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基于单片机的红外防盗报警器的设计

论文摘要

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。

该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。

概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。

利用热释电红外传感器设计了一种红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。

热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。

关键词：

单片机红外传感器数据采集报警电路

基于单片机的红外线报警器

蔡智林

（开封大学电气自动化专业）

1绪论

1.1设计概述及背景

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，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。

就目前市面上装备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。

而本设计中所使用的红外线是不可见光，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。

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。

1.2设计要求

（1）该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、报警等模块子函数。

（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、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。

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、通信模块、功能设定模块等部分组成。

（3）系统可实现功能。

当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，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、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。

（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。

此类装置设计的要点：

其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。

当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。

至于报警可采用声光信号。

1.3设计意义

加强对一些无人场所的防盗报警，以及对一些危险地带生命迹象的探测。

2方案设计

2.1总体设计思路

方案一：

利用模拟电子电路构成被动红外线报警器。

系统主要有红外线传感器，信号放大电路，电压比较器，开机延时，音响报警延时和12V电源组成。

被动红外线感应报警器的红外感应源采用热释电原件，这种元件在接收到人体红外线辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

方案二：

利用模拟构成主动红外线入侵报警器。

主要由发射机和接收机组成，发射机是由电源，发光源和化学系统组成。

接收机是由光学系统，光感传感器，放大器，信号处理器等组成。

主动红外线报警器是当有人侵入该警戒时，红外线束被遮挡，接收机收到的红外线信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。

目前此类报警器有二光束，三光束还有多光束的红外栅栏等。

一般应用在周界防范居多，最大的优点就是防范距离远。

2.2选定方案

方案二的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案一较为复杂。

由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件和模块的选择上尽量采用通用，基础的元件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。

综上所述，选择方案一。

组成框图如下：

图2-1人体红外线感应报警器组成框图

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。

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。

硬件主要包括单片机系统，热释电红外传感器探头，放大比较电路，控制显示电路，鸣叫报警电路等部分。

软件部分主要包括热释电红外传感器输出信号的采样及A/D转换模块，数据分析算法模块，信息识别模块。

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、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总体设计框图所示：

图2-2总体设计框图

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、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51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，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。

3元器件知识介绍

3.1热释电红外传感器简单介绍

热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。

是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路[2]。

如图2示为热释电红外传感器的内部电路框图。

图3-1热释电红外传感器的内部电路框图

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达１０４ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。

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。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

图2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境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来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为０．２～２０μｍ。

为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。

这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

3.2红外线传感器的特点

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度，都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等

3.3PIR的原理特性

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。

人体辐射的红外线中心波长为9--10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2--20um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7--10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。

3.4AT89C51单片机简单概述

3.4.1AT89C51单片机的结构

AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大[3]。

AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

图3为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。

由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。

下面介绍几个主要部分。

外时钟源外部事件计数

外中断控制并行口串行通信

图3-2AT89C51功能方块图

3.4.2AT89C51管脚说明

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：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

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P1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口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当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，它利用内部上拉优势，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内容。

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口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外部中断0）

P3.3INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/

：

当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

PSEN：

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。

/VP：

当

保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，

将内部锁定为RESET；当

端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。

图3-3AT89C51管脚

4具体电路模块设计

4.1热释电红外传感器

本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。

其工作电路原理及设计电路如图5所示,在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。

当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。

图4-1热释电红外传感器原理图

4.2放大电路的设计

如图6所示为最基本的放大电路，Vi是输入电压信号，Vo是输出放大的电压信号。

图4-2放大电路图

4.3时钟电路的设计

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

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。

如图7所示为时钟电路。

图4-3时钟电路图

4.4复位电路的设计

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。

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8示为复位电路。

图4-4复位电路图

4.5发光二极管报警电路的设计

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9所示为发光二极管报警电路。

图4-5发光二极管报警电路图

4.6声音报警电路的设计

如下图所示，用一个Speaker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10示为声音报警电路。

图4-6声音报警电路图

4.7电源的设计

如下图所示，P1为安全电源接口，VCC为正，VIN为负接地，当系统供电，D1绿灯亮起，R为保护电阻。

如图11电源接口电路

图4-7电源电路

4.8系统硬件电路的总设计

硬件电路的设计见图示，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：

AT89C51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位电路等。

其中D1为电源工作指示灯，D2是正常工作指示灯，D3—D6是起报警指示作用，当RXD脚被置低电平时，D3—D6亮红灯开始报警，同样，TXD脚置高电平时声音报警电路开始工作。

