单片机之家庭红外防盗.docx
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单片机之家庭红外防盗.docx
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单片机之家庭红外防盗
烟台南山学院
单片机课程设计
题目家庭红外防盗系统设计
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完成时间:
课程设计任务书
设计一个采用单片机为核心,由光电开关、蜂鸣器、发光二极管、电源组成的红外防盗报警系统,在正常情况下绿色led发光,当有人出现在光电开关前方时,即有人进入禁区系统报警:
绿色led灭,红色led闪烁,蜂鸣器响起。
(1)本设计包括硬件设计和软件设计两部分。
模块划分为数据采集、键盘控制、报警等模块子函数。
(2)本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
(3)系统功能的实现:
当有人闯入时,热释电红外传感器将探测到动作,设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号,经放大电路、比较电路送至门线开关,打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机,经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。
摘要
随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客。
现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全。
由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
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。
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础。
而这里所设计的被动式红外报警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,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。
用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点:
●不需要用红外线或电磁波等发射源。
●灵敏度高、控制范围大。
●隐蔽性好,可流动安装。
目录
1绪论1
2总体方案设计2
2.1传感器的选择2
2.1.1几种常见的红外传感器2
2.1.2红外传感器的选择3
2.2总体设计思路3
3各个模块的具体设计5
3.1热释电红外传感器5
3.1.1结构5
3.1.2热释电红外传感器的工作原理6
3.1.3双探测热释电红外探头的优缺点7
3.1.4热释电红外传感器的抗干扰性能7
3.1.5热释电红外传传感器的安装要求7
3.2单片机的选择8
3.2.1AT89C51单片机的结构8
3.2.2AT89C51的管脚说明8
3.2.3振荡特性11
3.2.4芯片擦除11
3.3光电开关11
3.3放大电路的设计12
3.4时钟电路的设计12
3.5复位电路的设计12
3.6发光二极管报警电路的设计13
3.7声音报警电路的设计13
3.8系统硬件选择14
3.9硬件电路图的实现14
3.10软件程序的实现14
4方案优化18
4.1单片机测控系统中的干扰18
4.1.1干扰的成因及后果18
4.1.2电路设计中的抗干扰措施18
5总结20
6参考文献21
附录A22
附录B红外防盗报警设计原理图25
1绪论
近年来,随着改革开放的深入发展,电子电器的飞速发展.人民的生活水平有了很大提高。
各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。
然而一些不法分使越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
这里所设计的被动式红外报警器正为人们解决这个问题。
由于红外线是不见光,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。
本系统采用了热释电红外传感器,它的制作简单、成本低、安装比较方便,而且防盗性能比较稳定,抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。
这种防盗器安装隐蔽,不易被盗贼发现,同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信,便于多用户统一管理。
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。
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。
2总体方案设计
2.1传感器的选择
2.1.1几种常见的红外传感器
(1)红外探测器:
红外系统的核心是红外探测器,按照探测的机理的不同,可以分为热探测器和光子探测器两大类。
热探测器是利用辐射热效应,使探测元件接收到辐射能后引起温度升高,进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。
检测其中某一性能的变化,便可探测出辐射。
多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。
当元件接收辐射,引起非电量的物理变化时,可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。
(2)压电传感器
压电传感器(Piezoelectricsensor)是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转换,达到非电量的电测目的。
压电传感器的应用:
可分为单向力,双向力和三向力传感器。
压电传感器的物理基础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向。
由此可见,压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。
(3)磁电传感器
磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器,一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。
磁敏管的应用:
不但具有很高的磁灵敏度,同时能识别磁场极性;而且体积小功耗低,因而具有广泛的应用前景。
(4)光电传感器
光电传感器(Photoelectricsensor)是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构简单,性能可靠,精度高,反应快等优点,在现代测量和自动控制系统中,应用非常广泛,是一种很有发展前途的新型传感器。
(5)红外传感器
按传感器接收到的红外线是由被探测物体反射的,还是被探测物体自身发射的可分为主动型和被动型。
主动式红外反射式传感器主动发出红外线,红外线碰到障碍物,就会反弹回来,被报警器的探头接收。
如果探头监测到,红外线是静止不动的,也就是不断发出红线线又不断反弹的,那么报警器就不会报警。
当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候,探头就会检测到有异常,就会报警。
在生活中应用最多的实例就是便池自动冲水装置。
而被动式红外传感器(又称被动式热释电红外传感器或热释电红外传感器)是利用目标物体所发出的红外辐射信号实现被动探测的。
红外线报警器对温度敏感,温度越高的物体辐射出的红外线越强,当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时,就触发反警。
(6)无线红外传感器
无线红外传感器又名无线红外探测器,无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制,自动温度补偿,微电流省耗,无误报,无漏报,探测距离远,工作稳定,性能可靠,外形精巧,美观大方。
机内设置电源外拨开关,外出设防可以接通电源,达到更加省电的效果。
它是根据人体红外光谱而工作,当人体在其接收范围内活动时,探测器输出报警信号,广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。
它是目前可靠性较高的产品,红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。
工作原理:
红外广角型探头的防范区域是以其透镜始点,向前散发120度,长12米的圆锥形的探测区域,在这区域内,只要是热能动物在区域内活动,其散发的红外热能将被吸收。
幕帘型探头工作原理:
红外幕帘型探头的防范区域是以其透镜始点,向前散发120度,长12米的圆锥形的探测区域,在这区域内,只要是热能动物在区域内活动,其散发的红外热能将被吸收。
2.1.2红外传感器的选择
根据上述关于各种红外传感器的工作原理的介绍,综合考虑经济、实用等各方面因素,本设计采用热释电红外传感器。
2.2总体设计思路
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。
电路结构可划分为:
热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
就此设计的核心模块来说,单片机就是设计的中心单元,所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统,软件是各种工作程序的总称。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
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2.1总体设计框图所示:
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。
设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号,经放大电路、比较电路送至门限开关,打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机。
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。
图2.1总体设计框图
3各个模块的具体设计
3.1热释电红外传感器
被动式热释电型红外防盗报警器功能完善,利用被动式热释电型红外传感器检测到人体辐射的红外线,将告警信号送入AT89C51控制芯片,触发声光报警,达到自动报警的功能。
