基于单片机的微波防盗报警器设计 大学毕业论文设计.docx

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基于单片机的微波防盗报警器设计大学毕业论文设计

基于单片机的微波防盗报警器设计

Xxx

物理与电子信息学院电子信息科学与技术学号：

xxxxxxxxx

指导教师：

xx

摘要：

本文基于单片机设计了一个微波防盗报警系统。

该系统控制核心用的是AT89C52，主要包括微波探测器、热释电式红外传感器、单片机控制、信号放大及相关的驱动电路组成。

本设计操作简单、运行可靠，除了具有基本的防盗报警功能，还能够实现自动探测信号和自动报警功能。

自动探测是由热释电红外传感器和微波探测器共同完成，双探测器的应用使得系统的可靠性大大增强，误报率明显降低；自动报警是指当单片机接收到由探测器检测到入侵信号时，通过程序控制自动输出报警信号引发扬声器和LED发光报警。

关键词：

微波探测器；单片机；热释电式红外传感器；防盗报警

TheDesignofMicrowaveAnti-theftAlarmCircuit

ZhangPeng-luo

CollegeofPhysicsandElectronicInformationElectronicInformationScienceandTechnology

No:

xxxxxxxx

Tutor:

NingNing

Abstract:

Thissystemincludestwoparts:

hardwaredesignandsoftwaredesign.Hardwaredesignisconsistedbymicrowavedetectorcircuitdesign,pyroelectricinfraredsensorsdesign,single-chipmicrocomputercontrolcircuitdesign,signalamplifiercircuitdesignandrelevantdrivercircuitdesign.Thewholesystemiscontrolledbythesystemsoftware.Thistopicdesignsasimpleandreliableoperationoftheanti-theftalarmsystembasedonsinglechip.Ithasabasicsecurityalarmfunction,anditcanautomaticallydetectthesignalandrealizetheautomaticalarm.Automaticdetectioniscompletedbybothofpyroelectricinfraredsensorsandmicrowavedetector.Doubledetectorapplicationmakesthesystemreliabilitygreatlyenhanced,italsoreducedtherateoffalsepositives.Theautomaticalarmmeansthatwhenmicrocontrollerreceivestheinvasionsignalbytheprobedetector,itwillautomaticallyoutputalarmsignaltotriggerthespeakerandLEDthroughtheprogramcontrolling.

Keywords:

Microwavedetector;MCU;Pyroelectricinfraredsensors;Anti-theftAlarm

1引言

在高新技术日新月异的今天，科学技术已经成为整个社会发展的源动力，电子领域的发展更是令人目不暇接，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，遍及了千家万户，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

安全是一个永恒的话题，如何保障我们的生命和财产安全成为我们不断研究的对象。

电子技术的发展为人类作出了突出贡献，随着电子技术的不断进步，各种不同的防盗报警器也相继被设计出来，在保障我们生命财产安全的工作中发挥了越来越重要的作用。

防盗报警器一般是通过检测人或其他物体的位移、移动速度、热辐射量、发出的声响、对红外信号的遮挡以及反射等，通过检测这些量中的一个或多个，然后进行信号的放大滤波以及整形送入处理电路进行报警事件的处理进而发出声光报警。

只进行一种报警事件检测的报警器称为单鉴型，进行两种事件检测的称为双鉴型，检测三种以及三种以上报警事件的称为多鉴型。

相对于单鉴型产品来说双鉴型和多鉴型产品具有很突出的优点。

防盗报警器的早期产品主要是采用纯硬件电路实现，分为机械式报警器和电子式报警器。

常见的防盗报警器类型有断线报警器、主动红外报警器、被动红外报警器、门磁报警器、震动报警器等。

断线报警器是一种将被保护物品用易断且不易察觉的导线连接，当有人挪动物品扯断导线后报警器会发出声光等报警信号。

这类报警结构简单，用简单的触发及自锁电路就能实现。

红外防盗报警器主要通过检测防区内有无物体或人移动、遮挡等信息而产生报警信号的[1]。

这类产品又可以分为主动型和被动型，主动型抗干扰性能好，但是安装不便，功耗大，常见的有墙头上的遮挡报警器；被动型的功耗低，安装方便，但是抗干扰性能差不适合室外环境。

