基于单片机人体感应防盗报警系统的设计古俊波论文.docx
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基于单片机人体感应防盗报警系统的设计古俊波论文
摘要
随着科学技术的迅猛发展，安全问题已经成为了一个普遍的人们迫切需要解决的问题。
本文设计的是一种性能稳定、灵敏度高的人体红外报警系统。
该报警系统电路简单、安装使用方便，且具有报警功能，可用于家庭、企业、工厂等场合。
该系统以MSP430F149单片机为核心，采用了相应人体感应模块PIR模块及红外模块，运用定时器、外部中断、一体化红外接收头等来实现。
用户可通过遥控器无线遥控报警系统的打开和关闭,该报警系统主要由LED和扬声器组成，通过LED闪烁和扬声器发声来实现报警。
在报警系统开启的情况下，一旦有人在人体感应模块的探测范围内活动，报警系统就会报警。
报警系统报警后，如若人一直在探测区域活动，则报警系统一直报警，直到人在探测区域静止，从静止状态开始计时，若人一直保持静止，则3S后报警系统自动关闭，若人保持静止的时间小于3S，则又从下次人保持静止的时候开始计时。
当然，若人离开了探测区域，且无任何生物进入探测区域，则3S后报警系统自动关闭。
若用户通过遥控器关闭掉报警系统，则无论是否有人经过，报警系统都不会报警。
关键词：
安全问题；报警系统；MSP430F149；PIR模块；
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thesecurityproblemhasbecomeacommonproblemthatpeoplewanttosolveurgently.Thistopicdescribethedesignofastableperformance,highsensitivityofthehumanbodyinfraredalarmsystem.Thealarmsystemhastheadvantagesofsimplecircuit,convenientinstallationanduse,andhasthefunctionofalarming,itcanbeusedintheoccasionsoffamilies,enterprises,factories,etc..ThesystemusesMSP430F149micro-controllerasthecore,usingthecorrespondinghumanbodyinductionmodulePIRmoduleandinfraredmodule,usingthetimer,externalinterrupt,integratedinfraredreceiverfirsttoachieve.Theusercancontrolwirelessalarmsystemtoopenandclosethroughtheremote-control,thealarmsystemmainlyconsistsofLEDandthespeaker,throughtheLEDflashingandspeakersoundtorealizethealarm.Inthecaseofthealarmsystemopened,oncesomeoneactivatesinthehumanbodysensingmoduledetectionscope,thealarmsystemwillalarm.Afterthealarmsystemalarming,ifthepersonactivateinthedetectionofregional,thealarmsystemwillalarm,untilthepersoninactiveinthedetectionofregional,after10sthealarmsystemshutdownautomatically,ifamankeepquietlessthan3s,Ofcourse,ifthepersonleftthedetectionarea,andwithoutanybiologicalaccesstothedetectionarea,thealarmsystemclosedautomaticallyafter3s.Iftheuserclosesthealarmsystembyremote-control,whetherthereissomeonepassed,thealarmsystemwillnotalarm.
