基于单片机的红外感应报警系统设计论文传感器程序原理图全套.doc

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专业综合课程设计报告

题 目 单片机红外报警系统
系 别 电子工程系
专 业 电子信息
班 级 2011级1班
姓 名 龙 汭
学 号 20102115

年 月 日

1.设计目的

报警器在现实生活中应用非常的广泛，家庭防盗，汽车安全防盗，企业内部安全保障，特别是金融行业等。一般传统式的报警器采用机械式的，如压电式报警器，当有入侵者将压力施加与压电传感器时，机械能在压电传感器中转化为电能，通过放大电路，将信号方法，从而带动发声报警装置，这类报警装置通过物体的接触实现信息的采集，容易被发现，隐蔽性能差，容易遭到破坏，而且传统式的报警器使用寿命短，造成不必要的经济浪费。本次设计目的在于设计以红外传感器为基础的红外线传感器，红外线是一种不可见的光，任何物体都会发出红外线，所以其隐蔽性能非常的好。如果采用被动式的红外探测，只需要将红外传感器远探测人体发射的红外线，探测装置无需与被测物体直接接触，就可以感受到入侵者的进入。单片机红外热释电家庭防盗报警采用STC89C52单片机+红外热释电传感器+发光二极管+按键+蜂鸣器设计而成。按键说明：从左边第一个起，手动报警键、布防键、取消报警键。
1.两钟状态，一种紧急报警，另一种布防报警
2.三个LED指示灯，红色当有报警时此发光二极管闪烁报警，否则熄灭;绿色用做布防指示灯;黄色传感器信号指示灯（有信号就亮，否则灭）。
3.按下布防键，系统等待20秒进入布防状态（此时绿色的灯闪烁），20秒后系统进入布防状态（此时绿色的亮长亮），当有人靠近时，红外热释电传感器信号输送给单片机，单片机接收到信号马上报警。
1.2 国内外进展情况
红外线报警器是紧跟着光敏传感器和物体的红外效应而出现的。美国军方是最早使用红外探测技术的国家，上世纪美国军方研制出以主动红外方式导引的精确制导炸弹，这可能是红外探测物体最早应用的实例。我国发展红外报警系统的时间起步比较晚，直到上世纪末才出现对红外报警系统的研究。但是这并没有阻碍我国红外技术的进步，从2000年开始，全国各地出现了大小不等的红外传感器研发销售公司，这为红外传感器的迅速发展起着关键性作用。现在我国红外传感器广发应用在银行，重要工厂，甚至走进了普通的家庭，但是研究更加简易，低价格，高性能的被动式红外传感器仍然需要科技的进步。
1.3 设计思路
由于现代仿真技术已经非常的成熟，不像过去那样设计过程就需要耗费大量的财力和物力。本系统可以使用ISIS画出系统的原理图，首先打开ISIS软件，单击命令窗口file——new design，创建一个default模板，保存名称为“基于AT89C51单片机红外线报警器的设计.DSN”。执行菜单命令library——pick device/symbol，添加所需元件。本程序中红外传感器可以使用TORCH_LDR原件来代替，上面有“+”“-”可以模拟外界红外强度的变化，并将这个变化转化为电信号输入到单片机中。扬声器功率放大电路中的芯片选取555。在原理图编辑窗口中放置元件，再单击工具箱中的“原件终端”图标，在对象选择中单击POWER和GROUND放置电源和地。放置好元件后，布好线。左键双击各元件，设置好相应参数，完成电路设计。
设计的软件部分在Keil中完成，由于汇编语言的优越性，本次设计选择汇编语言进行程序设计。

2、设计方案
从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图3总体设计框图所示：

AT89
C51
复位电路
信号检测电路
报警执行电路
LED发光显示
放大
驱动
驱动

图3 总体设计框图

处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。当红外检测装置检测到有人时，信号经放大电路和非门将相应的电平送至单片机的p1.0端口，在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。

