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基于单片机的无线防盗报警器设计学位论文
基于单片机的无线防盗报警器的设计
摘要：
随着21世纪社会的加速发展，安防逐渐受到人们的重视。
防盗报警器也从之前的有线变化到现在的无线。
而且应用的范围也越来越广，从家庭防盗到高档小区防盗等一系列需要安防的地方。
本文采用了红外热释电传感器采集数据、NRF24L01无线传输数据以及单片机控制技术，研制了基于单片机的无线防盗报警器。
设计涵盖了数据采集、数据传输、数据输出三大模块。
其中数据输出以报警的形式体现出来。
报警器采用了声音报警系统和发光二极管报警系统结合的方式来进行报警。
整个设计原理是通过STC89C52RC单片机将传感器采集的数据进行整理，然后传送到报警系统，实现报警功能。
关键词：
无线防盗报警；热释电红外传感器；单片机；无线传输
WirelessburglaralarmMCU-baseddesigns
Abstract:
Withthedevelopmentofsociety,thesecurityhasbeenpaidmoreandmoreattention.Cableanti-theftalarmalsochangesfromtheprevioustothecurrentwireless.Butmoreandmorewiderangeofapplications,fromthefamilysecuritytohigh-endresidentialsecurityandaseriesofsecuritywhereneeded.Thispaperusesthepyroelectricinfraredsensordataacquisition,NRF24L01wirelessdatatransmissionandmicrocontrollercontroltechnology,developedawirelessanti-theftalarmsystembasedonscm.Thisdesignincludesdataacquisition,datatransmission,dataoutputmodulethree.Thedataoutputintheformofalarm.Alarmwithsoundandlightemittingdiodealarmsystemalarmsystemcombinedtoalarm.ThedesignprincipleisthroughtheSTC89C52RCMCUthesensordata,andthensenttothealarmsystem,alarmfunction.
Keywords:
Wirelessburglaralarm;Pyroelectricinfraredsensor;microcontroller;Wirelesstransmission
基于单片机的无线防盗报警器的设计
1引言
1.1本课题研究背景
随着现代科学信息技术的不断发展，无线技术在生活中无处不在，其中无线防盗在小区和家庭财产安全保障方面已经起到重要的作用。
在传统的防盗保护措施中，人们主要通过安装防盗窗、防盗门，小区物业和仓库管理也主要是通过雇佣了大量的保安人员等方式，然而社区失窃的案件仍时有发生，这些案件的发生非常隐蔽，等到发现时已经造成严重的财产损失。
所以这些传统的防盗都存在着很大的缺陷和不足。
目前市场上也存在一些家庭和仓库的电子防盗报警器，但是这些报警器的功能都比较单一，主要以声音触发式防盗报警器、湿度防盗报警器以及有线红外防盗报警器为主，但是这几种防盗报警器都存在一些不足，只能用于一定范围或者一定强度的近距离报警，而且抗干扰性能比较弱。
并且现代的住宅区的结构已经发生了很大的变化，从以前的独立式逐渐向群体花园式住宅区的方向发展，向高空发展，仓库的布局也从以前的单一布局到现在的复杂结构。
所以现在市场上的报警器不能满足当前的防盗的需求。
本设计的目的是为了满足现代居民住宅、大型小区以及布局复杂仓库的防盗需要而设计的无线电子防盗报警器。
从性能和灵敏度上都比以前简单防盗器有了很大的改进，从而可以满足现在结构复杂和规模较大的住宅区和仓库的防盗报警，而不是仅仅局限于结构单一的住宅区。
此设计出的无线报警器防盗性能好、不易出现不报和误报现象，而且比之前的有线防盗器更实用。
不仅如此，整个系统用了单片机作为最小系统的信号处理器，从而可以很好的与计算机相连接，通过计算机来统一管理信息。
1.2无线防盗报警器的发展
上个世纪，由于无线技术的落后，所有的防盗报警器都是通过布线来连接的，这就造成了有线报警器在安装的时候工作量大、造价高等缺点。
