基于单片机的人体红外检测与温度检测.docx

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基于单片机的人体红外检测与温度检测

扬州工业职业技术学院

2013—2014学年

第一学期

毕业设计

课题名称：

单片机博物馆安全监测仪设计与实现

设计时间：

2013.10.30~2013.12.1

系部：

电气信息工程学院

班级：

1101电子信息

姓名：

指导教师：

王平

总目录

第一部分任务书

第二部分开题报告

第三部分毕业设计正文

第一部分

任

务

书

扬州工业职业技术学院

毕业设计任务书

系部

电子系

指导老师

王平

职称

研高

学生姓名

***

班级

1101电子信息

学号

*****

设计题目

单片机博物馆安全监测仪设计

设计

内容

目标

和

要求

1.毕业设计主要内容目标及技术指标

1.1主要内容

本毕业设计是应用单片机、环境安全传感器和液晶显示器设计一种博物馆安全智能检测器，传感器从现场获取温度、烟雾气体等与安全相关的信息数据，经过和设定的参数进行比较，并经数据分析处理后，相关的信息参数在LCD液晶显示屏显示，当达到限制值时，给出报警警示，并向上层管理系统提供博物馆安全信息数据。

本控制器的主要组成有博物馆安全参数检测传感器、单片机控制单元、点阵LCD液晶显示器和智能监测软件系统等组成，采用C语言进行监测控制软件程序的设计。

本课题涵盖了安全监测传感器、单片机及接口电路、LCD液晶显示电路及智能监测控制软件设计等专业知识和技能，是单片机应用的综合性课题。

通过本课题的设计和调试，能巩固所学的理论知识，增强动手能力，提高创新能力和职业能力。

1.2主要技术指标

1）核心控制：

高性能价格比单片机控制芯片

2）软件开发：

高效开发工具下的C语言设计

3）显示器：

LCD液晶显示器显示监测器工作状态

4）报警指示：

声光及远程报警

5）主要功能：

安全监测及智能控制处理

2.毕业设计的基本要求

1）收集、整理与毕业设计有关领域的信息资料；

2）完成毕业设计方案和结构框图的设计；

3）完成毕业设计电路原理图设计；

4）完成毕业设计程序流程图和C语言源程序设计；

5）完成软件和硬件系统的调试，功能指标达到技术要求；

6）程序清单和图样资料的归档；

7）根据本课题的设计和制作过程，形成符合学校规定的毕业设计书面报告；

3.毕业设计进度安排

第一阶段2013年9月5日-2013年10月10日选题、

调研、收集资料、论证、开题。

第二阶段2013年10月11日-2013年11月10日方案设计，硬件、软件设计及安装调试，提交设计内容。

第三阶段2013年11月11日-2013年11月20日完善设计，写作初稿。

第四阶段2013年11月21日-2013年11月30日修改、定稿设计，申请答辩。

教研室

审核

系部

审核

第二部分

开

题

报

告

扬州工业职业技术学院电子信息工程系14届

毕业设计（论文）开题报告书（表1）

学生姓名

****

专业

电子信息

班级

1101电信

学号

****

题目

单片机博物馆安全监测仪设计

指导教师

王平

职称

研高

学位

学士

题目类别

√工程设计□基础研究□应用研究□其它

【课题的内容与要求】

1、课题内容

本课题是应用单片机设计一种博物馆安全监测仪，单片机作为探测和控制核心；主要采用温度传感器以及红外传感器，将接收到的环境信号送回单片机，单片机进行数据的分析与处理，并提示安全人员进行处理所发现的问题，检测仪的工作信息能在液晶显示屏上即时显示。