Keywords：
Humanbodydetectormodule;PIRmodule;warningsystem;MSP430F149;
目录
1绪论1
1.1课题研究背景1
1.2课题研究意义1
1.3课题研究国内外现状1
1.4课题研究的内容2
2系统硬件框图及整体电路图的设计3
2.1系统硬件框图的设计3
2.2系统的整体电路图的设计3
3整体硬件电路的方案设计6
3.1单片机的选择6
3.2热释电红外传感器的介绍8
3.2.1热释电红外传感器优缺点8
3.2.2热释电红外传感器安装注意事项8
3.3PM-7人体感应模块9
3.3.1模块简介9
3.3.2产品特点9
3.3.3应用范围9
3.3.4技术参数10
3.4TC9012红外遥控模块10
3.4.1TC9012红外遥控模块简介10
3.4.2TC9012主要特点10
3.4.3TC9012结构框图10
3.4.4TC9012管脚图11
3.4.5TC9012编码方式11
3.4.6红外一体化接收头（NB0038）概述12
3.4.7NB0038特性12
3.4.8NB0038原理框图12
4系统软件设计13
4.1软件开发环境13
4.2系统程序流程13
5系统硬件测试15
6结论与展望16
6.1结论16
6.2展望16
参考文献17
致谢18
附录19
1绪论
1.1课题研究背景
随着经济社会的快速发展和科学技术的空前进步，人们的物质生活条件得到了极大的提高，对私人财产的保护意识也在不断的增强，因而对防盗系统提出了新要求。
本作品就是为了满足这些要求而设计的人体红外防盗报警系统。
目前市面上的报警器主要有遮光触发式防盗报警器、开关电子报警器以及压力触发式报警器等报警器，但这些报警器存在着一些问题已然不能满足人们的需求[1]。
而本作品所使用的红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性，因而在防盗、警戒等方面具有突出的优势。
这种热释电红外传感器通过探测周围环境的温度变化达到探测是否有人经过的目的，并经过后续电路的转化将其转化为电信号可供主控芯片检测。
1.2课题研究意义
随着科学技术的巨大进步与社会经济的不断发展，人们对居家环境安全、社会公共安全提出了更高的要求。
同时政府开展的“平安城市”建设，对各种安防产品提出了更高的技术要求同时也给安防产业带来了巨大的商机。
由热释电红外传感器为探测元件的防盗系统具有功耗低、体积小、成本低、寿命长、灵敏度高等优点，能够很好的维护公共安全及私人物品安全。
1.3课题研究国内外现状
在国内，热释电红外传感器这一新型的高灵敏度的探测元件是在20世纪80年代发展起来的。
这种热释电红外传感器能以非接触形式探测出周围温度的变化，并将其转换成相应的电压信号用于输出[2]。
虽然对基于热释电红外传感器报警系统的研究已达二十多年，但大多时候都无法兼顾探测器探测的灵敏度和精确性，在宠物、冷空气等的干扰下，信号识别的准确率会有所下降，误报率增高[3]。
这使得基于热释电红外传感器的报警系统在住宅小区的安防应用中遇到了问题。
探测器之所以产生如此高的误报，主要是由于缺乏对PIR传感器输出的红外信号进行充分的有效的分析，对信号中所含有的特征信息没有进行有效的充分的数据挖掘[4]。
在国外，许多国家都很重视这方面的研究。
随着计算技术和微电子技术的快速发展，出现了智能化算法与先进的微处理技术结合进行实时信号处理判别的探测器。
这些智能化的PIR入侵探测器不仅在结构上采用了新颖独特且非常有效的设计来防止误报、漏报，而且更多的是采用了先进的数字化信号处理技术与智能化算法相结合的方法，能有效监测其所监测范围内的人体移动情况，具有良好的抗干扰误报特性，且各方面性能稳定可靠，在防误报漏报方面取得了很大进步[5]。
1.4课题研究的内容
采用热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路，设计实物。
实物可实现当有人靠近时，自动报警。
另外可实现按下紧急键随时进行时紧急报警。
2系统硬件框图及整体电路图的设计
2.1系统硬件框图的设计
本系统主要运用了人体感应模块、红外遥控模块、MSP430F149单片机、扬声器和LED。
系统具体结构框图见图2.1。
图2.1系统硬件框图
2.2系统的整体电路图的设计
整个电路图包括时钟电路、定时器电路、复位电路、电源电路、语音报警电路、人体红外报警模块接口电路。
时钟选择电路如图2.2所示。
图2.2时钟选择电路
例如：