加上国内的很多住宅和仓库等建筑都是由水泥和砖等一些建筑材料筑成[1]。
除非一开始就考虑到布线问题，不然在布线上将造成更大的困难。
然而随着这些年来无线技术研究的不断深入，与其同时无线本身具有节省人力物力、节约空间等优点，所以无线技术现在在生活中应用变的越来越大众化。
防盗报警器也从之前的有线防盗报警器发展到现在的无线防盗报警器。
随着当今世界的科学技术的迅速发展，我国的无线防盗报警器的技术也已经越来越完善。
各项技术都得到长足的发展，例如：
误报率越来越低、越来越智能化、安全性高、人工维护费用逐渐减少、很强的抗干扰性。
新一代无线防盗报警器基本上具有以下特点：
⑴操作简便，每个系统都配有功能和图案标志想配的遥控器，各项操作也会有不同的声音提示。
⑵优美外形设计，适于家庭和仓库的安装使用。
⑶给用户提供多种运用方式，适合家庭、仓库管理的多种需要。
⑷集成有双向对讲和监听设备，可用于医院的监护和救护系统、家庭的远程通讯和军事方面的监测等各个方面。
在价格方面，由于一套质量可靠、性能好的无线放到报警器是有线设备的2倍以上，这为无线放到报警系统的大量推广造成了一定的障碍。
从现在市场来看，要想在我国广泛推广无线安防技术，就必须使无线防盗更加智能化，例如与智能楼宇联系在一起的方式[2]。
1.3无线防盗报警器的研究的意义
无线防盗报警器在现在的安防上起到越来越重要的作用，它能有效的保护家庭和仓库等需要保护的地方的财产安全。
随着技术的不断发展，人们对无线防盗系统的研究也更深入，使无线防盗报警系统更简便、安全性更高、抗干扰性更高。
本次设计的无线报警器将可以简单的实现无线报警器的一些功能，即红外传感器、nRF24.L01无线传输、声光报警等功能，能满足现在是市场的需求，具有一点的实际应用价值。
2系统设计总方案
2.1系统设计思路
硬件和软件是本系统设计的两个部分。
其中硬件部分分为主机控制模块和从机采集、发射模块以及报警模块。
主机模块主要是以STC89C52RC单片机为主控制的声音报警系统和发光二级管报警系统。
从机模块主要由红外热释电传感器模块、信号放大模块和无线发收模块组成。
简而言之，整个系统可以划分为数据采集、数据传输、报警系统。
其中数据采集通过被动式红外热释电传感器来采集人体红外数据，用nRF24.L01把采集的数据进行无线数据传输，报警系统是单片机控制的声光报警电路来进行报警功能。
报警系统的工作原理：
本系统采用对人体的红外辐射敏感以及可以抵抗一定的外界干扰的被动式红外热释电传感器对数据进行采集，通过信号放大电路，然后经过nRF24.L01把放大的信号传输出去，最后由STC89C52RC单片机控制的报警主机做出相应的反应，实现各种功能的报警，如：
LED红灯报警、Speaker的声音报警。
其中为了提高报警系统中探测器的探测灵敏度以及热释电红外中探测器的探测距离，本设计在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜。
这样可以大大提高热释电红外采集信息的可靠性。
2.2系统设计框图
基于单片机的无线防盗器由STC89C52RC单片机、红外传感器、NRF24L01无线接发器和声光报警器，以及相关的控制软件组成，无线防盗报警器硬件总体结构如图2-1所示，其中STC89C52RC单片机是中央控制器，是整个设计的核心部件。
图2-1无线防盗报警器总体结构图
3软硬件平台
3.1硬件平台
在基于单片机的无线防盗报警器设计中运用到了许多硬件，如红外传感器，STC89C52RC单片机，NRF24L01无线收发模块，LCD灯，扬声器等。
3.2软件平台
本论文的完成使用了许多软件，其中用到的软件平台有：
3.2.1KeiluVision4
Keil是一个做微控制器（MCU）软件开发工具的公司，是由德国慕尼黑KeilElektronikGmbh和美国德克萨斯KeilSoftware两人组成的。
Keil软件是目前最受欢迎的开发51系列的单片机软件，支持C语言和汇编语言。
KeilC51软件是51系列兼容各种单片机在内的用C语言开发系统，内部提供了包括C编译器、链接器、宏汇编和仿真调试器等众多的开发环境，并且要把这些功能组合在一起要通过一个集成开发环境uVision，可以在计算机各种操作系统下运行，例如windows98、Windows2000等。
本设计系统使用的是KeiluVision4版本，这个版本是2009年2月发布的的，支持更多的ARM芯片。
KeiluVision4的优点也是显而易见的，它具有多显示器、简便的多项目工作程区、灵活性高和项目众多等优势。
