示。
XTALP0口
P1口
RST
EA口P3口
P2口
图1系统结构图
2.3方案论证
防盗报警系统一般是由探测器、防盗报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。
它的最简单形式是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。
该系统设计方案有以下两种：
方案一：
利用固定点联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位地址、方位、发案时间,所辖派出所可及时调动警力做出快速处理。
方案二：
通过对射式光电开关检测安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制LED灯和声音报警器的启动。
通过比较得知方案一可准确判断警情并且通知工作人员但实现起来难度大，而方案二能满足我们实现快捷的要求且实施起来简单容易有效，固本设计选择方案二。
3元器件选择
系统电路设计中元器件起着至关重要的作用，应注意以下几个方面。
（1）尽可能的选择标准化的器件这样可以提高设计的成功率和结构的灵活性。
（2）在对硬件系统总起结构考虑时，要同样注意通用性的问题。
（3）在电路设计时，要充分考虑应用的各个器件。
在设计时即使原理上通了，但如果器件选择不当，系统的驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。
因此，在电路设计时，要特别注意器件的选择。
（4）注意选择市场上货源充足且通用的元器件，尤其是大规模生产的场合，更应注意这一点。
这样可以避免即使某种元器件无法获得，也能用其他元器件直接替换而不影响系统的正常工作。
在本设计中，运用到许多器件，主要有51系列单片机AT89C51、对射式光电开关、蜂鸣器、按键、LED显示灯，其中单片机和对射式光电开关在整个系统中起着重要的作用。
下面主要介绍AT89C51单片机和对射式光电开关。
3.1AT89C51单片机的组成及管脚说明
89C51单片机基本组成包括有:
片数据存储器RAM有128B，21个特殊功能寄存器SFR；
片程序存储器FlashROM有4KB；
可寻址片外统一编址的64KB的ROM，可寻址片外64KB的RAM；
4个8位并行I/O接口（P0—P3）；
一个全双工通用异步串行接口UART；
两个16位的定时器/计数器；
五个中断源、两个优先级的中断控制系统；
具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；
片振荡器和时钟产生电路。
89C51单片机的管脚说明：
图2AT89C51管脚图
ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
VCC（40脚）：
供电电压。
GND（20脚）：
接地。
P0口（P0.0—P0.7，第39—32脚）：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口（P1.0—P1.7，第1—8脚）：
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口（P2.0—P2.7，第21—28脚）：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口（P3.0—P3.7，第10—17脚）：
P3口是一个接上拉电阻的8位准双向并行端口，它可以作为I/O口，作输出口时，每个引脚可驱动4个LSTTL负载；
用作输入口时，需首先将引脚的输出锁存器置1，在Flash存储器并行编程和效验时，P3.3、P3.6、P3.7可做控制位。
P3口还有第二功能，如表1所示：
表1P3口第二功能
口线信号功能
P3.0RXD串行口数据输入（接收数据）
P3.1TXD串行口数据输出（发送数据）
P3.2INT0外部中断0输入
P3.3INT1外部中断1输入
P3.4T0定时器0的外部输入（计数输入）
P3.5T1定时器1的外部输入（计数输入）
P3.6WR外部数据存储器写选通控制输出
P3.7RD外部数据存储器读选通输出控制
RST（9脚）：
单片机复位输入端，高电平有效。
在单片机上电后，振荡器稳定运行的情况下，若RST端脚能维持两个机器周期（24个振荡周期）以上高电平，则可使单片机系统有效复位。
ALE/PROG：
地址锁存允许/编程脉冲信号端，双引脚功能。
当CPU访问外部存储器或外部数据存储器时，该引脚提供一个ALE地址允许信号（由正负跳变），将八位地址信息锁存到片外的地址锁存器中。
在单片机的Flash程序存储器并进行编程时，该引脚作为编程负脉冲PROG的输入端。
PSEN（29脚）：
外部程序存储器的选通信号端。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/Vpp（31脚）：
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，将EA部锁定为RESET；
当EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1（19脚）：
片振荡电路反相放大器输入。
XTAL2（18脚）：
片振荡电路反相放大器输出。
采用部时钟时,片外连接石英晶体和微调电容，产生原始的振荡脉冲信号。
采用外部时钟时,XTAL1输入外部时钟脉冲信号,XTAL2悬空。
3.2对射式光电开关的介绍
对射式光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于对射式光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以应用到许多场合。
对射式光电开光采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。
这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种不透明体物质的状态和动作。
而且它具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强等优点。
对射式光电开关已被用到许多场合如作物位检测、产品计数、速度检测、孔洞识别、自动门传感以及安全防护等诸多领域。
此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、家庭、单位以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。
但对于下列场所,有可能造成对射式光电开关产生误判,应尽量避开：
（1）灰尘较多的场所。
（2）腐蚀性气体较强的场所。
（3）水、油、化学品有可能飞溅的场所。
（4）有强光直射而无遮光措施的场所。
（5）环境变化超出产品规定围的场所。
（6）振动、冲击大,而未采取避震措施的场所。
对射型光电开关的优缺点：
优点：
可进行长距离的检测（几十米）、检测精度高、能检测小物体等。
缺点：
光轴调校困难、配线困难等。
4系统设计
4.1电路具体模块设计
开关报警器的具体电路模块如图3所示。
系统由LED灯模块、复位模块、开关和声音报警模块、时钟模块和电源模块五部分组成。
图3电路具体模块
在电路具体模块中，利用开关S1代替了对射式光电开关，而整个实际电路是利用对射式光电开关来检测信号判断是否报警。
故此图只是一个理想的电路图，但在实际中只要正确运用红外接收特性的原理，焊接出的实物图与理想电路图实现同样的功能。
整个电路系统实现的功能是当光电开关闭合（正常工作状态）时，D5亮，系统处于布防状态，当光电开关闭合后（有人闯入时）D5灭，系统开始一直报警，当开关S2断开后系统停止报警D5亮,开关S2再次闭合后系统进布防状态。
当系统运行出错时按下复位键S也可停止报警。
4.1.1对射式光电开关的设计
对射式光电开关是通过把光强度转换成电信号来实现控制的。
对射式光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
其下图为红外发射接收模块[1,2]。
图4红外发射接收模块
在工作时发送器对准接收器发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管等,光束不间断地发射。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。
对射式光电开关在结构上是相互分离但发射器和接收器在一条直线上，发射器发出的光线直接进入接收器。
当被检测物体经过发射器和接收器之间时光线被阻断，光电开关就产生了开关信号。
当检测物体是不透明时，对射式光电开关[3]是最可靠的检测模式。
图5对射式光电开关模式
4.1.2时钟电路的设计
ATC89C51部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，时钟可以由部方式产生或外部方式产生。
本设计采用部方式，反向放大器可以配置为片振荡器。
石英晶体振荡和瓷振荡均可采用，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。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。
图6为时钟电路。
图6时钟电路图
4.1.3复位电路的设计
复位是单片机的初始化操作[3,4]。
其主要功能是把PC和其余特殊功能寄存器清零，此时单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当单片机运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为结束这一过程，也需按复位键重新启动。
复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位两种，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。
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。
本设计采用的是外部手动按键复位电路。
如图7为复位电路。
图7复位电路模块
