智能家居红外报警系统.docx

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智能家居红外报警系统

200届毕业设计说明书模板

题目

系、部：

电气与信息工程系

学生姓名：

朱道鹏

指导教师：

戴日光职称

专业：

自动化

班级：

本科0801班

完成时间：

摘要

人们生活水平不断提高，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预防盗窃等财产丢失意外事件的需要而设计的智能家居红外防盗报警系统。

目前市面上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。

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可方便和PC机通信，便于多用户统一管理。

本设计主要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AT89S51。

整个系统是在系统软件控制下工作的。

软件部分可以划分为以下几个模块：

数据采集、键盘控制、报警和显示等子函数。

[关键词]：

单片机、红外传感器、数据采集、报警电路

ABSTRACT

Thepeoplelivingstandardenhancesunceasingly,toprivatepropertyprotectionconsciousnessinunceasingenhancement,thussetthenewrequesttothesecuritymeasure.Thisdesignistosatisfythepreventiontorobthehomesecurityalarmsystemwhich,theburglaryandsoonaccidentneedstodesign.

Atpresentinthemarketconditionequipsmainlyhasthepressuretotouchthehairstyleburglaralarm,theswitchelectronburglaralarmandthepressureshieldslightthehairstyleburglaralarmandsooneachkindofalarmapparatus,butthesekindofquitecommonalarmapparatusesallhavesomeshortcomings.Thissystemusedhashotlyreleasedtheelectricityinfraredsensor,itsmanufacturesimple,costlow,installmtheantijammingabilitystrong,thesensitivityhigh,safewasreliable.Thiskindofsecurityinstallmenthiding,wasnoteasilydiscoveredbythebanditsandthieves.SimultaneouslyitssignalaftermonolithicintegratedcircuitsystemprocessingtheconvenienceandPtheCmachinecorrespondence,isadvantageousforthemultiuserunificationmanagement.

Thisdesigndesignstwopartsincludingthehardwareandsoftware.Thehardwarepartiallyincludingthemonolithicintegratedcircuitcontrolcircuit,infraredpokesheadintheelectriccircuit,theactuationexecutionalarmcircuit,theLEDcontrolcircuitandsoonthepartialcompositions.Theprocessoruses51seriesmonolithicintegratedcircuitsAT89S51,theoverallsystemisworksunderthesystemsoftwarecontrol.Thesystemprogrammaydivideintofollowingseveralmodules:

Thedataacquisition,thekeyboardcontrol,reportstothepolicewiththedemonstrationsmallsteelyardfunction.