主时钟（MCLK）选择为8M
unsignedintx=600;
BCSCTL2|=SELM_2;
BCSCTL1&=~XT2OFF;
do
{
IFG1=IFG1&（~OFIFG）;
While（x--）;
}
while（IFG1&OFIFG）
{
x=600;
}
定时器电路如图2.3所示。
图2.3定时器电路
例如:
定时1s参考c程序
TACTL|=TASSEL_1+MC_1;
TACCTL1|=CCIE+CCIFG;//开启定时器中断
TACCR0=0X8000;//定时器的时源频率为32.768KHZ，故初值设为0x8000
_EINT（）;//开全局中断
复位电路如图2.4所示。
图2.4复位电路
语音报警电路、红外模块接口电路分别如图2.5和2.6所示。
图2.5语音报警电路图2.6红外模块接口电路
3整体硬件电路的方案设计
3.1单片机的选择
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，简称单片机，它的强大生命力不言而喻。
目前，单片机正朝着低功耗、低价格、大内存、高性能等方向发展。
单片机特别适用于控制领域，所以又被称为嵌入式控制器或微控制器。
单片机是由单块集成电路芯片构成，内部包含了计算机的基本功能部件：
中央处理器、RAM、ROM、定时/计数器、中断和I/O接口电路等。
所以单片机只需要与相应的软件和外部设备相配合，就可以组成为一个以单片机为核心的智能控制系统。
本设计使用的是MSP430F149单片机。
该单片机是德州仪器旗下的一款16位超低功耗的单片机，德州仪器MSP430系列包括了各种应用程序来针对有不同外围设备的单片机。
体系结构结合了五种低功耗模式优化达到延长电池寿命在便携式测量中的应用，该设备具有16位精简指令集CPU、16位寄存器，数控振荡器（ digitallycontrolledoscillator简称DCO）能够实现从低功耗模式到唤醒模式的时间少于6us，MSP430F149单片机具有两个内置的16位定时器，一个快速的12位AD转换器，两个通用串行同步/异步通信接口（USART）以及48个I/O引脚（P1-P6）。
.MSP430F149单片机引脚如图3.1。
图3.1MSP430F149引脚图
MSP430F149单片机管脚说明：
MSP430F149单片机共有6个数字I/O口：
P1-P6。
每一个I/O口都有8个独立的I/O引脚，每一个I/O引脚可独立的被设置为输入或者输出即每个引脚可独立的读或者写。
只有P1口和P2口有中断功能，其他口均无中断功能。
P1口和P2口能够被独立的设置为上升沿中断或者下降沿中断，所有的P1口引脚仅有一个中断向量，P2口与之类似。
P1或者P2口作为外部中断源时必须设置管脚功能为I/O功能即PxSELx相应位为0，同时开启相应的引脚中断使能（PxIE位）和总中断使能位，且在中断服务函数中必须用指令清除中断标志位。
例如：
P1.5中断初始化c程序
P1DIR&=~BIT5;//设置为输入
//P1SEL&=~BIT5;//设置为基本输入输出功能
P1IES|=BIT5;//设置为下降沿触发
P1IE|=BIT5;//打开P1.5中断
_EINT（）;//开全局中断
P3-P6口除没有中断功能以外，与P1、P2口用法基本类似，仅第二功能不同。
因此使用这些口时可参照P1、P2口。
如表3.1所示。
表3.1MSP430F149的主要特性
低工作电压1.8V-3.6V
60K+256BFlashROM
48个双向I/O口
2KBRAM
2个16位定时/计数器
一个16位的看门狗定时器
16个外部中断源（P1和P2口）
支持在线编程
支持IIC、SPI等通信协议
超低功耗
5种低功耗工作模式
唤醒时间不超过6us
16位的精简指令集、128ns的指令周期
12位A/D转换器
MSP430F149单片机选择原因：
1）低功耗（工作电压1.8V-3.6V）适用于电池供电
2）指令集丰富，编程灵活且指令周期短，运行速度快
3）支持在线编程
4）体积小，隐蔽性好
3.2热释电红外传感器的介绍
热释电红外传感器是一种基于周围环境温度变化而产生相应变化的一种传感器[6]。
它由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三个部分组成（如图3.2）[7]。
其中，传感器探测元是由一种高热电材料制成，在每个探测器内装有两个反极性串联的探测元，用来抑制高温产生的干扰[8]；场效应管主要用于完成阻抗变换。
