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3.3程序流程图15
4.系统分析与调试16
结论18
参考文献19
致谢20
附录1原理图21
附录2仿真图22
附录3源程序23
家居防盗报警器
摘要:
该报警器具有误报率较低、安装和配置容易、成本低、能量消耗少、使用非常方便的特点。
实现的原理是热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射,将其转换成超低频信号,经电路放大、输出。
检测器是利用红外人体检测探头检测预先设定好的范围内的情况,一旦有危险便向单片机发出信号,再经单片机处理,然后数码管显示出信号发出的具体范围并同时控制喇叭发出警告声音。
可以应用于家居防盗、仓库防盗等多种防盗场合,具有很强的实用价值和良好的市场前景。
关键词:
报警系统,单片机,防盗系统
引言
家居防盗报警器的发展主要是基于传感器之上,所以有必要先谈谈红外传感器的发展状况。
而传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点,各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。
从20世纪80年代起,日本就将传感器技术列为优先发展的高新科技之首,美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点。
从而基于传感器技术的防盗报警系统也得到了高速发展。
传统的防盗报警器都是检测到有盗情的时候只在本地发出警报声音,内部没有控制器,易被破坏失效,安装,扩展也不方便。
本文设计的家居防盗报警器利用单片机控制,功能强大,并且易于扩展成多用途的智能家居系统。
本家居防盗报警器主要由红外人体感应模块和单片机组成。
感应部分可以配以不同探头,如门磁、烟雾、风雨探头、热释电探头、温度探头等,可以实现防盗、防火、防水等多功能报警,安装使用非常方便!
无论是基于那种方式的防盗报警器,它的工作原理都是将探测到的信号,经电路放大,并通过控制电路判断是否属于异常信号,再决定是否发送报警信号给报警电路,从而达到防盗的效果。
1.绪论
1.1设计的主要内容和意义
1.1.1设计防盗报警器的内容
首先是为系统总体设计方案划分功能模块.第一部分是红外人体感应器;
第二部分是主机(含显示器,处理器,报警器等);
按键控制(对防盗器实行布防和撤防以及测试)。
其次是确定硬件电路的设计,包含芯片的选择,具体电路的设计如探测电路、报警电路等等。
最后就是软件的设计,软件的设计主要是以熟悉硬件电路的工作原理为前提来设计的。
1.1.2设计防盗报警器的意义
如今市场上成熟的防盗报警产品有被动式的、主动式的和多技术复合式的。
但前两者都有致命的缺点就是误报率很高,而多技术复合式的防盗报警器误报率很低,也是未来发展的主要方向。
即使如此,我依旧设计的是被动式防盗报警器,因为我以目前的水准很难对已成熟的产品有所突破而设计出一流的产品。
个人认为设计防盗报警器的意义在于设计的过程,在设计的过程中我们才会把这几年在学校里学到的融合,同时也让自己明白我们的学习道路还很遥远。
1.2防盗报警器的分类及其介绍
1.2.1被动式红外传感器
被动式红外传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,并进行放大,处理,它能可靠的将运动着的生物体(人)和飘落的物体加以区别。
同时它还具有监控范围大,隐蔽性好,抗干扰能力强和误报率低等特点。
被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器,由光学系统,红外传感器和信息处理三部分组成。
目前与红外传感器配套的光学系统有三种,即反射式、透射式和折射式。
其中反射式光学系统的灵敏度最高,其探测距离可达25~60m;
透射式的灵敏度最低,探测距离为2~10m;
折射式居中,兼有反射式和透射式的优、缺点。
1.2.2主动式红外探测器
主动式红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。
分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜,起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用,以使红外光的能量能够集中传送。
红外光在人眼看不见的光谱范围,有人经过这条无形的封锁线,必然全部或部分遮挡红外光束。
接收端输出的电信号的强度会因此产生变化,从而启动报警控制器发出报警信号。
主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警,人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
由于光束较窄,收发端安装要牢固可靠,不应受地面震动影响,而发生位移引起误报,光学系统要保持清洁,注意维护保养。
因此主动式探测器所探测的是点到点,而不是一个面的范围。
其特点是探测可靠性非常高。
但若对一个空间进行布防,则需有多个主动式探测器,价格昂贵。
主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。
2.硬件电路的设计
2.1家居防盗报警器的硬件组成
家居防盗报警器主要是由人体探测器(红外探测信号)、中央控制单元、数字显示单元、报警电路、按键控制电路和电源电路等部分组成。
其框图如图1所示。
图1多路无线防盗报警器的组成框图
按键的功能就是对报警器进行布防或撤防,人体红外感应模块基本组成是红外探测器、三极管放大驱动器组成。
工作方式是通过红外探测器把探测信号通过三极管放大给单片机。
单片机处理后再判断接收的是否为按键的信号还是探测器的异常信号,再分别处理,若是异常信号则开启报警电路与显示电路,若是按键的信号就是实现撤防或布防的功能。
2.2家居防盗报警器的硬件设计
2.2.1电源设计
考虑采用典型的变压器降压,全波整流,电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。
由于单片机及后续的无线接收电路等都用5V作为工作电源,所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压,为后续电路提供稳定可靠的5V直流电源,三端稳压集成电路采用LM7805。
具体电路图如图5。
图5电源电路图
2.2.2人体红外采集电路设计
在自然界,任何高于绝对温度(-273度)时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。
在被动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(PIR),它能将波长为8一12um之间的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,因此在被动红外探测器的警戒区内,当无人体移动时,热释电红外感应器感应到的只是背景温度,当人体进人警戒区,通过菲涅尔透镜,热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号,因此,红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
另外一个器件就是菲涅尔透镜,菲涅尔透镜有两种形式,即折射式和反射式。
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,使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号,这样PIR就能产生变化的电信号。