2.课题要求

1）收集、整理与毕业设计有关领域的信息资料；

2）完成毕业设计方案和结构框图的设计；

3）完成毕业设计电路原理图设计；

4）完成毕业设计程序流程图和C语言源程序设计；

5）完成软件和硬件系统的调试，功能指标达到技术要求；

6）程序清单和图样资料的归档；

7）根据本课题的设计和制作过程，形成符合学校规定的毕业设计书面报告。

【前言】

随着当代电子传感器技术的不断发展，电子传感器在博物馆安全监测中逐渐展露其头角，并逐渐发展成一个新的应用方向。

温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为可用输出信号。

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

安全监测技术是基于传感器设备进行温度监测、红外监测等各项指标的监测。

由于这项技术成熟、容易实现、实时性比较强，因此在家庭、博物馆、图书馆等公共场所有广泛的应用。

【方案的比较与评价】

在博物馆的安全监测仪的设计中单片机必须依赖外围传感器进行收集各个方面的信息收集处理，才能进行安全监测。

方案一：

红外热成像方案。

红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。

红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况。

因而在安全监测技术中有广泛的应用。

方案二：

热释电红外传感器方案。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端装有滤光镜片，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，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。

该传感器具有本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉、抗干扰能力容易实现等优点，在通道安全监测中有广泛的应用。

方案三：

红外对管方案：

工作原理是利用红外线发射与接收管所组成的红外对管是利用物体遮挡接收管对红外线的接收，从而导致接收管的截止与导通来实现报警功能。

红外对管虽然叫容易实现。

但其还有监测距离有限、抗干扰能力差、在使用中要脉冲电压等缺点。

由于第二方案价格低廉、抗干扰能力强、监测距离比较长，叫容易实现的优点。

故本课题选用方案二。

【预期的效果及指标】

预期效果：

实现博物馆的安全监测，采用一片89C51单片机对两路传感器信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储。

当上位机需要数据时，向下位机发出申请，下位机通过中断的方式向上位机发送数据。

上位机与下位机通过串行口相连。

其中温度传感器的所测得温度范围是－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃，并可以设置温度上下线进行报警，红外传感器是利用波长为760nm至400μm的光波传输的不可见光，来检测周围有没有物体存在，并进行报警的红外安全监测系统其有效距离为15m～30m。

安全实时监测博物馆安全信息，并提示安全工作人员进行处理，工作信息能在液晶显示屏上即时显示。

主要技术指标

1）核心控制：

高性能价格比单片机控制芯片

2）软件开发：

高效开发工具下的C语言设计

3）显示器：

LCD液晶显示机器人即时工作状态

4）监控方式：

红外监测、温度监测

5）主要功能：

利用温度传感器18b20进行温度测量其温度报警上限为30℃，下限为23℃。

误差精度为±0.5℃，红外报警是利用波长为760nm至400μm的光波传输受到阻碍从而报警的传感器，其有效距离为15m～30m，本次由于在开发板上实现，因而在开发板上实现其功能就可以。

【进度安排】

第一阶段2013年9月5日-2013年10月10日选题、

调研、收集资料、论证、开题。

第二阶段2013年10月11日-2013年11月10日方案设计，硬件、软件设计及安装调试，提交设计内容。

第三阶段2013年11月11日-2013年11月20日完善设计，写作初稿。

第四阶段2013年11月21日-2013年11月30日修改、定稿设计，申请答辩。

【参考文献】

[1]王平.《单片机应用设计与制作》.北京：

清华大学出版社，2012

[2]郭天祥《新概念51单片机C语言教程》北京：

北京电子工业出版社,2009

[3]付少波《传感器及其应用电路》北京：

化学工业出版社，2011

[4]守义、杨宏丽、王静霞.《单片机应用技术》.西安电子科技大学出版社。

[5]谭洁强.《C程序设计》第三版.清华大学出版社

[6]程德福《传感器原理及应用》.机械工业出版社，2008

[7]冯育长《单片机系统设计与实例分析》.西安电子科技大学出版社，2007

[8]侯殿有《单片机C语言程序设计》.人民邮电出版社.2010

【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）

□同意提交开题论证□修改后提交□不同意提交（请说明理由）

指导教师签章：

年月日

【系部意见】

□同意指导教师意见□不同意指导教师意见（请说明理由）□其它（请说明）

队系（部）主任签章：

年月日

第三部分

毕

业

设

计

正

文

博物馆安全监测仪设计与实现

***

1101电子信息

[摘要]:

本课题设计的是一种基于单片机博物馆安全监测仪系统，实现了对博物馆温度和红外人体感应的实时检测，使我们可以实时了解博物馆的安全实时了解。

本文采用STC89C54RD+单片机为控制核心，由DS18B20温度传感器及热释电红外传感器RE200B模块，1602液晶模块构成温度的采集和人体红外监测实时显示系统，实现对博物馆的安全进行实时监测，并提示安全管理人员处理安全问题提供实时数据。

[关键词]：

单片机DS18B20热释电红外传感器

MuseumofDesignandImplementationofSecurityMonitor

PengpengLiu

1101ElectronicsandInformation

[Abstract]:

Thistopicisamicrocontrollerbaseddesignmuseumsecuritymonitorsystem,therealizationofmuseumstemperatureandinfraredbodysensors,real-timedetection,sothatwecanunderstandthereal-timeunderstandingofthemuseum'ssecurity.Inthispaper,STC89C54RD+microcontrollercore,bytheDS18B20temperaturesensorsandpyroelectricinfraredsensorRE200Bmodule1602LCDmodulesinfraredbodytemperaturecollectionandmonitoringreal-timedisplaysystemToachievereal-timemonitoringofthemuseum'ssecurityandpromptmanagementtodealwithsecurityissuesSecurityprovidesreal-timedata.

[Keywords]:

SCMDS18B20pyroelectricinfraredsensor

第一章绪论

1.1课题的背景

随着时代的进步，人们对自己所处的环境的安全性提出了越来越高的要求，尤其是公共场所的安全方面，不得不时刻留意哪些不法分子，现在很多公共场合都安装了智能安全报警系统，因而大大提高了公共场合的安全程度，有效的保证了公共场所的人身以及公共财产安全。

由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在安全防护等安保领域中得到了广泛的应用。

此外，在人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉，技术性能稳定等特点因而受到广大用户和专业人士的欢迎。

1.2课题研究意义

目前国内使用的各类安全防护系统基本上都是以超声波，主动式红外发射/接受以及微波等技术为基础。

而这里所设计的被动式人体红外监测器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器。

这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并转变成电压信号，同时，他还能鉴别出运动的生物与其他非生物。

热释电红外传感器既可用于安全防盗报警装置，也可以用于自动控制，接近开关，遥测等领域。

用它制作的安全报警装置与目前市场上销售的许多安全报警装置相比较，具有如下特点：

1、不需要用红外线或电磁波等发射源。

2、灵敏度高、控制范围大。

3、隐蔽性好，可流动安装。

1.3课题研究的主要内容

本课题设计一个博物馆安全监测器，以单片机为控制核心，以DS18B20数字温度传感器，RE200B热释电红外传感器，为外围设备，以1602液晶显示为显示核心。

以DS18B20检测博物馆的温度，并把温度反馈给单片机与设定的温度上下线相比较，当温度低于温度下线或高于温度上限时LED灯闪烁报警并在液晶上显示是高于上线还是低于温度下线；人体红外检测器采用RE200B热释电红外传感器，RE200B红外热释电处理芯片BISS0001，BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，该处理芯片具有CMOS工艺，数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器；内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器。

红外传感器接收到人体红外信号经BISS0001处理后输出输给单片机P1.4口，通过对P1.4电平的判断，实现对单片机对人体红外线检测，当有人靠近时，蜂鸣器报警，液晶上显示有人并显示我的个人信息。

第二章系统方案论证

2.1人体检测方案比较与选择

方案一：

红外热成像方案。

红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线，将该信号转换成可供人类视觉分辨的图像和图形，并可以进一步计算出温度值。