Keywordsmonolithicintegratedcircuit；infraredsensor；dataacquisition,；alarmcircuit

目录

1概述3

1.1国内外智能家居系统发展现状3

1.2本课题研究的内容4

1.3本课题研究的目的和意义5

2系统性能分析与传感器介绍6

2.1系统性能分析6

2.2方案讨论6

2.2.1选择传感器7

2.2.2工作原理7

2.3热释电红外传感器8

2.3.1热释电红外线传感器简介8

2.3.2PIR的原理特性8

2.3.3PIR结构特性及安装9

2.3.4安装方向12

3AT89S51单片机概述13

3.1AT89S51单片机的结构13

3.1.1中央处理器（CPU）14

3.1.2数据存储器（内部RAM）14

3.1.3程序存储器（内部ROM）14

3.1.4定时器/计数器14

3.1.5并行I/O口14

3.1.6串行口14

3.1.7中断控制系统15

3.1.8时钟电路15

3.1.9内部总线15

3.2管脚说明17

3.3主要特性19

3.3.1振荡器特性20

3.4AT89S51单片机的工作周期21

3.5AT89S51单片机的工作过程和工作方式22

3.5.1复位方式22

3.5.2程序执行方式23

3.5.3待机方式24

3.5.4掉电方式24

3.5.5编程和校验方式24

3.6AT89S51的指令系统26

3.6.1机器指令的编码格式26

3.6.2汇编语言指令格式26

3.6.3寻址方式27

4方案设计28

4.1系统概述28

4.1.1系统的功能要求28

4.1.2总体的设计方案28

4.2总体设计31

4.3硬件电路实现32

4.3.1时钟电路33

4.3.2复位及复位电路34

4.3.3蜂鸣器电路35

4.3.4数码显示电路的设计35

4.3.5用户端探测器设计38

4.4软件的程序实现40

4.4.1程序语言设计40

4.5仿真结果47

结束语48

致谢49

参考文献50

1概述

1.1国内外智能家居系统发展现状

自从世界上第1幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。

新加坡模式的家庭智能化系统包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等。

那么，什么是智能化家居？

几年前一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是智能家居的先导，智能家居是住宅智能化的核心。

那么达到一个什么样的标准才可以称之为智能化家庭呢？

智能化家庭与智能大厦概念与定义一样至今尚没有取得一致的认同。

美国电子工业协会于1988年编制了第1个适用于家庭住宅的电气设计标准，即《家庭自动化系统与通讯标准》也有称之为家庭总线系标准（HBS）；我国也从1997年初开始制定《小康住宅电气设计（标准）导则》（讨论稿）在《导则》中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求：

高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务，家庭智能化系统。

同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即：

第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低目标”。

智能家居最终目的是让家庭更舒适，更方便，更安全，更符合环保。

随着人类消费需求和住宅智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂。

智能家居包括网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁区系统、煤气泄露探测系统、远程抄表（水表、电表、煤气表）系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、集中供冷热系统、网上购物系统、语音与传真（电子邮件）服务系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播、付费电视系统、有线电视系统等等，各种新鲜的名词逐渐成为智能家居中的组成部分。

在新加坡有近30个社区（住宅小区）近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近40000户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。

三星公司从2003年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。

我国将住宅小区智能化定义为：

利用4C（即计算机、通讯与网络、自控、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。

1.2本课题研究的内容

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。

1.3本课题研究的目的和意义

我们目前的防盗手段大多是靠人防和物防（如防盗门、铁护栏等），如果有条件的话采用技术防范手段将会收到事半功倍的效果。

一、安装红外线防盗报警装置。

这种报警装置处于工作状态时，能发射肉眼看不见的红外光，只要人进入光控范围，装置便立即发出报警声响，如果是有盗贼进入，居民能立即发现，而盗贼自己却不知道，往往束手就擒。

二、积极配合、踊跃参加城市小区报警联网系统。

用户安装这种报警设备后，如遇危险情况（如入室盗窃），报警器将通过预先设置好的防区自动发出报警，派出所的接警装置立即自动显示出用户的确切地址，民警即可迅速出警到达案发现场，抓获案犯。

随着科技的进步，防盗报警系统逐步应用到各行各业中，而家庭安防系统也慢慢进入到了千家万户。

这使得人们越来越依赖于这些设施，因此安防的发展直接关系到人们生活水平的好坏。

总之，希望安防行业能不断进步，不断更新为创造和谐社会提供强而有力的依据。

2系统性能分析与传感器介绍

2.1系统性能分析

（1）该设计主要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、报警和显示等模块子函数。

（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、智能报警器、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、本地显示、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。

为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消。

但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0,从而达到了探测移动人体的目的。

因此可把报警系统设置在外出布防状态，使探测器工作。

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AT89S51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。

此类装置设计的要点：

其一是能有效判断是否有人员活动；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。

2.2方案讨论

如何使用传感器来简单地实现移动人员检测呢？

在设计这样的系统时，应该记住两个目标：

一是低功率，二是低成本。

这两者都是在设计移动检测系统时需要考虑的关键因素。

2.2.1选择传感器

传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

防盗报警系统的前端探测部分主要是各种类型的探测器，其中最主要的是入侵探测器。

入侵探测器通常由传感器、信号处理器和输出接口组成，入侵探测器主要包括有主动红外入侵探测器、被动红外入侵探测器、微波入侵探测器、微波和被动红外复合入侵探测器、超声波入侵探测器、振动入侵探测器、音响入侵探测器、磁开关入侵探测器、超声和被动红外复合入侵探测器等，其中最常用的是被动红外探测器。