震动报警器主要应用于车辆、电动车等的防盗上，它通过收集震动信号，当震动信号达到一定的强度时便会报警，这类报警装置抗干扰性能特差。

近年来随着经济的发展，一些高端的技术渐渐地应用到了防盗报警产品上，如单片机、DSP、嵌入式微处理器等，这些技术的应用使防盗报警器的性能大大提高。

报警器广泛应用于安防行业，例如公共场所的安全防盗防火、仓库的防盗防火、超市商场的防盗防火等。

近年来随着各类报警器性能的提高以及成本的降低，报警器逐渐走入寻常百姓家，成为家庭必备的小产品。

这些都不断刺激着安防行业不断向前发展各种高性能低价格的防盗报警器不断涌向市场。

随着社会的发展，我们对防盗报警器的性能指标要求也会越来越高，防盗报警器已经开始向智能化、微型化、网络化、低功耗的方向发展。

本课题正是要设计一种集智能化、微型化、网络化于一体的报警器，即微波防盗报警器。

2系统总体方案设计

2.1整体电路框图

本课题有数据采集、键盘控制、报警等子模块。

电路结构部分可划分为：

电源、报警探测器部分、声光报警部分、单片机控制部分、信号放大部分及相关的驱动部分组成。

用户可以自己单独进行信号采集、发送、处理等操作，还能自己在后期添加附加功能。

AT89C52单片机是本设计的核心模块，也就是设计的中心单元，所以本系统是单片机应用系统设计的一种应用。

硬件系统包括AT89C52单片机、输入设备、输出设备、电源还有外围电路等组成。

从课题的要求来看该设计需要包含以下结构部分：

电源、热释电红外传感和微波探测器探头部分、声光报警部分、单片机部分及有关放大驱动模块组成。

本课题从防盗报警系统的简单、可靠和低成本方面进行设计和研究，总体设计如下图1总体设计框图所示。

图1微波防盗报警器电路框图

2.2报警器的功能及工作过程

AT89C52单片机作为控制中心。

单片机在系统软件控制下工作进而控制整个系统正常工作。

监控点上的热释电红外探测器可将人体辐射的红外线转变成电信号，微波探测器可检测人体移动转变成电信号，送至AT89C52单片机。

然后在单片机内，经过软件查询、判决识别等过程发出报警信号。

再经过各部分驱动电路将报警信号放大以推动扬声器和LED发光报警设备完成相应动作。

当报警持续一段时间后自动解除，或者也可以人工手动停止报警信号，当报警停止后复位电路将系统复位，或者可以在报警一段指定时间后由定时器实现自动停止报警并复位报警电路。

两个报警探测器安装在使用者家里需要防范的区域，例如主门、窗户、客厅、卧室等，报警主系统必须放在家里比较隐蔽即不易发现的区域。

在正常情况下，这个系统包括探头均处在关闭状态，当使用者要出门或需要监控时，使用者可以通过键盘控制启动报警系统，单片机会控制启动探头，此时报警器处于正常的防范监控状态，如果有人在探头检测范围内出现或移动经过，报警探测器马上向单片机发送报警信号，单片机接收到报警信号后，经查询判断确认后输出信号引发声光报警。

3系统硬件设计

3.1电源模块

本报警器拟采用直流供电，并且要有足够宽的输入电压范围以及稳定的电压足够的电流，经查阅相关资料决定采用HT7550低压差三端稳压芯片作为电源供电芯片[2]，该芯片特性如下：

（1）输出电压5V，精度±5%

（2）低输入输出压差

（3）超低功耗

（4）低输出电压温漂

（5）最高可承受24V输入电压

（6）可以提供100mA的输出电流

以上这些特性表明HT7550完全可以满足本电路的供电需求，其应用电路如图2所示。

J3为电源接口；D1为二极管，它的作用是防止电源反接时损坏器件；C3、C4、C5、C6为滤波电容，经过滤波后便可以得到纹波很低的直流电压；HT7550完成将外部输入的6至20V直流电压稳压到5V供整个电路工作，电源电路如图2所示。

3.2控制模块

控制部分为整个报警器的心脏，实现数据的采集、分析、控制报警电路等功能。

图2电源部分电路图

单片机的选择是决定报警器性能的关键因素，本设计采用MCS-51系列单片机，其特点是通用性强，易。

其Flash型如：

Atmel公司的AT89C51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051等和台湾华帮公司的W78E51、W78E52等，使用十分方便。