4.1.4声音报警电路的设计
如下图所示，用一个蜂鸣器和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，如图8示为声音报警电路。
声音报警器端利用NPN管进行放大，当电源接通后在光电开关断开时，蜂鸣器开始工作，但要注意三极管的选取，千万不能选成NPN管，如果选错蜂鸣器将不能工作。
图8声音报警模块
4.2软件设计
当系统的硬件电路设计完成后，软件设计的任务也就明确了，具体设计时最好采用分块设计的方法。
根据设计要求分成相应的模块，然后分别进行，这样不仅可以提高软件设计的效率，而且便于问题的检查。
软件设计时应尽可能从以下几个方面考虑。
（1）根据软件功能要求，将系统软件分成若干个相互独立的部分，可使软件总体结构清晰、简洁、流程合理。
（2）各功能程序应实行模块化这样可便于调试、修改和扩展。
（3）为提高软件设计的总体效率，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。
这是程序设计的一个重要组成部分，也是决定成败的关键部分。
（4）在程序的相关位置上标注功能注释，这样可提高程序的可读性。
（5）加强软件的抗干扰设计，是提高计算机系统可靠性的有力措施。
本程序设计严格的从以上方面考虑，已达到预期的目标。
4.2.1程序模块
系统主程序主要用于变量及其他部件的初始化，如系统的初始化，以便能够准确的进行相应的操作。
同时进行相应的功能键判断，从而实现特殊功能。
其相应的流程图9所示。
本程序实现的功能是：
当红外光束被遮挡时光电开光断开，表示有人闯入监控区，从而经过单片机部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警且一直工作，当工作人员双击开关后报警器结束工作进入下一次布防状态，等待再次报警。
否
是
图9主程序工作流图
5系统调试
5.1软件调试及软硬件联调
运用keilC51软件编写程序[5，6]（见附录一），在程序运行正确后将程序载入proteus所画电路中，此时仿真并进行调试。
5.2Proteus软件仿真
使用proteus软件仿真电路[7]（见附录二）图10正常工作状态，图11有不透明物体遮挡，工作人员发现后双击手动开关进入下次布防状态又回到图10。
本设计所要求达到目标：
当开关闭合（无人闯入时）时图中的D5亮，当开关断开（有人闯入时）D5灭D1-D4闪烁，同时蜂鸣器响，且一直工作，双击手动开关后报警器停止工作，进入下次布放状态。
5.3.硬件调试
仿真成功后将程序下载到AT89C51[8]单片机中，焊接实物电路图[9]，进行脱机调试。
调试时应分模块调试最后脱机调试。
5.3.1模块调试
（1）光电开关调试。
当红外光束无遮挡时，检测是否有电压输出。
当红外光束被遮挡时，检测电压是否有变化（变小）。
（2）LED报警电路调试。
将电源接至灯光报警电路，电源正极接四个电阻，负极接个LED显示灯D1-D4，发现LED灯部分亮，用万用表检查后发现LED灯正负极接反，重新焊接LED灯正常发光。
（3）声音报警电路调试。
将电源正极接至声音报警模块三极管的集电极，电源负极接至蜂鸣器的负极管脚，当在基极输入一个电压时蜂鸣器发出声音。
5.3.2静态检查
首先检查线路[10,11]应焊接无误。
本设计制作中，电路焊接要注意元器件在板子上的布局，尽量做到少用线，同时为保证方便检查，应尽量把各模块焊接在一起。
如果布局不好，调试有问题就不容易发现问题出在哪儿。
硬件电路图核对元器件的型号、极性，安装是否正确，检查硬件电路连线是否与电路原理图一致，检查电路元器件是否都已经连接好，用万用表一一测试。
5.3.3通电检查
先调试电源部分，单片机部分和LED模块接3.5V电压，红外接收模块接6V电压。
再用示波器检测单片机的复位和晶振电路是否有复位信号和振荡信号。
5.3.4脱机调试
整机调试。
接通电源，当有不透明物体从光电开关经过时，系统发出声光报警且一直工作，实验达到预期目标，工作人员双击手动开关后报警结束进入下次布防状态，经整机调试，单片机外接复位开关有良好的工作性能。
5.3.5实物图
实物图（见附录三），图12正常工作状态，图13有不透明物体遮挡。
6结论
本设计采用KeilC51开发系统，完成了程序模块规划及各个模块的设计与编程，实现了对信号处理过程的编程和调试。
它具有电路简单、功能齐全、性能齐全、性价比高等特点，是一种经济、实用的对射式光电开关报警器。
本论文完成了软硬件主要功能模块的设计，为进一步设计开发打下了良好的基础。
整个系统主要由AT89C51芯片、对射式光电开关、声光报警、键控组成。
性能好，工作稳定，非常适合防盗报警领域。
由于时间关系和水平有限，设计中存在着一些缺陷和不足，还有待于在今后的设计过程中进一步不断完善。
为了提高报警器的灵敏度，减少误报率，可以采用摄像头作为探测头，将采集到的信号进行图像处理及判断后再决定是否报警。
如果系统接收到报警信号后，保安人员可以通过查询报警记录来确定是否真有人经过，另外手动开关可改为手机控制的电子开关，即使保安人员在很远处也能有效控制报警器。
随着人们对生活质量要求的不断提高，防盗报警器系统的功能也将日趋完
升级会员 