它的运行界面如图3-1所示。
图3-1KeiluVision4运行界面
3.2.2MicrosoftOfficeVisio2003
Visio最初是由Visio公司设计的，它的创始人是由三个著名的科学组成。
在2000年被微软收购，成为微软旗下的一款针对一些复杂信息、复杂系统和数据进行可视化处理和分析的软件。
利用OfficeVisio2003可以把现有的数据生成很多种类的标准图表、流程图和机构框图。
OfficeVisio2003里含有大量的模板，基本上涵盖了所有日常所需的日程表、业务图和网状图等图表。
同时，该软件和微软的office兼容，可以随时在编辑文档的时候插入图表和流程图。
节省时间，增加了商业和IT人士的工作效率。
它的运行界面如图3-2所示。
图3-2OfficeVisio2003运行界面
3.2.3AltiumDesigner
AltiumDesigner即Protel软件，由开发商Altium公司推出，是一款电子产品设计必备的开发软件。
AltiumDesigner软件集原理图设计、PCB绘版、电路仿真、拓扑逻辑自动布线和设计输出等技术为一体，从而为设计者们提供了一整套完整的设计方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用AltiumDesigner将能大大改善电子设计的效率和质量[5]。
该软件主要运行在Windows操作系统上，是一种简单的设计软件，支持英文和中文版本。
AltiumDesigner集聚了ProtelDXP等多种版本的功能和优点，提供大量的原理图库以及丰富的虚拟器，并且在工程的设计和调试阶段中，可以方便模块直接的连接，看出每个模块间的逻辑关系，方便调试。
支持软硬件并行开发，使嵌入式系统硬件开发中的串行开发模式的不足得到克服。
它的运行界面如图3-3所示。
图3-3AltiumDesigner运行界面
4系统硬件部分
4.1中心主机控制系统
本系统的核心部分是中心模块。
中心模块的核心部分是单片机。
本次设计是通过设计中常用的STC89C52RC单片机作为核心模块来实现报警控制。
通过它的引脚对声音报警电路和二级管发光电路等控制。
所以我们有必要要先对STC89C52RC的各个引脚和实现的功能进行详细的了解，以及它的一些晶振电路和复用电路等设计。
4.1.1STC89C52RC单片机的引脚功能介绍
STC89C52RC单片机的封装形式为直插式封装，整个引脚为40个，双列直插式的PDIP40，如图4-1所示各引脚功能如下[6]。
图4-1STC89C52RC引脚图
⑴电源引脚
用于接入单片机的电源。
VCC：
40脚，连接（5V±10%）的电源。
GND：
20脚，接地。
⑵输入/输出端口
51系列单片机的可编程输入和输出端口是4组8位的，分别是端口P0、端口P1、端口P2、端口P3口，每个口有8位（单片机的8根引脚），共32根。
每一根引脚都可以编程。
P0口：
从单片机的第32引脚到单片机的第39引脚，8位双向输入和输出口线，名称为P0.0到P0.7
P1口：
从单片机的第1引脚到单片机的第8引脚，8位双向输入和输出口线，名称为P1.0到P1.7
P2口：
从单片机的第21引脚到单片机的第28引脚，8位双向输入和输出口线，名称为P2.0到P2.7
P3口：
从单片机的第10引脚到单片机的第17引脚，8位准双向输入和输出口线，名称为P3.0到P3.7
其中P3端口引脚的功能如表4-1所示：
表4-1P3端口的引脚
端口位
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行口的接受
P3.1
TXD
串行口的输出
P3.2
INT0
外部中断0
P3.3
INT1
外部中断1
P3.4
T0
计数器/定时器0
P3.5
T1
计数器/定时器1
P3.6
WR
写入外部控制寄存器控制
P3.7
RD
读取外部控制寄存器控制
⑶复位引脚
Reset是复位输入信号，对于STC89C52RC而言，当复位引脚接高电平超过约2us，即大于两个机器周期时，可产生复位的动作[4]。
复位引脚为第9脚。
⑷频率引脚
用于提供单片机的工作时钟信号。
XTAL1（19引脚）：
具有输入到振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端的功能。
XTAL2（20引脚）：
具有振荡器的反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器的功能。
外部振荡器被使用时，XTAL2不会被使用，这时XTALI接收振荡器信号。
⑸储存器引脚
