傳感器課程設計基于單片機的紅外報警系統設計42016年6月目錄一、設計要求 11、存在的問題 12、選題依據 13、基礎知識 13.1熱釋紅外傳感器簡單介紹 13.2STC89C51單片機的簡單概述 23.3STC89C51單片機的管腳說明 33.4STC89C51單片機的主要特性 63.5STC89C51單片機的工作周期 6二、基本原理 7三、硬件電路設計 83.1實現的功能 83.2各功能模塊設計方案 83.2.1聲光報警模塊： 83.2.2數碼顯示模塊： 83.2.3紅外探測器模塊： 83.3主機電路設計 103.3.1主機部分 103.3.2內部時鐘電路的設計 113.3.3外部時鐘電路的設計 113.3.4蜂鳴器電路的設計 123.3.5復位電路的設計 12四、軟件設計 144.1主程序流程圖 14五、結論 14六、心得體會 15七、參考文獻 15安裝調試實驗報告 16電路原理圖、印制板圖 16原理圖 16實物圖 17元器件清單 18程序清單 19PAGE18正文一、設計要求1、存在的問題現如今，治安問題已然非常嚴重。小偷小摸、入室搶劫這類事情發生頻率非常高。這就需要在建筑物周圍以及內部重點區域安裝防盜裝置。世面上已有的報警裝置都存在著一些漏洞，所以結合已存在的報警裝置，取長補短，設計出一種簡單有效、性能良好的紅外探測報警裝置。本設計的報警系統所使用的紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變為電壓信號，同時，熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可用于制動控制、接近開關、遙測等領域。2、選題依據隨著時代的進步、科技的發展，人們對生活的品質的追求越來越高，也對安全問題越來越重視。人們需要一種簡單有效的家庭防盜報警系統，能可靠的保護家庭安全，若有情況可以立即發現并及時向主人發出信號，將險情扼殺在搖籃中，或是減小損失。這樣即使出門在外，人們也可以安心的工作、娛樂。因此，家庭防盜報警系統的需求量很很大的，也很重要。3、基礎知識3.1熱釋紅外傳感器簡單介紹熱勢紅外線傳感器是80年代發展起來的一種新型高靈敏度探測原件。是一種能檢測人體的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成放入侵報警器或各種自動化節能裝置。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的共外線能量的變化，并將其轉化成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路。如圖所示為熱釋電紅外傳感器的內部電路框圖。熱釋電紅外傳感器內部電路框圖3.2STC89C51單片機的簡單概述STC89C51單片機的結構STC89C51單片機是美國Stcmel公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),器件采用Stcmel公司的高密度、非異失性存取技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大【3】。STC89C51單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。圖2-2為STC89C51單片機的基本組成功能方塊圖。由圖可見，在這一塊芯片上，集成了一臺微型計算機的主要組成部分，其中包括CPU、存儲器、可編程I/O口、定時器/計數器、串行口等，各部分通過內部總線相連。下面介紹幾個主要部分。STC89C51功能方塊圖1.中央處理器（CPU）中央處理器是單片機最核心的部分，是單片機的大腦和心臟，具有運算和控制功能。STC89C51的CPU是一個字長為8位的中央處理單元，即它對數據的處理是按字節為單位進行的。2.數據存儲器（內部RAM）芯片中共有256B的RAM單元，但其中后128個單元（80H-0FFH）被專用寄存器占用，能作為寄存器提供用戶使用的只是前128個單元（00-7FH），用于存放可讀寫的數據。因此常說的內部數據存儲器是指前128個單元，簡稱內部RAM。3.程序存儲器（內部ROM）芯片內部有4KB的掩膜ROM，可用于存放程序、原始數據和表格等，因此稱為程序存儲器，簡稱內部ROM。4.定時器/計數器出于控制應用的需要，芯片內部共有兩個16位的定時器/計數器以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對單片機進行控制。5.并行I/O口STC89C51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），可以實現數據的并行輸入/輸出。6.串行口STC89C51有1個全雙工的可編程串行口，以實現單片機和其他設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可以作為全雙工異步通信收發器使用，也可以作為同步移位寄存器使用。