红外热成像技术使人类超越了视觉障碍，由此人们可以“看到”物体表面的温度分布状况。

因而在安全监测技术中有广泛的应用。

方案二：

热释电红外传感器方案。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。

在传感器顶端装有滤光镜片，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，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。

该传感器具有本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉、抗干扰能力容易实现等优点，在通道安全监测中有广泛的应用。

采用BISS0001信号处理芯片处理后使用更加方便简洁。

如图2-1为热释电红外检测器电路图。

图2-1热释电红外检测器电路图

方案三：

红外对管方案：

工作原理是利用红外线发射与接收管所组成的红外对管是利用物体遮挡接收管对红外线的接收，从而导致接收管的截止与导通来实现报警功能。

红外对管虽然叫容易实现。

但其还有监测距离有限、抗干扰能力差、在使用中要脉冲电压等缺点。

2.2显示器比较与选择

显示器主要用来显示温度和红外报警。

方案一：

采用LED数码管。

系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作。

用74LS573的输入端来选择位码，单片机的P1口控制数码管的断码。

如果检测到的温度与红外发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能。

LED数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用。

方案二：

采用1602液晶屏。

液晶屏显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形、液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

相对而言，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计简单，操作更加方便。

因此，我们选择方案二。

第三章系统的硬件结构设计

3.1整体设计电路框图

本研究设计的温度控制器框图如图3-1所示。

外围温度红外检测

按键STC89C54RD+温度过阈报警

单片机

红外报警显示

图3-1温度红外控制器方框图

图中STC89C54RD+单片机从DS18B2图中STC89C54RD+单片机从DS18B20读取温度传感器中读入温度和人体红外检测模块的信号，在液晶屏上即时显示。

液晶屏上同时显示温度上限值，该上限值保存外外部EEPROM存储器中，掉电不失，并且可以通过四只按键上调或下调。

当温度值超过上限值时，报警信号点亮相应报警灯。

0读取温度传感器中读入温度和人体红外检测模块的信号，在液晶屏上即时显示。

液晶屏上同时显示温度上限值，该上限值保存外外部EEPROM存储器中，掉电不失，并且可以通过四只按键上调或下调。

当温度值超过上限值时，报警信号点亮相应报警灯。

3.2热释电红外传感器模块

RE200B是热释电红外传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

如图3-2为RE200B热释电红外传感器图片。

图3-2RE200B热释电红外传感器

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。

热释电传感器是对温度敏感的传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。

当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。

所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。

如图3-3为人体红外检测传感器模块图片。

图3-3人体红外检测传感器

BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

如图3-4为BISS0001芯片图片。

表3-1为BISS0001引脚介绍。

图3-4BISS0001芯片

BISS0001为16脚封装，主要分为采用16脚DIP和SOP封装。

如图3-5为BISS0001引脚图。

图3-5为BISS0001管脚说明

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。

然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。

由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。

COP3是一个条件比较器。

当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。

当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。

当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。

在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

图3-6BISS0001触发状态。

图3-6BISS0001触发状态

以图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。

可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。

在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。

在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

如图3-7为BISS0001应用线路图。

图3-7BISS0001的热释电红外开关应用电路图

上图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。

上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。

当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。

SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。

图中R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。

输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。

说明该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

1、上述特性指标是在源极电阻R2=47KΩ条件下测定的，用户使用传感器时，可根据自己的需要调整R2的大小。

2、注意灵敏元的位置及视场大小，以便得到最佳光学设计。

3、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。

平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值。

4、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部4mm以上。

5、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚

3.3STC89C54RD+单片机

STC89C54RD+它是STC公司生产的芯片，该芯片具有性能优异，功耗低，使用方便等特点。

STC单片机增加了系统复位相应的硬件功能，内部的ISP／IAP控制寄存器ISPCONTR便可以实现此功能，内部RAM扩展到512B与MCS51兼容。

适用于常用检测控制电路。

如图3-8为STC89C54RD+的图片。

图3-8STC89C54RD+

1、STC89C52主要性能:

与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

2、功能特性描述：

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储