三、设计内容

3.2红外传感器（系统中用TORCH_LDR）基础知识
热释电式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9~10--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7~10--um，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。
热释电式传感器的优点是：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。
热释电式传感器的缺点是：容易受各种热源、光源干扰 ，被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
3.3 三极管放大作用
在红外传感器信号采集电路中需要用到三极管，三极管的作用是对小信号进行功率放大，从而驱动负载工作。三极管工作状态有三种，放大、饱和、截止，其中又以放大状态最为复杂，主要用于小信号的放大领域，常用的三极管放大电路形式有：共发射极放大电路，共集电极放大电路，共基极放大电路三种，其中共集电路用于电流放大（功率放大），共基电路用于高频放大，共射电路用于低频放大。 三极管放大电路包含静态参数和动态参数两大类，静态参数又称静态工作点，是保证三极管正常工作的基础，意义是在输入条件为零时，晶体管的基极电流Ib，集电极电流Ic，be极之间的电压Ubc，管压降Uceq。当有输入信号时，晶体管呈现的输入电阻Ri，输出电阻Ro，电压增益Au等参数被称为动态参数。另外还有一类参数被称为放大电路频率特性参数，主要包括放大电路的低频端截止频率，高频端截止频率，通频带，增益平坦度，幅（度）频（率）特性曲线等。 　　三极管的作用 　　晶体三极管，是最常用的基本元器件之一，晶体三极管的作用主要是电流放大，他是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管。 　　三极管基本机构是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种， 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。 　　三极管是一种控制元件，三极管的作用非常的大，可以说没有三极管的发明就没有现代信息社会的如此多样化，电子管是他的前身，但是电子管体积大耗电量巨大，现在已经被淘汰。三极管主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的电流放大作用。 　　刚才说了电流放大是晶体三极管的作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。根据三极管的作用我们分析它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。三极管的作用还有电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器，此外三极管还有稳压的作用。
3.4红外信号采集电路：
红外信号采集电路是单片机的信号输入端，红外传感器在接收到红外信号变化后将信号通过三极管放大电路将微弱的电信号进行放大并输入到单片机中，器电路图如下图1所示：

图 1 信号采集电路
3.5声光报警电路
声光报警电路接收单片机发送过来的信号，红灯亮起，扬声器会持续响10S，知道红外传感器不再发送信号为止，若果想认为暂停报警系统，只需要按下中断按钮即可。声光报警电路如下图2所示：

图 2 扬声器报警电路

四、电路设计与描述

本设计以AT89C51单片机为核心，红外传感器给出相应的外界红外信号的变化，通过单片机对信号进行处理并发送到声光报警电路中。当所需原件如表5.1所示。
表2.2 红外报警器所用的元件
单片机AT89C51
瓷片电容CAP 30PF
扬声器
SPEAKER
电解电容CAP-ELEC
晶振CRYSTAL 12MHz
三极管2N2905
电阻RES
反向器
74LS04
红外传感器TORCH_LDR
芯片
555
原理图如图3所示

图 3 总体电路图

4.1

通过上面对系统结构和功能的分析，可以清晰的了解红外感应报警系统的设计过程。
首先对系统进行初始化设计，单片机检测外部的红外感应传感器是否有信号输入，如果检测到有信号输入，那么就启动声光报警电路开始报警，同时定时计数器开始工作，当定时计数器计时10S后，声光报警电路停止工作，同时单片机检测是否还有信号输入，若有信号输入，声光报警电路会继续工作10S，直到没有信号让输入为止，如果在10S想暂停声光报警系统，进入到下次信号检测过程，则，直接按中断按钮就可以了。程序流程图如下图所示：

系统初始化
声光报警结束

检测外部有
无信号输入
声光报警是否持续10秒

开始
启动声光报警电路开始报警

是否还有检测信号等待下次报警

结束
Y
N
N
Y
Y
N

中断服务程序工作流程图
本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，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。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图所示：

中断源发出中断申请

关中断、保护现场

INTO端有输入信号关闭报警

恢复现场、开中断

中断返回

五、程序设计

根据以上的分析，我们可以写出程序如下：
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP PINT0
ORG 0200H
MAIN: MOV IE,#81H ;CPU开放中断，INT0允许中断
SETB IT0 ;外部中断为边沿触发方式
MOV SP,#30H ;指针入口地址
SETB P3.0
CLR P3.1
MOV P1,#0FFH ;使P1口全部置1
MOV P2,#00H ;P2口清零
CLR P1.2
LP: JNB P1.0,LA ;监测输入信号，是否有输入信号
LA: ACALL DELAY ;延时消抖
JNB P1.0,ALARM ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序
AJMP LP
DELAY: MOV R1,0AAH
LD2: MOV R2,0BBH
LD1: NOP
DJNZ R2,LD1
DJNZ R1,LD2
RET
ALARM: SETB P1.2 ;开始报警使运行正常绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动
CPL P3.0
CPL P3.1
;10S钟定时:
MOV 51H,#0C8H ;10S循环次数
MOV TMOD,#01H ;定时器T0定时 方式1
MOV TL0,#0B0H ;置50ms定时初值
MOV TH0,#3CH
SETB TR0 ;启动T0
L2:JBC TF0,L1 ;查询记数溢出
SJMP L2
L1:MOV TL0 ,#0B0H
MOV TH0 ,#3CH
DJNZ 51H,L2 ;未到10S继续循环
SETB P3.0 ;10s到关闭报警
CLR P3.1
CLR P1.2 ;报警结束，正常运行绿指示灯亮
LJMP LP ;循环,继续工作
PINT0: CLR EX0 ;外部中断0服务程序开始，屏蔽外部中断
PUSH PSW
PUSH ACC
JNB P3.2,LN ;监测是否有中断输入
LN: LCALL DELAY ;延时消抖
JNB P3.2,LN1
AJMP LN2 ;无中断输入,中断返回
LN1: SETB P3.0
CLR P3.1
CLR P1.2 ;使报警结束，绿指示灯亮
POP ACC
POP PSW
SETB EX0 ;开放外部中断0
LCALL LP ;在中断继续检测是否有输入信号
LN2: RETI
END