引脚就是31脚，即存取外部储存器使能引脚。
当
=1时，系统内部存储器将会被使用；当
=0时，系统使用外部存储器。
⑹地址锁存使能ALE（30脚）：
功能是在存取外部存储器时，送出一个将原本在P0的地址（A0~A7）信号锁存到外部锁存器IC，让PO空出来，以传输数据。
程序存储使能
（29脚）：
读取外部存储器是它的功能。
一般这个引脚连接到单片机的外部存储器（ROM）的
引脚,当单片机要读取外部储存器的数据时，这时引脚会输出一个低电平信号。
4.1.2电源电路的设计
图4-2电源电路原理图
电源是为单片机和其他系统供电的模块，它为STC89C52单片提供5V电压。
电源模块主要是由一个电源座DC、一个发光二极管、一个拨键开关KG和一个电阻组成。
电源座DC是为了使整个系统能容易的接入电。
其中LED是起到提示作用，便于人们知道电源已接通。
为了防止LED因电流过大而烧坏，所以在电路上安装了一个电阻，从而保护电源模块，起到分压作用。
正常情况下LED的工作电压在1.7V左右而电源提供的电压是5V左右，如果不加保护电阻的话，可以用恒流源供电，但是恒流源比较复杂，不如用恒压源加保护电阻方便简单。
恒压源方便而且容易得到。
只要根据公式算出分压的电阻的阻值大小即可。
根据R=（U-Uled）/I可以算出保护电阻的阻值范围是150Ω到660Ω，但由于LED的电压达不到1.7V，为了确保安全起见，顾把保护电阻的阻值选为1000Ω。
其电路原理图如图4-2所示。
4.1.3晶振电路的设计
图4-3晶振电路原理图
此晶振电路设计中使用了30PF的电容和12MHZ的晶振来组成。
电路原理图如图4-3所示，其中晶振的一端连接到反向放大器的输入XTAL1上，另一端连接到反向放大器的输出XTAL2上。
引脚分别是18脚和19脚，两条引脚不分正负。
晶振为STC89C52RC提供稳定的时钟脉冲信号，使单片机进行工作。
4.1.4复位电路的设计
图4-4复位电路原理图
在设计复位电路系统时使用了分别使用了10K和1K的两个电阻器、一个10uf的电容器和一个按键。
⑴在复位方法有上电复位电路和手动复位电路两种。
本无线防盗报警器系统采用的是外部手动的方法。
⑵复位作用：
系统正常工作前的初始化准备；程序运行错误时，重启系统；操作有误时，重启系统。
⑶复位条件：
当第9引脚连接高电平持续两个机器周期以上的时间会产生复位动作。
4.2从机系统模块设计
本设计的电路模块包括红外传感器电路、信号放大电路和无线收发电路等模块。
下面具体介绍各个模块。
4.2.1红外热释电传感器
⑴红外热释电传感器的介绍
被动式红外热释电传感器是由传感探测元、场效应匹配器和干涉滤波器三个部分组成。
其主要组成材料是由一种高热电系数，如钽酸锂和硫酸三甘钛等制成[6]。
一般2*1mm是它的大小规格。
一般在热释电红外传感器的探测器里面装入一至两个这样规格的探测元件，为了克服自身由温度升高而产生的误差，将两个探测元件以反极性串联。
探测元件会把接收到或者探测到的红外辐射转变为微弱的电压信号。
要使信号能够发大，这时探头内的场效应管起到放大作用，把接收到的电压信号向外输出。
具体设计如图4-5所示
图4-5双探测元热释电红外传感器
红外传感器自身也有它的优缺点，优点是它本身无辐射、灵敏度高、功耗小、隐蔽性好等突出性的优点。
缺点是容易受各中外界各种因素干扰、穿透差，所以当人体发射出的红外辐射遭到外物遮挡时，就会造成信息不能被探头接收；还有情况是当环境温度和人体温度达到非常接近程度时，探测的灵敏度将会有明显的下降趋势，可能还会造成短时间的失灵。
被动式红外热释电传感器的实物图如图4-6所示。
图4-6红外热释电传感器实物图
⑵菲涅尔透镜的介绍
菲涅尔透镜是由一位著名的法国物理学家Augustin.Fresnel发明的，是具有微小细致结构的的一种光学元件，又名螺纹透镜。
一般是由聚烯烃材料注压而成的白色乳状的薄片[7]。
镜片具有两面，其中外观表面是为光面，在其另一面是被刻录了由小到大的同心圆。
镜片上的纹理的设计是根据光的干涉及扰射，还有就是根据它的相对灵敏度和接收角度等要求。
多元阵列式菲涅尔透镜现在一般用在人体感应系统中的光调制器中，它起到两种作用非别是调制器和红外辐射收集器。
菲涅尔透镜的整个设计和制作都是利用了特殊的光学原理。
特殊的地方在于他在探测器前方会产生一个交替变化区域，分别是“高灵敏区”和“盲区”两个区域，以至于热释电红外的探测和接收的灵敏度得到提高。
当有人经过透镜时，被动式红外热释电传感器会检测到人体发出的红外线，此时红外线不断地从一个区域交替进入另一个区域，即“盲区”和“高灵敏区”的交替进入，红外信号被接收到，最后以不稳定的脉冲形式输入，有时变强有时变弱，从而强其能量幅度。