7.中斷控制系統STC89C51的中斷系統功能較強，可以滿足一般控制應用的需要。它共有5個中斷源：2個外部中斷源/INTO和/INT1；3個內部中斷源，即2個定時/計數中斷，1個串行口中斷。8.時鐘電路STC89C51單片機芯片內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需要外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列，系統允許的最高晶振頻率為12MHz。9.內部總線上述部件只有通過內部總線將其連接起來才能構成一個完整的單片機系統。總線在圖中以帶箭頭的空心線表示。系統的地址信號、數據信號和控制信號分別通過系統的三大總線—地址總線、數據總線和控制總線進行傳送，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。STC89C51較詳細的內部結構如圖2-3所示。3.3STC89C51單片機的管腳說明STC89C51是一種高效微控制器。采用40引腳雙列直插封裝（DIP）形式，如圖2-4所示。STC89C51單片機是高性能單片機，因為受引腳數目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C51的一些特殊功能口，如下所示：STC89C51內部結構框圖P3口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。STC89C51引腳圖RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許端的輸出電平用于鎖存地址的地址字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號端。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP:當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.4STC89C51單片機的主要特性與MCS-51兼容4K字節可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年全靜態工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路3.5STC89C51單片機的工作周期單片機有了硬件和軟件就可以在控制器發出的控制信號作用下有條不紊地工作，控制信號必須定時發出，為了定時計算機內部必須有一個準確的定時脈沖。這種定時脈沖是由晶體振蕩器產生的，并組成下面幾種工作周期，如圖2-5所示。這種定時脈沖是由晶體振蕩器產生的，并組成下面幾種工作周期。振蕩周期、狀態周期、機器周期和指令周期振蕩周期：是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。即由單片機的晶體振蕩器產生的時鐘脈沖的周期。狀態周期：每個狀態周期為振蕩周期的2倍,是振蕩周期經二分頻后得到的。在一個狀態周期中有兩個時鐘脈沖，通常稱它為P1、P2。機器周期：一個機器周期包含6個狀態周期S1~S6,也就是12個振蕩周期。在一個機器周期內，CPU可以完成一個獨立的操作。指令周期：它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。二、基本原理該設計主要包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數據采集、報警模塊和顯示模塊等模塊。該系統主控制模塊用單片機做為核心，報警方式是傳統的聲光報警；顯示方式采用數碼顯示，按鍵方式采用中斷矩陣鍵盤，傳感器采用熱釋電紅外傳感器。傳感器技術是信息采集技術的第一步，它通常由敏感元件和轉換元件組成，敏感元件，是傳感器能直接感受輸入量的部分。轉換元件，是傳感器能把敏感元件接收到的部分轉換成可用信號。傳感器的應用：信息采集。對于一些特別的要求，需要檢測目標狀態的存在，在一定的狀態下信息轉換為數據，對裝置和系統進行監測。信息數據的交換。把多種形式的信號，如圖形、文字等，顯示在紙上或顯示在膠片上的信息，轉換成電腦、傳真等儀器可接收的信號，實現了各種媒體之間的變換。控制信息采集。由系統的狀態信息控制系統的工作狀態，或在目標跟蹤系統的變化。該系統不僅能滿足可靠檢測的需求，也需要經濟，實用，安裝簡單，所以選擇無線人體熱釋電紅外傳感器進行安全監測，當小偷試圖進入室內的門窗，無線人體熱釋電傳感器可以檢測到的紅外信號的人體運動。在智能防盜報警的領域，被動紅外熱釋電探測器具有非常廣泛的應用，它成本低，性能比較穩定，受到了廣大用戶的好評和青睞。被動式熱釋電紅外探測器的工作原理：在自然界中，任何高于絕對溫度的物體會有紅外光譜，不同溫度的物體輻射出的紅外線波長是不同的，所以紅外波長與溫度有關。