由于热电元输出的信号是电荷信号，不能直接使用，因此需要用电阻将其转换为电压信号，故引入共漏形式的N沟道结型场效应管来完成阻抗变换[9]。
通常，热释电红外传感器需与菲涅尔透镜相搭配，用于提高热释电红外传感器探测的灵敏度和探测的距离。
菲涅尔透镜一般安装在探测器前方，利用其特殊的光学原理，在热释电红外传感器器前方产生一个交替的变化的“高灵敏区”和“盲区”，当人经过时，人体发出的红外线就交替的从“盲区”进入“高灵敏区”，这使得输入的信号以脉冲形式输入，提高了其能量幅度[10]。
图3.2热释电红外传感器实物图
3.2.1热释电红外传感器优缺点
热释电红外传感器具有价格低廉、隐蔽性好、体积小、工作电压低以及本身不会发出任何类型的能量辐射等优点，但当外部环境温度和人体温度相近时，探测器灵敏度就会下降且易受各种光源、热源的影响。
3.2.2热释电红外传感器安装注意事项
1）避开光源的直接照射，如：
日光、白炽灯等
2）避开热源，如：
空调、加热器等
3）避开空气流速较快的地方
4）传感器表面禁止用手摸
5）菲涅尔透镜外表面要定期用棉花擦净
6）安装高度应于2m左右
3.3PM-7人体感应模块
3.3.1模块简介
PM-7人体感应模块主要是用于探测周围环境温度变化的产品,当人进入探测区域时，周围环境温度就会发生变化，PM-7模块就会输出高电平，表征有人经过；若无人进入其探测区域，周围环境温度就不会发生变化，PM-7模块就会输出低电平，表征无人经过。
其具有体积小、灵敏度高、低功耗、可靠性强等优点，尤其适用于干电池供电的自动感应设备，其实物图如图3.3所示。
图3.3PM-7人体感应模块实物图
3.3.2产品特点
全自动感应：
:
一旦有人进入其探测范围且在其探测范围内活动，PM-7人体感应模块将输出高电平，人离开其探测范围PM-7人体感应模块则在2.5s后输出变为低电平。
1）超小体积。
2）可重复触发方式：
PM-7人体感应模块输出高电平时，在2.5s内，如果有人在其探测范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开或静止在其探测范围内才延时将高电平变为低电平。
3）工作电压范围宽：
默认工作电压DC4.5V-20V。
4）微功耗:
静态电流小于20微安，特别适合干电池供电的便携式产品。
5）输出高电平信号：
可方便与各类电路实现对接。
3.3.3应用范围
该人体感应模块可应用于：
人体感应灯具、人体感应玩具、安防产品、工业自动化控制、自动感应电器设备、电池供电自动控制等。
3.3.4技术参数
工作电压范围
DC4.5-20V
静态电流
20uA
电平输出
高3.3V/低0V
触发方式
可重复触发
延时时间
2.5S
电路板外形尺寸
10*23mm
工作温度
-20-80°
感应透镜尺寸
直径：
10mm
3.4TC9012红外遥控模块
3.4.1TC9012红外遥控模块简介
TC9012是东芝公司产的一款用于红外遥控发射集成电路[11]。
它提供了8种用户编码，另可外接32个按键。
为了配合PCB的布图和低成本的要求，它的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化[12]。
3.4.2TC9012主要特点
TC9012的主要特点有：
低压CMOS工艺制造、超小静态电流、低工作电压（VCC=2.0V-2.5V）、32+3条指令代码、8种可选择的用户编码、多种可选择封装等。
3.4.3TC9012结构框图
TC9012结构框图如图3.4所示。
图3.4TC9012结构框图
3.4.4TC9012管脚图
TC9012管脚图如图3.5所示。
图3.5TC9012管脚图
3.4.5TC9012编码方式
TC9012的一帧数据中共包含32位码，分别为两次8位用户码，8位数据码和8位数据反码。
引导码由4.5ms的高电平和4.5ms的低电平所构成，作为数据传输的先导。
同步位（SY）是最后一位编码[13]。
数据的传输方向是由低位到高位依次传送且传送的数据和接收的数据是反相的即发送数据时的上升沿在接收数据中变为下降沿或者说发送数据的高电平在接收数据中是低电平。
发射码的格式及发码数据参数图分别如图如图3.6、3.7所示。
图3.6发射码格式
图3.7发码数据参数图
3.4.6红外一体化接收头（NB0038）概述
NB0038是一种用于接收红外遥控器发出信号的一体化接收头，能改善自然光的反射干扰，中心频率为37.9KHZ，且独立的PIN二极管和前置放大器共同集成在同一封装上[14]。
