基于单片机的红外报警系统的设计

基于单片机的红外报警系统的设计

考核成绩：

2016年6月

一.绪论

1.1发展概况与设计背景

随着社会经济的飞速发展，但是社会的治安问题也越来越凸显出来，各种入室抢窃、偷盗事件时有发生。人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。这时，传统的家庭住宅显然己经远远不能满足人们的需求。人们迫切需要一种智能型的家庭防盗报警系统，面对种种治安问题，我们需要利用现代科技技术来保护我们的自身财产。在此设计防盗报警系统，它是利用探测器装置对建筑物内外重要地点和区域进行布防、探测。当探测器探测到非法入侵，报警器工作状态变为报警状态，产生报警声。

日常生活中应用的报警装置有目标明显反映迟钝等现象。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，但是这几种比较常见的报警器都存在或多或少的缺点。为了解决这些问题和要求，本设计采用了一种简单的红外探测报警装置，而且性能更良好，设计中采用被动热释红外探测地方法设计热释红外的报警系统。

本设计的报警系统所使用的红外线是不可见光，并且有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。本设计为一种以51单片机、热释电红外传感器等元器件组成电路为系统控制核心的防盗报警器执行电路。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，并将其转变为电压信号，同时，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。此外,在电子防盗、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而受到广大用户和专业人士的欢迎。

二.设计要求

1. 本课题需要研究的内容主要有以下几个方面：

（1）根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。  

（2）系统硬件设计。包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有单片机的选择、主机电路的设计、传感器的选择、报警电路的设计。

2. 实现的功能如下：

  采用红外传感器，把红外传感器放在门上，一旦发现有人入室行窃，通过单片机控制蜂鸣器响起来以此来提醒主人家遭非法入侵了。

 该系统模型图如图1所示：

                            图2.1 系统模型图

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、报警模块和显示模块等模块。该系统主控制模块用单片机做为核心，报警方式是传统的声光报警；显示方式采用数码显示，按键方式采用中断矩阵键盘，传感器采用热释电红外传感器。

各功能模块设计方案

 1、声光报警模块：

当单片机收到信号检测电路传来的入侵信号后，通过LED和蜂鸣器发声，发光二极管发光，通过软件控制相应的单片机引脚变化从而实现相应的动作。

2、数码显示模块：

为实现显示入侵时间，选用了2个四位一体数码管，分别用来显示：小时、分钟、秒。为了简化电路，采用数码管动态显示，通过软件编写程序。

3、红外探测器模块：

采用红外探测器，当有人通过探测模块，则向单片机引脚发送报警信号，由软件监测报警信号并进行相应处理。

三.基本原理

3.1 ATC51的结构

ATC51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes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位处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大。

ATC51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。 

在这块芯片上，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。

3.2 ATC51的引脚结构 

ATMEL公司的ATC51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。引脚图如图3.1所示，ATC51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的，所以有不少引脚具有第二功能。 

图3.1引脚图

VCC：供电电压。

GND：接地。 

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。  

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。 

P3口也可作为ATC51的一些特殊功能口，如下所示： 

P3口管脚 备选功能 

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口） 

P3.2 INT0（外部中断0） 

P3.3 INT1（外部中断1） 

P3.4 T0（记时器0外部输入） 

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 WR（外部数据存储器写选通） 

P3.7 RD（外部数据存储器读选通） 

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。 

PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 

EA/VP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA

端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。 

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。 

振荡特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 

芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 

此外，ATC51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 

我们常见的单片机就是51系列，但是他们根据类型和特性不同分为好多种,此次设计我们选择了ATC51单片机。

3.3热释电红外传感器的原理

热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。如图3.1所示为热释电红外传感器的内部电路框图。

图3.1热释电红外传感器的内部电路

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 ，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 ，并将其转换为电信号输出。 热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式 ，该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。 

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片， 并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

3.4人体热释电传感器的原理

热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，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。 

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。

四.硬件电路设计

4.1主电路的设计

硬件电路的设计从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件：STCC51、热释电红外传感器、LED、发光二极管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。

图4.1 红外防盗报警电路总原理图

4.2 时钟电路的设计 

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。 

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。如图.4.1所示为时钟电路。

图4.2 时钟电路

4.3 复位电路的设计 

复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us[7]。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图4.2示为复位电路。

图4.3示为复位电路

4.4 发光二极管报警电路的设计

由3个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。图4.3所示为发光二极管报警电路。

图4.4所示为发光二极管报警电路。

4.5声音报警电路的设计

如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，如图4.4示为声音报警电路。

图4.5示为声音报警电路

五.系统软件的设计

5.1主程序工作流程图

按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如下图5.1所示。

图5.1工作流程图

收到来的脉冲信号后，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。

六.结论

本设计中是基于一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。该防盗报警器通过以ATC51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器一定会在更广阔的领域得到更深层次的应用。