人體的溫度一般穩定在37℃，所以輻射出的紅外線波長約為10微米，被動紅外探測器檢測到人體發出的10微米線，通過菲泥爾濾波光片增強聚集在紅外感應區。紅外感應源通常采用一些熱電元件（強介電材料如鈦鎬酸鉛，鈦酸鋇等），它們隨著外界輻射溫度發生變化而失去電荷平衡，釋放電荷，電荷的變化最終以電信號的形式輸出，后續電路處理后產生報警信號。人一旦入侵檢測區，通過對反射鏡聚集到人體的紅外輻射，熱釋電元件接收的能量發生變化，熱釋電也不同，不能抵消，信號處理后報警。抗干擾性能：在高度上防小動物干擾，在頻率上抗電磁干擾，安裝時應遠離空調，爐灶等空氣溫度變化大的地點。振動位移傳感器：全固態控制裝置的振動和位移測量，是目前檢測和報警的最佳選擇，加速度傳感器部分采用先進的固體狀態檢測裝置，已經具有很高的檢測靈敏度，對于周圍環境中聲音信號的抑制能力，抗干擾能力強，可廣泛應用于汽車、門等需要防盜的位置，內部有特殊的控制芯片，應用非常方便，可直接進行小功率負載。三、硬件電路設計系統硬件設計，包括芯片的選型、所選芯片的功能、芯片外圍電路的合理設計。主要內容有單片機的選擇、主機電路的設計、傳感器的選擇、報警電路的設計。3.1實現的功能采用紅外傳感器，把紅外傳感器放在門上，一旦發現有人入室行竊，通過單片機控制蜂鳴器響起來以此來提醒主人家遭非法入侵了。3.2各功能模塊設計方案3.2.1聲光報警模塊：當單片機收到信號檢測電路傳來的入侵信號后，通過LED和蜂鳴器發聲，發光二極管發光，通過軟件控制相應的單片機引腳變化從而實現相應的動作。3.2.2數碼顯示模塊：為實現顯示入侵時間，選用了2個四位一體數碼管，分別用來顯示：小時、分鐘、秒。為了簡化電路，采用數碼管動態顯示，通過軟件編寫程序。3.2.3紅外探測器模塊：采用紅外探測器，當有人通過探測模塊，則向單片機引腳發送報警信號，由軟件監測報警信號并進行相應處理。方案一：主動式紅外探測器主動式紅外探測器原理：主動式紅外探測器分為發射(投光器)?和接收(受光器)兩部分，投光器和受光器之間投射紅外光，當有入侵發生時，投光和受光器之間的紅外光被阻斷，觸發報警。使用的紅外線是波長在700nm到1000um這間的電磁波(比紅外波長長的是波，比紅外波長短的是可見光)。人眼是看不到紅外線的，但特殊材料可以感應到，也可以成像。目前直線探測距離可做到室內25m室外75m，其優點是靈敏度高，具有較高的光學特性。特別在雨、霧、霜等遮擋射束光強度時（甚至遮擋射束強度99%），探測器仍能正常工作。具備防水、防塵、防震、拆卸、防破壞功能。但若對一個空間進行布防，則需有多個主動式探測器，價格昂貴[4]。主動式探測器常用于博物館中單體貴重文物展品的布防以及工廠倉庫的門窗封鎖、購物中心的通道封鎖、停車場的出口封鎖、家居的陽臺封鎖等等。方案二：被動紅外入侵探測器

被動式紅外探頭的工作原理：人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。被動式報警探測器易于布防、價格便宜而被廣泛應用。綜合各方因素，經過分析與比較，我們發現被動式報警探測器探測性能較好、易于布防、價格更便宜，所以在本次設計中，我們采用方案二的被動紅外入侵探測器。工作電壓：DC5V至20V靜態功耗：65微安電壓輸出：高3.3V，低0V延時時間：可調（0.3秒到10分鐘）封鎖時間：0.2秒觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H感應范圍：小于120度錐角，7米以內工作溫度：-15到+70度PCB外形尺寸：32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應透鏡尺寸：（直徑）：23mm（默認）應用范圍：走廊、樓道、衛生間、地下室、倉庫、車庫等場所的自動照明、排氣扇的自動抽風以及其他電器（如白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗衣機）特別適用于企業、賓館、商場、庫房敏感區域安全區域和報警系統。還可用于防盜等用途。3.3主機電路設計3.3.1主機部分報警器的主機采用STC89C51單片機是將中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時/計數器及輸入輸出接口電路等計算機主要部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。現在世界上已經有很多大公司能夠生產單片機，隨著超大規模集成電路的迅猛發展，單片機的功能也日漸強大，運算速度日益提高相繼出現了32位和64位單片機，但根據實際系統的需要和產品的性價比，本文選用STCMEL公司的8位單片機STC89C51，構成系統的主機。主機部分的電路原理圖如圖3-1所示，它由復位電路、震蕩電路、蜂鳴器、共陰極7段數碼管組成。引腳P1.0和P1.4分別接到傳感器的輸出端，用以檢測異常情況，以便進行報警處理。