NB0038采用环氧树脂封装，它为接收头提供了一个特殊的红外滤光器，能有效的防止自然光带来的干扰[15]。
3.4.7NB0038特性
1）前置放大器、光电检测集成在同一封装上。
2）内置PCM频率滤波器。
3）对自然光有较强的免疫力。
4）对电场干扰有较强的抗干扰能力。
5）功耗低（电源电压为5V）。
6）输出的电平与TTL、CMOS兼容。
3.4.8NB0038原理框图
NB0038原理图如图3.8所示。
图3.8NB0038原理图
4系统软件设计
4.1软件开发环境
本单片机使用的开发环境不是传统的KEIL软件，而是使用了一种全新的开发软件-IAREmbeddedWorkbench。
IAREmbeddedWorkbench简称IAREW，是瑞典IARSystems公司为微处理器开发的一个集成开发环境,支持ARM，AVR，MSP430等芯片内核。
该软件示意图如图4.1所示
图4.1IAREW软件示意图
IAREWARM的主要特点：
1）先进的高级语言调试器
2）高度优化的C/C++编译器
3）编辑器功能强大
4）项目管理容易
5）IARXAR和XLIB建库程序和IARDLIBC/C++运行库
4.2系统程序流程
本设计主要采用MSP430F149单片机的外部中断、定时器、主时钟（MCLK）、辅助时钟（ACLK）等资源，运用单片机的外部中断使遥控器发出的信号能够被单片机迅速的处理，以体现单片机的实时性；运用单片机的定时有两个目的：
一是红外传输的信号是串行的，单片机是通过每次传输高低电平的占空比来确定传输的是0或者1，二是为了在报警的时候使LED闪烁，若LED的闪烁程序采用延时函数则会降低单片机的效率且会使整个系统的灵敏度降低；主时钟设置为8MHZ，为了使单片机的运行速度更快；辅助时钟的频率为32768HZ目的是减小功耗。
该系统程序流程如图4.2.
YES
图4.2系统程序流程图
5系统硬件测试
本系统的调试工作十分的繁杂，琐屑。
首先就是对整个万能板的焊接，就耗费了大量的时间，每一个焊孔，每一条线，都亲力亲为。
在焊接的过程中，由于买的焊锡丝有问题，有时很多地方都没有焊好，有些地方重复焊了数次，有时还提心吊胆的，害怕焊的次数过多，把板子烧掉，元器件弄废。
有时焊错了引脚还得改正，就这样反反复复，终于把硬件焊接成功了。
接下来就是进行软硬件的调试，由于本系统的测量范围为0-5米，所以调试的时候很不方便，再加上寝室进进出出的人很多，空气流速快就导致了环境温度发生变化，这就使得报警系统一直报警，很难判断是否是误报，还有就是所使用的人体感应模块的延时时间是3S且可重复触发，这就导致了想要使报警系统关闭必须要让周边环境在3S内几乎静止，这是一个很难的条件。
终于经过大量的实验和耐心的等待，终于成功完成了所规定的所有指标。
下面就是调试成功后的实物图如图5.1所示。
图5.1实物图
本系统使用说明：
本系统判断是否是主人时并不是运用人脸识别之类的，而是用户通过遥控器按下相应的按键暂时屏蔽掉报警系统，而如果是陌生人的话，没有遥控器就无法屏蔽掉报警系统，当其在报警系统探测范围内活动时，报警系统就会报警。
使用时，用户需手动的按下“1”号键来开启报警系统，开启系统后若有人在探测范围内活动，则报警系统就会报警，静止约3S后，报警系统会自动关闭，这时，如若一直保持静止状态，则报警系统也会一直处于关闭状态，若有人活动，则报警系统会再次报警；反之，若人在探测内静止不动，人体感应模块就检查不到环境温度变化，故而报警系统不会报警；如若再次按下“2”号键，则人可以在人体感应模块探测范围内任意活动而报警系统不会报警；无论在任何情况下只要“3”号键按下，则报警系统都会报警。
6结论与展望
6.1结论
本设计采用市场上主流的PM-7人体红外感应模块，本模块具有高灵敏度、低功耗、小巧等特点，该模块突破了传感器单一的独立工作方式，外加了其它相应元件，增强了其功能。
让它工作起来更加稳定可靠，同时增强了其抗干扰能力。
设计中运用了语音报警模块，让该产品有了一些智能的创意，便于人机信息交流，起到更好的预警提示。
这是目前大多数同类产品无法所及的。
整个产品实物还是本着便携式的要求，给人以轻、小巧、便捷的感觉，是一款实用型的设备。
从设计周期到投产的话，相信也是比较快捷和方便的。
就设计产品的工作量来说，也不是很大，可进行PCB制板，大大缩短出厂时间，
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