人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10微米左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。
2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。
3)被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。
而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。
4)人一旦侵入探测区域内,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,经信号处理而报警。
5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同,具有不同的焦距(感应距离),从而产生不同的监控视场,视场越多,控制越严密。
被动式热释电红外探头的优缺点:
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。
缺点是:
1.容易受各种热源、光源干扰
2.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。
3.易受射频辐射的干扰。
4.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。
红外线热释电传感器的安装要求:
红外线热释电人体传感器只能安装在室内,其误报率与安装位置和方式有极大的关系.。
正确的安装应满足下列条件:
1、红外线热释电传感器应离地面2~2.2米。
2、红外线热释电传感器远离空调,冰箱,火炉等空气温度变化敏感的地方。
3、红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。
4、红外线热释电传感器不能直对门窗及有阳光直射的地方,否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报,有条件的最好把窗帘拉上。
红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
5、安装探测器的天花板或墙要坚固,不能有晃动或震动。
红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。
红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。
图6为人体感应模块内部图。
本设计将人体感应模块的输出信号端,利用三极管的放大原理,将信号放大,来驱动信号给单片机。
图6人体感应模块电路图
2.2.3控制、显示电路设计
由于控制、显示、报警电路都是围绕单片机进行,所以放在一起阐述。
STC89C51为主要的中央处理系统,单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机,这些元件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。
由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点,因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛,在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。
在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。
在各类仪器、仪表中引入单片机,使仪器仪表智能化,提高测试的自动化程度和精度,提高计算机的运算速度,简化仪器仪表的硬件结构,提高其性能价格比。
(一)STC89C51主要功能、性能参数如下:
(1)内置标准51内核,机器周期:
增强型为6时钟,普通型为12时钟;
(2)工作频率范围:
0~40MHZ,相当于普通8051的0~80MHZ;
(3)STC89C51RC对应Flash空间:
4KB;
(4)内部存储器(RAM):
256B;
(5)定时器\计数器:
3个16位;
(6)通用异步通信口(UART)1个;
(7)中断源:
8个;
(8)有ISP(在系统可编程)\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\仿真器;
(9)通用I\O口:
32\36个;
(10)工作电压:
3.8~5.5V;
(11)外形封装:
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。
(二)STC89C51单片机的引脚说明:
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FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH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(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(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。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。
这是由硬件自动完成的,不需要我们操心,1然后再实行读引脚操作,否则就可能读入出错,为什么看上面的图,如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q^为1加到场效应管栅极的信号为1,该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1,也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。
若先执行置1操作,则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入,由于在输入操作时还必须附加一个准备动作,所以这类I/O口被称为准双向口。
STC89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。
接下来让我们再看另一个问题,从图中可以看出这四个端口还有一个差别,除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。
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,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
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指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
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/VPP:
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(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生:
一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。
在STC89C51单片机内部有一振荡电路,只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振),就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
电容的作用是稳定频率和快速起振,电容值在5-30pF,典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2-12MHz间选择,典型值为12MHz和11.0592MHz。
当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执行复位操作,按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源VCC接通而实现的。
最小系统如图10所示。
图10单片机最小系统电路
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件,能使单片机始终处于正常的运行状态。
电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件,可以将最小系统作为应用系统的核心部分,通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等,使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用STC89C52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,结构如图2-3所示,由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图11单片机最小系统原理框图
(1)时钟电路
内部时钟方式如图2-4所示。
在STC89C51单片机内部有一振荡电路,只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振),就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。
图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振,电容值在5~30pF,典型值为30pF。
晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12MHz间选择,典型值为12MHz和6MHz。
图12STC89C51内部时钟电路
(2)复位电路
当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时,单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平,单片机就处于循环复位状态)。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的。
按键手动复位电路见图2-5。
时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10kΩ。
图13STC89C51复位电路
(四)STC89C51中断技术概述
中断技术主要用于实时监测与控制,要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求,并作出快速响应、及时处理。
这是由片内的中断系统来实现的。
当中断请求源发出中断请求时,如果中断请求被允许,单片机暂时中止当前正在执行的主程序,转到中断服务处理程序处理中断服务请求。
中断服务处理程序处理完中断服务请求后,再回到原来被中止的程序之处(断点),继续执行被中断的主程序。
图14为整个中断响应和处理过程。
图14中断响应和处理过程
如果单片机没有中断系统,单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。
采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象,大大地提高了单片机的工作效率和实时性。
显示电路是由一位共阳数码管显示,单片机控制数码管每段的高低电平,从而实现数码管的显示。
常用的七段显示器的结构如图下图所示。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器(如图9所示),阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图c所示)。
1位显示器由八个发光二极管组成,其中七个发光二极管a~g控制七个笔画(段)的亮或暗,另一个控制一个小数点的亮和暗,这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少,字符的开头有些失真,但控制简单,使用方便。
此外,要画出电路图,首先还要搞清楚他的引脚图的分布,在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。
才能显示出正确的数字来。
(a)外形(b)共阳极(C)共阴极
图15数码管引脚
数码管使用注意事项说明:
(1)数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;
(2)焊接温度:
260度;
焊接时间:
5S
(3)表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。
该设计有报警电路,布放状态下检测到人时,蜂鸣器就会发声提示,LED同时会亮起,直到主人按下撤防,才会停止鸣叫,控制引脚接在P1.2引脚上,利用三极管当做开关电路可以保护单片机,还可以起到放大电流的作用,当三极管基极为高电平时,发射极截止,为低电平时,发射极导通。
报警模块如图16所示。
图16声光报警模块
3.软件的设计
3.1keil应用
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
Keil_c软件界面如图17:
图17Keil_c软件界面
该软件是一款集编程和仿真于一体的软件,它支持汇编、C语言及二者的混合编程。
3.2protel99se应用
Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件,采用设计库管理模式,可以网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源--地层和16个机加工层。
Protel99SE软件的特点:
(1)可生成30多种格式的电气连接网络表;
(2)强大的全局编辑功能;
(3)在原理图中选择一级器件,PCB中同样的器件也将被选中;
(4)同时运行原理图和PCB,在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
(5)既可以进行正向注释元器件标号(由原理图到PCB),也可以进行反向注释(由PCB到原理图),以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性;
(6)满足国际化设计要求(包括国标标题栏输出,GB4728国标库);
*方便易用的数模混合仿
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