下圖中控制單元為STC89C51單片機。主機部分原理圖3.3.2內部時鐘電路的設計STC89C51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內部方式產生或外部方式產生。內部方式的時鐘電路如圖3-4所示，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器就產生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值得大小可對頻率起微調的作用。下圖為內部方式時鐘電路。內部方式時鐘電路3.3.3外部時鐘電路的設計外部方式的時鐘電路如圖所示，XTAL接地，XTAL2接外部振蕩器。外部時鐘電路3.3.4蜂鳴器電路的設計本系統的蜂鳴器報警電路如圖3-7所示，蜂鳴器用一個三極管8550來驅動。單片機引腳P2.7接8550的基極輸入端。當P2.7輸出低電平1時，三極管導通，蜂鳴器兩端獲得約+5V的電壓而鳴叫；當P2.7輸出高電平0時，三極管截止，蜂鳴器停止發聲。蜂鳴器電路3.3.5復位電路的設計復位方法一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后，在RESET端持續給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復位信號持續時間應不小于2us。使用晶振頻率為24MHz時，則復位信號持續時間不大于2us。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路。該復位電路鏈接單片機的RESET引腳，如圖所示。復位電路圖四、軟件設計4.1主程序流程圖五、結論系統功能較齊全，能對家庭中出現的盜竊事件及時發出報警信息，避免用戶生命財產受損失。系統通過單片機控制的數碼顯示器，顯示出入侵入地點，使用戶能及時快速做出應對措施。系統采用模塊化的設計思想，功能更完善、靈活、可調，并預留了相應借口，以適應家用電器聯網的需求。系統硬件電路簡單、安裝方便、操作簡單。六、心得體會我在收集資料的過程中，掌握了許多相關知識，讓我對我所學過的知識有所鞏固和提高。在整個過程中，我學到了新知識，增長了見識，在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學領域有所作為。七、參考文獻[1]吳政江.單片機控制紅外線防盜報警器[J].錦州:師范學院學報,2001,39(3).[2]余錫存.單片機原理及接口技術[M].西安:電子科技大學出版社,2000,16(2).[3]宋文緒.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社,2004,10(1).[4]李全利.單片機原理及接口技術[M].北京:航空航天大學出版社,2004,18(2).[5]薛均義,張彥斌.MCS-51系列單片微型計算機及其應用[M].西安:交通大學出版社,2005,23(3).[6]康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M].北京:高等教育出版社,2004,12(4).[7]張橙.株洲.家庭智能防盜報警系統的設計[M].湖南:工業大學出版社,2008,16(1).[8]吳英才,林華清.熱釋電紅外傳感器在防盜系統中的應用.傳感器技術,2002,19(2).[9]王洪建.AT89C2051在小區防盜報警系統中的應用.第七屆青年學術會議論文集,2005,8(2).[10]王寧.智能監控防盜報警系統.同濟大學碩士學位論文,2007,19(1).[11]劉純利,張玉山.單片機防盜報警系統的設計.安徽電子信息職業技術學院學報,2004,20(2).[12]雷旭,何萬強.新型家用防盜報警系統.現代電子技術,2003,17(3).

附錄安裝調試實驗報告從左邊第一個起，手動報警鍵、布防鍵、取消報警鍵。1.兩鐘狀態，一種緊急報警，另一種布防報警2.三個LED指示燈，紅色當有報警時此發光二極管閃爍報警，否則熄滅;綠色用做布防指示燈;黃色傳感器信號指示燈（有信號就亮，否則滅）。3.按下布防鍵，系統等待20秒進入布防狀態（此時綠色的燈閃爍），20秒后系統進入布防狀態（此時綠色的亮長亮），當有人靠近時，紅外熱釋電傳感器信號輸送給單片機，單片機接收到信號馬上報警。4.當遇到特殊情況時，按下緊急報警鍵，系統馬上報警電路原理圖、印制板圖原理圖實物圖元器件清單7*9萬用板STC89C5140PIC座12M晶振22uF電容30P瓷片電容 *2有源蜂鳴器10k電阻1k電阻*43mm紅色led3mm綠色led3mm黃色led人體感應模塊3p單排母座8550三極管輕觸按鍵*3自鎖開關導線若干焊錫若干電池盒程序清單//宏定義#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//頭函數#include<reg52.h>ucharMode=1,