3.1.1结构
被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。
其结构框图如图3.1所示。
图中,菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上,同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区,以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性;热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件,它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用;信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较,为报警功能的实现打下基础。
图3.2所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。
图3.1报警器结构框图
图3.2人体通过传感器时产生的信号
3.1.2热释电红外传感器的工作原理
热释电红外线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(图3.2)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9~10um,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号。
本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。
其工作电路原理及设计电路如图3.4示,在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压,同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。
当检测到人体移动信号时,电荷信号经过FET放大后,经过C2,R1的稳压后使输出变为高电位,再经过NPN的转化,输出OUT为低电平。
在该探测技术中,所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量,只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。
被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化,并能使监控报警器产生报警信号,从而完成报警功能。
图3.3菲涅耳透镜工作原理图
图3.4热释电红外传感器原理图
3.1.3双探测热释电红外探头的优缺点
优点:
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:
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,探测和灵敏度降低,有时造成短时失灵。
3.1.4热释电红外传感器的抗干扰性能
1、防小动物干扰:
探测器安装在推荐地使用高度,对探测范围内地面上地小动物,一般不产生报警。
2、抗电磁干扰:
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求,一般手机电磁干扰不会引起误报。
3、抗灯光干扰:
探测器在正常灵敏度的范围内,受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生报警。
3.1.5热释电红外传传感器的安装要求
红外线热释电人体传感器只能安装在室内,其误报率与安装的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2.0-2.2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探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
4、红外线热释电传感器不要直对窗口,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。
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。
3.2单片机的选择
根据所学单片机知识,AT89C51采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
此外,80C51还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
3.2.1AT89C51单片机的结构
AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes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位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大[3]。
AT89C51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。
图3.5为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。
3.2.2AT89C51的管脚说明
如图3.6所示:
Vss(20脚):
接地
VCC(40脚):
主电源+5V
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端在采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该端引脚必须接地;对于CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路,对于HMOS单片机,该引脚输入外部时钟脉冲;对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮。
RST(9脚):
单片机刚接上电源时,其内部各寄存器处于随机状态,在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位(RESET)
PSEN(29脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过,在访问片外数据存储器时,这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作。
ALE/PROG(30脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过,在访问片外数据存储器时,这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作。
EA/VPP(31脚):
当EA端输入高电平时,CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。
当地址超出4KB时,将自动执行片外程序存储器的程序。
当EA输入低电平时,CPU仅访问片外程序存储器。
在对87C51EPROM编程时,此引脚用于施加编程电压VPP。
输入/输出引脚:
①P0.0—P0.7 (39脚—32脚)
②P1.0—P1.7 (1脚—8脚)
③P2.0—P2.7 (26脚—21脚)
④P3.0—P3.7 (10脚—17脚)
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。
外时钟源外部事件计数
外中断控制并行口串行通信
图3.5AT89C51功能方块图
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。
图3.6AT89c51单片机引脚图
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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表P3口的管脚备选功能所示:
表P3口的管脚备选功能:
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
:
外部中断0
P3.3
:
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
:
外部数据存储器写选通
3.2.3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。
3.2.4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,AT89C51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。
3.3光电开关
红外线属于一种电磁射线,其特性等同于无线电或X射线。
人眼可见的光波是380nm-780nm,发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线,浙江省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。
图3.7红外线的波长
红外线光电开关(光电传感器)属于光电接近开关的简称,它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均可检测。
3.3放大电路的设计
如图3.8所示为最基本的放大电路,Vi是输入电压信号,Vo是输出放大的电压信号。
图3.8放大电路图图3.9时钟电路图
3.4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3.9所示为时钟电路。
图3.10复位电路图
3.5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。
本设计采用的是外部手动按键复位电路。
如图3.10示为复位电路。
3.6发光二极管报警电路的设计
由4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3.11所示为发光二极管报警电路。
3.7声音报警电路的设计
当搜索到达到报警要求的信号后,调用报警子程序即可完成报警功能。
其报警的原理:
控制三极管的导通和关断时间来驱动蜂鸣器发声,输出高电平信号使发光二极管发光。
如图3.12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。
图3.11发光二极管报警电路图
图3.12声音报警电路
3.8系统硬件选择
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