基于单片机的红外感应防盗报警器的硬件设计毕业设计.docx

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基于单片机的红外感应防盗报警器的硬件设计毕业设计

毕业设计

基于单片机的红外感应防盗报警器的硬件设计

摘要：

随着社会的不断进步，电子技术的不断发展，人们的生活水平得到了很大的改善，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律，因此人们对自己所处环境的安全要求就越来越高，特别是家居安全，不得不时刻留意不速之客的光顾。

为此，许多小区、家庭都安装了报警系统，这可有效的保证了居民的人身财产安全。

本文介绍一种利用热释电红外传感器进行监控报警系统的硬件设计。

该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路、报警电路组成。

热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号，以供信号处理部分使用。

检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波。

结合单片机软件程序的分析，系统进而实现声光报警功能。

关键词：

热释电红外传感器；数据采集；报警电路；单片机

SoftwareDesignofInfraredInductionAnti-theftAlarm

BasedonMCU

Abstract：

Withthesocialprogressandelectronictechnologydevelopment,people'slivingstandardshavebeengreatlyimproved.Theuseofmanyhigh-techproductshasincreasinglybecomethemainthemeoffamilylife,sopeoplepaymoreattentiontotheirsafetyrequirements,especiallyinhomesafety,alwayshavetokeepaneyeonstrangers.Therefore,manyresidentialareasandfamiliesinstallalarmsystem,whichcaneffectivelyguaranteethepersonalandpropertysafety.Thispaperintroducesthehardwaredesignofthemonitoringandalarmsystembyusingpyroelectricinfraredsensors.

Thisalarmsystemismainlycomposedwithpyroelectricinfraredsensor,detectioncircuit,andalarmcircuit.Pyroelectricinfraredsensoristhecoredeviceofalarm,whichcantranslatethebody'sinfraredsignalintoelectricalsignalinordertoprocessing.Thedetectioncircuitcanamplifyandfiltertheweaksignalfromthesensor.Combinedwiththeanalysisofmicrocontrollersoftwareprogram,thesystemaccomplishesthefunctionsofsoundandlightalarm.

Keywords:

PyroelectricInfraredSensor,DataAcquisition,AlarmCircuit,MCU

第1章绪论

1.1选题的目的与意义

随着社会的进步和人们生活水平的普遍提高，人们对家庭住房的防盗、防劫、防火设备的重视程度也不断提高所以现代社会有更多的人需要对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行监测和报警，我国工业化的快速发展带动了无数企业茁壮成长，随之而来的是仓库的不断扩展以及储存物品价值不断升高。

无论是工业还是物流业，对于仓库的管理和防盗面临着很大的压力，在高科技时代下，技术不断革新，我国目前的传统防盗报警系统已无法满足市场的需要，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：

（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，很容易失报和误报，其可靠性低。

（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。

（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时若遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。

还有，就闭路监控电路防盗系统而言：

它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。

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和用户操作。

由于红外线是不可见光，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广泛的应用，这种热释电红外传感器施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。

因此根据国际安防业的主流技术发展方向，迫切的希望研究出适合用于工业、物流业的仓库防盗报警系统。

1.2本课题在国内外的发展现状

1．国内研究状况及发展趋势

近年来，随着改革开放的深入发展，电子电器的飞速发展，人民的生活水平有了很大提高。

各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。

然而一些不法分子也是越来越多。

这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强.造成偷盗现象屡见不鲜。

因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。

报警器这时正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，价格高昂,一般人们难以接受。

如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

由于红外线是不见光，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。

红外报警器大多数采用国外的先进技术,其功能也非常先进。

其中包括被动式热释电型红外报警器,也即是本文将研究的产品。

还有红外监控无线报警器,超声波防盗报警器,红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器,触摸式延时防盗报警器,触摸式防盗报警器,红外报警器,红外线声先报警器等。

此外，在电子防盗、人体探测等领域中，对射红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎

国内的报警器基本都是以超声波、红外发射/接收以及微波等技术为基础。

从单一封闭式、被动型安全防范模式向多元化、综合化、电控化以及红外报警处理方向发展。

防盗报警产品的发展趋势，产品技术将在数字化、无限化、集成化核心前提下力求突破。

而在应用市场上，将朝更细化的方向前进，成长最快的住宅小区应用为例，有厂商表示，专为住宅小区设计的定向幕帘式和防宠物探测器，成本低、安装简单、适合家庭用的无线联网报警系统，以及小区智能化防和报警集成系统产品都将是亮点。

2．国外研究状况及发展趋势

国外的红外报警器大多数都是采用先进技术，其功能也非常先进。

其中包括被动式热释电型红外报警器，红外监控无线报警器，超声波防盗报警器，红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器，触摸式防盗报警器等等。