被动红外探测器的组成：

被动红外探测器主要是探测接收外界的红外辐射，探测器本身不发射任何能量，而只对人体发出的红外线波段敏感。

人体辐射的红外光波长是3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm，所以被动红外探测器主要是接收波长8～14μm的红外辐射。

2.2.2工作原理

被动红外探测器基本工作原理是：

当防范区域内有人体移动时，人体发出的红外线经过光学透镜聚焦到热释电红外传感器上，热释电红外传感器感应到红外线信号，输出热电信号，输出的热电信号非常微弱，并且夹杂着很多干扰信号，为此需要设计特殊的热电信号处理电路，在放大热电信号的同时，滤除掉造成干扰的杂波信号。

由于要检测是否有活动的人员，所以通过研究各种类型的传感器，比较各类传感器的优点、缺点和合理性，最终确定本设计选择的传感器是双元件热释红外传感器。

其基本原理为：

当防范区域内有人体移动时，人体发出的红外线经过光学透镜聚焦到热释电红外传感器上，热释电红外传感器感应到红外线信号，输出热电信号，输出的热电信号非常微弱，并且夹杂着很多干扰信号，为此需要设计特殊的热电信号处理电路，在放大热电信号的同时，滤除掉造成干扰的杂波信号。

2.3热释电红外传感器

2.3.1热释电红外线传感器简介

热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。

热释电红外线传感器应用电路如下：

为了探测移动人体,通常使用双元件型热释电红外传感器,在这种传感器内部,两个敏感元件反相连接,当人体静止时两元件极化程度相同,互相抵消。

但人体移动时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0,从而达到了探测移动人体的目的。

2.3.2PIR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的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm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。

为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。

    菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度

    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。

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。

被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。

2.3.3PIR结构特性及安装

图2-1热释电红外传感器结构示意图

图2-1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。

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有１mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1-10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。

本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。

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2-2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，电荷信号经过场效应管FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过三极管Q2的转化，输出OUT为低电平。

图2-2热释电红外传感器原理图

图2-3热释电红外传感器外观

被动红外探测器光学系统的类型

被动红外探测器光学系统包括菲涅尔透镜、抛物面反射镜、遮挡片三种类型。

图2-4双元红外传感器示意图

菲涅尔透镜作用有两个：

一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区。

菲涅尔透镜是凸透镜，将物体的红外影像投射在热电元件表面。

热释电红外传感器其热释电器件及前置放大电路封装在圆型金属帽内，金属帽顶部方型开孔镶嵌有抗冷白光的硅红外滤光片，底部有金属引脚，分别为电源引脚，地线引脚，热电信号输出脚。

热释电器件是热释电传感器的核心元件，是将热辐射变为电流的动态能量转换元件，热释电器件的电特征属性是一个以热电晶体薄膜为电介质的平板电容器，随着温度的改变，热电晶体表面自发极化电荷其规模具有跟随变化的性质，即热辐射可引起该电容器的电容量变化，从而可利用这一特性来探测变化的热辐射。

热释电红外传感器包括单元、双元、四元三种类型。

现在主要使用的是双元和四元传感器。

被动红外传感器优缺点

优点主要为：

1、本身不发射任何类型辐射，安全可靠；2、价格低廉。

缺点主要为：

1、容易受各种热源、阳光源干扰；2、受环境温度限制，环境温度和人体温度接近时，灵敏度下降；

针对被动红外探测器存在的缺点，可以采用不同的措施来避免产品误报和漏报现象。

一方面是采用新技术来加强抗干扰能力；另一方面是在安装方面加以注意。

2.3.4安装方向

产品在安装过程中还需要注意安装方向，由于透镜的光学特性决定横切探测区域比较敏感，所以产品安装时要注意入侵方向与探测器视场的夹角，最好成90o垂直，这样就可以保证有人入侵时能最大程度横切探测区域。

3AT89S51单片机概述

3.1AT89S51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。

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3-1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。

有图可见，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。

图3-1AT89S51功能方块图

3.1.1中央处理器（CPU）

中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，具有运算和控制功能。

AT89S51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。