所以本次设计选用Atmel公司的AT89C52，其内部有8KB的程序存储器，无须外部扩展，使硬件电路简单。

3.2.1AT89C52单片机介绍

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容[3]。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

其主要工作特性是：

（1）片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

（2）片内数据存储器内含256字节的RAM；

（3）具有32根可编程I/O口线；

（4）具有3个可编程定时器；

（5）中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优先权的中断结构；

（6）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

（7）具有一个数据指针DPTR；

（8）低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

（9）具有可编程的3级程序锁定位；

（10）AT89C52工作电源电压为5（1±0.2）V，且典型值为5V；

（11）AT89C52最高工作频率为24MHz。

3.2.2复位、晶振电路的设计

单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。

设计AT89C52单片机复位、晶振电路如图3所示。

图3AT89C52单片机控制电路

AT89C52与时钟电路（包括晶体振荡器、电容C14、C15），上电复位电路（包括R3、C31、S2、R5、R4）构成单片机的最小系统。

其中，晶体振荡器选用12MHz的高稳定无源晶体振荡器，它与AT89C52中的反向放大器构成振荡器，给CPU提供高稳定的时钟信号。

电容C14、C15可起频率微调作用，电容值在5pF～30pF之间选择，本电路选20pF。

电容C31和电阻R3构成上电复位电路。

电源开启时，电源对电容C31充电，在CPU的复位端产生一高脉冲。

只要高电平的维持时间大于两个机器周期（24个振荡周期），CPU就可复位，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。

3.3探测器模块

防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器,较之以往的微波或红外单信号探测器,其误报率明显下降,原理示意图如图4所示。

双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号经过与门处理后送单片机,即只有同时检测到两个探测器输出端口为高电平信号时,自动报警器才会响应盗情报警信号,否则不报警。

实验发现,在红外探测器中,通过菲涅尔透镜[4]的分割方式的改变可以降低由于小宠物引起的误报,从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点:

但红外探测器对环境温度的变化比较敏感,而微波探测器所检测的只是活动的目标,所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。

通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰,降低了报警信号误报的发生率,下面详细介绍本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。

图4防盗探测器原理图

3.3.1热释电红外线探测器

在自然界，任何高于绝对温度（-273℃）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。

（1）热释电效应

热释电效应是指如果使某些强介电质材料（如钦酸钡、钦错酸铅（PZT）等）的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出：

在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器。

能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。

另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以达到提高接收灵敏度。

用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60db～70db，就可以检测10m～20m处人的活动[5]。

（2）红外线传感器的基本结构

热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。

敏感单元：

对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。

这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容。

因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。

但这两个电容的极性是相反串联的。

这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。

   传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于P1、P2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。

当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到P1、P2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。

传感器仍然没有信号输出。

当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。

    从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。

环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为0.1~10Hz）和对特定波长红外线（一般为5~15um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。

所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

滤光窗：

   它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。

例如，SCA02-1对7.5~14um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为6~14um，中心波长为10um。

   物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足λm*T=2989（um.k）（其中λm为最大波长，T为绝对温度）。

人体的正常体温为36~37.5。

C，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um。

因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7~14um）的中心。

所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

   综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。

菲涅尔透镜：

不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。

配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。

例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。

菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。

透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。

最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。

中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。

当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。

由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。

任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉。

这样，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。

也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。

（3）热释电红外传感器功能

接收监测范围内物体的红外辐射，并将接收到的信号转化为电信号，输送到下一级信号处理模块。

热释电红外探测模块原理图如图5所示。

图5热释电红外探测模块原理图

模块连接：

输出端连到后面信号放大处理端R17。

3.3.2微波感应模块

微波感应模块是根据多普勒效应原理设计制作而成的一种新颖器件，它集收发于一体，通过天线向周围空间发射无线电磁波，同时又通过天线接收周围物体反射的回波，通过模块内部电路对收、发信号的相位进行比较。

如果周围空间有移动物体存在，回波信号将产生频移与相差，模块就会有直流电平输出。

其工作原理与探空雷达极为相似，所以商品名通常又称为雷达模块，也称雷达感应头等，它们可用于各种自动控制及报警场合，如自动门、自动灯、ATM取款机自动录相监控等[7]。