六、系统运行、调试和结果分析
6.1 程序调试与运行
打开keil程序，执行菜单命令project——new project创建“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计”项目，并选择单片机型号为AT89C51。
执行菜单命令file——new创建文件，输入上述汇编程序，保存为“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计,ASM”。在project栏的file管理窗口中右击文件组，选择“add file to group‘source group1’”,将源程序添加到项目中。
执行菜单命令project——opinions for target ‘target 1’，在弹出的对话框中选择output选项卡，选中create hex file。在debug选项卡中，选中use：proteus VSM simulator。
执行菜单命令project——build target，编译源程序，如果编译成功，则在output window窗口中显示没有错误，并创建了“基于AT89C51单片机红外感应报警器设计.HEX”文件。
在已绘制好的原理图proteus isis菜单栏中，执行菜单命令debug——use remote debug monitor将该项选中，是proteus与keil真正连接起来，使它们联合调试。
在keil中执行菜单命令debug——start/stop debug session，进行keil调试环境。同时在proteus isis 窗口中可以看出proteus也进入了程序调试状态。
在keil中按F5键运行程序。
6.2 结果分析
调整TORCH_LDR上的“+”符号，可以看到LED报警灯亮起，扬声器开始报警。由于TORCH_LDR调整到“+”值时，相当于传感器能持续检测到侵入信号，所以声光报警系统会一直工作下去。按TORCH_LED上的“-”到最小值，声光报警系统响10S后就会自动停止工作。当不到10S时，按中断按钮，声光报警系统也会停止工作。无侵入信号时候绿的保持工作。各工作状态如下图所示：

图 4 没有侵入信号时，只有绿灯工作

图 5 检测到输入信号，声光报警系统开始工作
6.3 存在问题
按F5开始调试仿真后，一切仿真过程都是正确的，但是按proteus中的暂停仿真按钮，暂停仿真过程。过一会后再按proteus中的开始仿真按钮，仿真过程却无法继续，需要重新在KEIL中启动仿真过程才能继续仿真。还有就是开始设计的时候我在信号采集放大电路中添加了电源，但是在仿真过程中却无法运行，我尝试将电源去掉才能够运行。理论上需要添加电源才能运行，这与理论分析似乎有些不同。

七、设计总结

本次“基于AT89C51的红外感应报警系统设计”的实践，是对前面课本学习知识的复习和总结，不仅巩固了书本上的知识，而且也加强了动手实践的能力。本学期还有一门课程叫做“传感器”，通过本次课程设计，我将学到的传感器知识与单片机知识结合在一起，设计了红外报警系统。传感器做为信号采集器件，在单片机中的重要性非常突出，在传感器的配合下，单片机的功能变得更加强大和功能多样化了。本次单片机设计过程中还应用到了三极管放大电路的知识，通过三极管放大电路，红外探头采集来的微小信号才能被放大，从而应用来驱动单片机。从这里也能看出单片机系统设计是一个需要多学科支持的学科，所以想学好单片机，基本的知识是需要具备的。还有就是本次设计加强了我对计算机语言的认识。众所周知，单片机的软件设计，即可以应用C语言，也可以应用汇编语言，但是在前几次我做单片机作业的时候发现C语言在单片机设计中的不足，比如表达繁琐，格式要求比汇编语言严格等，所以在这次课程设计中，我选择应用汇编语言来完成设计。虽然在设计过程中对汇编语言不够熟练，但通过反复的学习应用，我终于初步掌握了汇编语言的基本表达方式。另一个收获，也是最重要的一个收获就是我真正掌握了如何去自主学习，在本次课程设计中，我遇到了很多知识上的麻烦，通过图书馆查找资料和与同学讨论，最终解决了问题，使系统完成了预定的任务。单片机课程虽然结束了，但是我不会就此停止单片机的学习，我决定在寒假过程中加强程序设计方面的学习，了解更多单片机知识，为自己未来的职业发展做好基础。

八．参考文献

[1]王庆有，光电传感器应用技术，北京：机械工业出版社，2007.10
[2]陈永甫，红外探测与控制电路，北京：人民邮电出版社，2004.6
[3]红外热释电鱼超声波遥控电路，北京：人民邮电出版社，2003.9
[4]彭军，光电器件基础与应用，北京：科学出版社，2009.6
[5]王静霞，单片机应用技术（C语言版），北京：电子工业出版社，2010.9
[6]全国大学生电子设计竞赛.基本技能指导，北京：电子工业出版社2010.6
[7]张文涛， Proteus仿真软件应用，武汉：华中科技大学出版社，2010.2
[8]彭军，实用电子技术，北京：科学出版社，2006.3