目前国际上应用最多的是主动红外对射总线制报警主机的方式，这种方式具有技术成熟、可靠性高、易扩展、操作简便、经济性好等优点。

1.3本课题要解决的主要问题

1、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。

2、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，经放大电路送至AT89S52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。

第2章系统设计方案

防盗报警系统一般是由入侵探测器、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，它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。

2.1方案选择论证

防盗报警系统的设计可以通过以下两种方案实现：

方案一：

利用固定点电话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，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，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（巡逻大队）经历分布，及时调动警力做出快速处理。

方案二：

通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。

通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。

2.2AT89S52单片机简介

本设计拟采用AT89S52单片机为微处理器，通过红外热释电传感器采集数据，分析后将数据送出。

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。

该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。

片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。

通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。

它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。

其结构框图如图2.1所示。

图2.1AT89S52结构框图

如图2.2所示，该单片机包含40个引脚，4kbytesflash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了震荡频率可为12MHZ并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，cpu暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图2.2AT89S52引脚图

主要功能特性：

·兼容mcs-51指令系统

·4k可反复擦写（>1000次）ispflashrom

·32个双向i/o口

·4.5-5.5v工作电压

·2个16位可编程定时/计数器

·时钟频率0-33mhz

·全双工uart串行中断口线

·128x8bit内部ram

·2个外部中断源

·低功耗空闲和省电模式

·中断唤醒省电模式

·3级加密位

·看门狗（wdt）电路

·软件设置空闲和省电功能

·灵活的isp字节和分页编程

·双数据寄存器指针

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。

1.多功能I/O口

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。

每根线可以单独用作输入或输出。

①P0端口：

该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。

当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。

当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。

在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。

②P1端口：

该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表2.1所示。

表2.1P1口管脚复用功能

端口引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

P1.1

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

P1.5

MOSI（用于在线编程）

P1.6

MISO（用于在线编程）

P1.7

SCK（用于在线编程）

③P2端口：

该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。

④P3端口：

该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表2.2所示。

在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

表2.2P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

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）

2.RST：

复位输入端。

在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。

看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。

在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。

DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。

3.ALE/PROG：

地址锁存允许信号。

在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。

在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。

一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。

但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。

在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。

在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。

4.PSEN：

程序存储器允许信号。

它用于读外部程序存储器。

当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。

在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。

5.EA/Vpp：

外部存取允许信号。

为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。

但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。

当执行内部程序时，EA应接到Vcc。

在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。

6.XTAL1：

振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

7.XTAL2：

振荡器的反相放大器输出。

第3章热释电红外技术概述

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。

如图3.1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

3.1热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构

热释电传感器是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的，红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。

非接触红外测温有以下几点优点：

（1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。

（2）测温范围宽。

（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。

（4）不必接触被测物体，操作方便。

（5）可以确定微小目标的温度。

非接触测温技术的意义是显而易见的。

随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。

在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。

通常将电磁波谱间隔在0.76～1000μm的区域称为红外光谱区，红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。

热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化ΔP的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。

有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电——铁电体。

例如：

LiTaO2（钽酸锂）、BaTiO2（钛酸钡）和TGS（硫酸三甘酞）等。

为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器。

3.2红外测温原理

红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（－273.15℃）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。

实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：

E=εE0（式3.1）

其中：

E为物体在一定温度下的辐射能力；E0为与E在同一温度下的黑体辐射能力;ε为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在0～1之间。

由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。

所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。

3.3热释红外传感器的结构

红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。

它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：

其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。

常用的热释电探测器如：

LiTaO2（钽酸锂）探测器、BaTiO2（钛酸钡）探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。

如图3.2所示为热释电红外传感器的结构图、电路图。

传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。

它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号。

又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。

在管壳的顶部设有虑光镜（TO－5封装）。

图3.3为热释电传感器的实物照片。

图3.2热释电红外传感器结构图和电路图

图3.3热释电传感器实物图

热释电体的自发极化强度与温度有关。

随着温度升高，自发极化强度下降。

温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。

温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。

由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。

但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。

因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约10－12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。

如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为：

Q=APS（式3.2）

当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。

如图3.4所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。

图3.4电路连接负载

若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。

因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。

所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。

如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化。

如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。

如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is通过负载。

热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图3.5所示。

图3.5热释电红外等效图

电流源的电流强度为Is为：

（式3.3）

式中，P为自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数。

3.4菲涅尔透镜

目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。

热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。

加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。

菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区。

这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号，如图3.6所示为菲涅尔透镜。

图3.6菲涅尔透镜

菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。

需要说明的是:

在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。

3.5热释电红外感应模块