菲涅尔透镜的实物图如图4-7所示
图4-7菲涅尔透镜的实物图
⑶热释电传感器工作原理
热释电传感器与菲涅尔透镜配合使用能增加它的灵敏度和传感器的探测半径。
探测半径变化了6m，从原来小于2m提高到大于8m范围[8]。
本设计的红外传感器采用双探测元的结构。
其工作原理流程图如图4-8所示。
图4-8热释电红外传感器工作的原理流程图
热释电红外的具体电路由探头、低频放大电路、门限电路等三部分组成，在输入端利用C1和R2来稳定工作电压，同样为了稳点信号在输出端多加了稳压元件。
当人体移动到红外传感器的附近，会检测到人体移动信号，从而会被采集到，这时候电荷信号经过FET放大后，要使输出的电压为高电位，必须要经过C2，R1的稳压后才能输出，最后把稳压后的高电位经过一次NPN的转化，这样最终输出OUT的输出信号为低电平信号。
4.2.2放大电路的设计
因为热释电红外传感器采集到的信号很小，仅1mV左右，NRF24L01无线模块不能把此时的信号传输出去，而且采集的信号频率也只有0.1~10HZ。
如果想把接收到的信号通过无线模块发射出去，就必须经过高增益、低噪声和低频放大器放大[9]。
通常情况下，要求放大器的增益为60~70dB,同时带宽要达到0.3~7HZ。
如图4-9所示为一个简单的放大电路，Vi和Vo分别是输入电压信号和输出放大的电压信号。
图4-9放大电路图
4.2.3无线发射和接收模块
无线发射的模块有NRF24L01、NRF905、PT2262等，本设计采用的是NRF24L01无线收发模块。
⑴nRF24L01的简介
nRF24L01是一个体积小、工作在宽电压（1.9V~3.6V）和2.4GHz~2.5GHz的频段的单片无线收发器芯片。
几乎所有的单片机芯片都能和它相连，并能完成相应的无线传输工作。
它具有功耗低、数据传输速度快、多点通讯和调频、传输的数据量大等优点，但是它的传输距离短[13]。
⑵NRF24L01的参数，具体参数如表4-1所示：
表4-1NRF24L01的性能参数表
性能参数
数值
单位
最低供电电压
1.9
V
最大发射功率
0
dBm
最大数据传输速率
2
Mbps
发射模式下，电流消耗（0dBm）
11.3
mA
接收模式下电流消耗（2Mbps）
12.3
mA
工作温度范围
-40～+80
℃
掉电模式下电流消耗
900
nA
⑶NRF24L01的引脚及其功能[14]，具体如表4-2所示：
表4-2NRF24L01的引脚与功能表
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源（+3v）
8
VSS
电源
接地（0v）
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD_PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8v电源
12
ANT1
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口2
14
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
15
IREF
模拟输入
参考电流
⑷NRF24L01的工作模式
NRF24L01有四种工作模式，分别为掉电、空闲、接收及发射四种。
具体如表4-3所示：
表4-3NRF24L01工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO状态
接收
1
1
1
—
发射
1
0
1
数据已在发射堆栈里
发射
1
0
1-0
当CE有下降沿跳变时，数据已经发射
空闲2
1
0
1
发射堆栈空
空闲1
1
—
0
此时没有数据发射
掉电
0
—
—
—
空闲模式1：
NRF24L01主要用于减少电流损耗，晶体振荡器在该模式下仍然处于工作模式。
空闲模式2：
在CE=1时且当发射堆栈为空发生时。
空闲模式：
保留配置字。
掉电模式：
此模式下NRF24L01损耗电流最小，与此同时nRF24L01停止工作，但是所有配置寄存器的值仍然保留。
⑸NRF24L01的工作原理
本设计系统的无线模块NRF24L01需要单片机的供电。
发射数据时,需要把NRF24L01配置为发射模式，接着按照时序由SPI口把有效数据TX_PLD和接收节点地址TX_ADDR写入nRF24L01缓存区；TX_PLD必须在SPI片选信号为低时不
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