七.心得体会

在这次的课程设计中，我们根据老师的要求，先进行分组并且选择课题，我们这组总共11个人，大家经过讨论与分析后，决定先将需要的元器件购买备齐，等买回来后将元器件按照原理图进行焊接，先在Proteus软件上对原理图进行模拟连接，然后在keil软件里进行C语言的编写，实现所需的功能，将程序烤录到单片机里，实现了报警功能。这些过程中，大家有讨论，有争议，有合作，有失败，有成功，互相之间渐渐有了些许默契，这就是团队合作的结果，在其中，我感受到大家的相互之间的合作关系，并且非常喜欢这种团队合作的感觉。在设计过程中也学会到了许多实践经验，这是在课本上学不到的宝贵知识，在以后的生活学习中，也会受益匪浅。

这样的课程设计，团队之间的合作，希望以后学校多开设一些像这样的实践课程，也让我们在实践中理解明白老师在课本中所讲的理论知识。

八.参考文献

[1] 吴政江.单片机控制红外线防盗报警器[J].锦州:师范学院学报, 2001,39(3).

[2] 余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安:电子科技大学出版社, 2000,16(2).

[3] 宋文绪.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社, 2004,10(1). 

[4] 李全利.单片机原理及接口技术[M].北京:航空航天大学出版社, 2004,18(2).

[5] 薛均义,张彦斌.MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M].西安:交通大学出版  社, 2005,23(3).  

[6] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京:高等教育出版社, 2004,12(4). 

[7] 张橙.株洲.家庭智能防盗报警系统的设计[M].湖南:工业大学出版社,2008,16(1). 

[8] 吴英才,林华清.热释电红外传感器在防盗系统中的应用.传感器技术,2002,19(2). 

[9] 王洪建.ATC2051在小区防盗报警系统中的应用.第七届青年学术会议论文      集,2005,8(2). 

[10] 王宁.智能监控防盗报警系统.同济大学硕士学位论文,2007,19(1).  

[11] 刘纯利,张玉山.单片机防盗报警系统的设计.安徽电子信息职业技术学院学报,2004,20(2). 

[12] 雷旭,何万强.新型家用防盗报警系统.现代电子技术,2003,17(3).

附录

一.安装调试实验报告：

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。

4.当遇到特殊情况时，按下紧急报警键，系统马上报警

二.电路原理图、印制板图

三.焊接完成图

四.元器件清单

1.    7*9万用板

2.    STCC51

3.    40P IC座 

4.    12M晶振

5.    22uF电容

6.    30P瓷片电容    *2

7.    有源蜂鸣器

8.    10k电阻

9.    1k电阻*4

10.    3mm红色led

11.    3mm绿色led

12.    3mm黄色led

13.    人体感应模块

14.    3p单排母座

15.    8550三极管

16.    轻触按键*3

17.    自锁开关

18.    导线若干

19.    焊锡若干

20.    电池盒

五.程序清单

//宏定义

#define uchar unsigned char 

#define uint  unsigned int 

//头函数

#include

uchar Mode=1,t;

sbit s1=P1^2;

sbit s2=P1^3;

sbit s3=P1^4;

bit alarm=1,kai=1;

//LED

sbit LR=P0^0;

sbit LY=P0^1;

sbit LG=P0^2;

//蜂鸣器

sbit Feng=P2^7;

//人体热释电传感器

sbit HR=P2^4;

void delay(uint x) //毫秒级延时函数

{

  uint i,j;

for(i=x;i>0;i--)

for(j=110;j>0;j--);

}

void di()

{

    Feng=0;

    delay(100);

    Feng=1;

}

void main()

{

    LR=1;

    LG=1;

    LY=1;

    while(1)

    {

        if(s1==0)                //紧急手动报警

        {

                delay(5);

                if(s1==0)                //紧急手动报警

                {

                    delay(5);

                    while(!s1);

                    di();

                    //开启指示灯            报警红灯

                    kai=0;

                    LR=0;

                    LY=1;

                    LG=1;

                    alarm=0;

                    delay(200);

                }             

        }

        if(s3==0)            //取消报警

        {

                delay(5);

                if(s3==0)                

                {

                    delay(5);

                    while(!s3);

                    di();

                //关闭模式

                //    Mode=1;

                    LR=1;

                    alarm=1;

                    delay(200);

                }

        }

        if(s2==0)            //布防

        {

                delay(5);

                if(s2==0)                

                {

                    delay(5);

                    while(!s2);

                    di();

                    //延时30秒左右设防

                 for(t=0;t<100;t++)

                    {

                        LY=~LY;

                        delay(200);

                    }

                    //开启指示灯       布防黄灯

                    LR=1;

                    LY=0;

                    LG=1;

                    Mode=0;

                    kai=1;

                }

        } 

        if(alarm==0)

        {

            //报警

            di();

            delay(100);

            di();

            delay(100);

        }

            //判断红外状态

        if(HR==1&&Mode==0)

        {

            LR=0;         //报警红灯

            alarm=0;

        }

        else

        {

            if(kai)

            {

                alarm=1;

                LR=1;

            }

        }

        if(HR==1)

        {

            LG=0;

            delay(200);

        }

        else

        {

            LG=1;

        }             

    }

}