本设计采用HB100型微波雷达感应模块，其参数如下：

发射频率：

10.525GHz

频率设置精度：

3MHz

输出功率（最小）：

13dBmEIRP

工作电压：

5V±0.25V

工作电流（CW）：

60mAmax.,37mAtypical

谐波发射：

＜-10dBm

平均电流（5％DC）：

2mA

脉冲宽度（Min）：

5uSec

接收灵敏度3Hz至80Hz带宽：

-86dB

3Hz至80Hz带宽杂波：

10uV

天线增益：

8dBi

垂直面3dB波束宽度：

36度

水平面3dB波束宽度：

72度

HB100微波移动传感器是X波段移动传感多谱勒模块，其由多普勒效应收发机模块利用DRO（介质谐振振荡器）和微带接插天线技术实现了低电流消耗、高温稳定性、高灵敏度和扁平外形，是理想的低成本移动检测器。

其基波振动是由GASFET介质，谐振振荡器（DRO）不会产生辐射谐波。

该模块采用的平面天线和普通型微波感应模块相比不仅体积大小相差甚远，其探测范围方式也不一样。

普通环状天线微波模块发射微波沿环状天线平面向空间辐射，在垂直于环状天线轴线方向（前后双向）探测灵敏度最高；而新颖平板天线微波模块发射微波则是平板天线向前方作定向传播，如图7所示，因此它更适合单方向人体移动监控，它后方最多能感应一米左右的距离。

图6环状天线和平面天线传播方向

其信号输出端（IF）有三种型号的信号输出：

多谱勒移位（DopplerShift）——当有物体在覆盖面积移动时，在信号输出（IF）端有多谱勒信号输出，其输出强度与发射能量的反射强度有关，一般在微伏级，所以需要一个高增益的低频放大器来处理该信号，使它能达到用处理器来处理。

多谱勒信号的频率与物体运动和速度成正比；一般人类走动的多谱勒信号频率在100HZ以下。

噪音信号——组件内部及环境所产生的噪音，尤其是照明灯（其主本在100/120HZ），非常接近人类移动所产生的多谱勒信号频率。

直流信号（DCLevd）——大概有0.1V左右的直流信号存在于IF信号输出端，它的极性可能是正的也可能是负的。

故需要用交流耦合方法连接信号输出（IF）和低频放大器之间。

4信号处理模块

4.1HN911L的输出信号处理模块

功能：

将HN911L输出的有效信号保持放大，并输送到与门。

HN911L的输出信号处理电路设计如图7所示。

图7HN911L的输出信号处理模块原理图

器件选择：

运算放大器选择LM358[8,9]。

模块连接：

R18与R17及C12的接点处接热释电红外的输出端，运算放大器的输出端接与门。

4.2HB100输出信号处理模块

功能：

把HB100输出的反应物体移动的低频信号选通输出，并对信号采样保持，保证信号的连续和完整。

由N1及其它部件组成的低通放大电路把HB100的输出放大，在N1的1脚输出。

可调电阻RP用于调整一级放大器的增益，调整R13的大小可以调整探测距离。

HB100的输出信号处理电路设计如图8所示，该模块VT3只在HB100起作用期间导通，把HB100输出的反应物体移动的低频信号选通输出，C1为采样保持电路，保证信号的连续和完整。

由LM358组成的低通放大电路把HB100的输出放大，在HB100的1脚输出。

可调电阻RP用于调整一级放大器的增益，调整RP的大小可以调整探测距离[10]。

HB100输出信号处理电路如图8所示。

图8HB100输出信号处理模块原理图

模块连接：

VT3的集电极接微波探测器输出端；电阻R13接与门。

5声光报警模块

5.1报警电路的设计

由4个发红光的二极管接上电阻后连上单片的P3.0的引脚，外接VCC，当单片机的P3.0引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。

发光二极管报警电路如图9所示。

5.2蜂鸣器报警电路的设计

蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL[11]电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，这一点与家用电器中的功放有相似之处。

蜂鸣器报警电路如图10所示，蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端

图9发光二极管报警电路图

连接到三极管的集电极，三极管的基级由一个I/O管脚来控制，I/O管脚为低时，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。

当I/O管脚位高电平