电路设有2个按键，S1键作为倒计时的暂停键,S2键作为作为电路复位键。

图4-8电路原理图

第五章软件的程序实现

5.1主程序工作流程图

按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如下图12所示；

图4-9主程序工作流程图

5.2中断服务程序工作流程图

本主程序实现的功能是：

当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。

同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。

手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图13所示；

图4-10中断服务程序工作流程图

5.3软件仿真

将所编写的程序用Keil软件编译，进行仿真实验。

（1）完成Proteus与KeilC的接口设置

（2）在Proteus中选择Debug，UseRemoteDebugMonitor菜单项完成硬件电路的输入。

（3）在KeilC中编写应用程序，并对程序进行编译，链接

（4）在Proteus中可以看到仿真页面

总结

本设计研究了一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。

该防盗报警器通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。

平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。

该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。

随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。

致谢

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业。

人最宝贵的年华有几个三年，在这里我度过了让我真正成长成熟的三年，记得刚进学校是我是多么的无助与陌生，三年的异地大学生活使我变的成熟，坚强和独立。

感谢我的所有任课老师，他们严谨细致、认真讲解，他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

三年的大学生活中，它们不管在生活还是学习上都给我很大的帮助，让我从腼腆的小男孩变成能独立面对社会的毕业生。

首先向跟随我们三年的班主任谭伟东老师致以最诚挚的感谢，他不仅是我的老师，更是我的益友，在我的三年大学生活中他不仅给予我们学习上的帮助还给我生活上很多帮助，锻炼我的各方面能力，使我步入社会时能很快很好的融入。

还要感谢的是在我平时学习中给我很大帮助的老师们，他们渊博的知识，严谨的治学，让我不仅学到了扎实的专业知识，还教会了我如何做人，面对问题养成了沉着冷静，努力解决。

上班了，面对自己不熟悉的环境，我要适应，上班了没有很多的时间看书，更没有多少时间来做毕业设计，在我现在做这个设计时，离我离开学校有半年多了，很多知识我们已经忘掉了，在这里我要感谢李思政老师，在百忙之中抽出时间辅导我，帮助我做毕业设计辅导，使我节省和很多时间，顺利完成毕业设计。

最后要感谢的是我的父母，因他们的给予我才能在这校园里完成我的大学梦想，使我的人生阅历提高，增长见识，提高了自己个方面的素质和涵养。

也要感谢我的同学。

，因为我们团结我们才能高效的完成毕业设计。

在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！

我一定会好好孝敬和报答他们！

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

参考文献

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[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]徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2006.

[8]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京:

高等教育出版社,2004.

附录一设计编程程序

1.主程序清单如下：

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0003H

LJMPPINT0

ORG0200H

MAIN:

MOVIE,#81H;CPU开放中断，INT0允许中断

SETBIT0;外部中断为边沿触发方式

MOVSP,#30H;指针入口地址

SETBP3.0

CLRP3.1

MOVP1,#0FFH;使P1口全部置1

MOVP2,#00H;P2口清零

CLRP1.2

LP:

JNBP1.0,LA;监测输入信号，是否有输入信号

LA:

ACALLDELAY;延时消抖

JNBP1.0,ALARM;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序

AJMPLP

DELAY:

MOVR1,0AAH

LD2:

MOVR2,0BBH

LD1:

NOP

DJNZR2,LD1

DJNZR1,LD2

RET

ALARM:

SETBP1.2;开始报警使运行正常绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动

CPLP3.0

CPLP3.1

;10S钟定时:

MOV51H,#14H;10S循环次数

MOVTMOD,#01H;定时器T0定时方式1

MOVTL0,#0B0H;置50ms定时初值

MOVTH0,#3CH

SETBTR0;启动T0

L2:

JBCTF0,L1;查询记数溢出

SJM