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1、毕业设计(论文)-基于AT89C51单片机的家庭防盗报警系统设计 目录 1 绪论 (1) 1.1发展概况与设计背景 (1) 1.2本设计概述 (2) 2总体设计方案. . (3) 2.1方案选择论证. . (3) 2.2主控芯片单片机的选择. . (3) 2.2.1 AT89C51的主要性能 (4) 2.2.2 AT89C51的引脚结构 (5) 2.3传感器的选择 (6) 2.3.1传感器的红外辐射与红外探测的原理结构 (7) 2.3.2红外测温原理 (7) 2.3.3热释红外传感器的结构 (8) 2.3.4 菲涅尔透镜 (10) 2.4热释电红外传感器控制电路芯片的选择 (11) 3 系统硬
2、件设计 (13) 3.1低频带通放大电路 (13) 3.2电压比较整形电路 (14) 3.2.1双限电压比较器的工作原理 (14) 3.3报警电路 (15) 3.4灯光警示电路 (16) 3.5状态显示电路 (17) 3.6供电电源电路 (17) 3.7单片机最小系统 (18) 4 系统软件 (19) 4.1主程序流程图 (19) 4.2中断函数流程图 (20) 5结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23) 附录一：系统电路图 (24) 附录二：系统程序 (25) 1 绪论 1.1发展概况与设计背景 随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，人们私有财产
3、也不断地增多，因而也对防盗措施提出了新的要求。 从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。 本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，
4、这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。 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，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点：（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，主人在家走动时，都很容易失报和误报，其可靠性低。（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报
5、，所以这种报警器的可靠性也不高。再者，就闭路监控电路防盗系统而言：它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。 1.2本设计概述 综合以上报警器的不足，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利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。 2 总体设计方案 2.1方案选择论证 防盗报警系统一般是由入侵探测器、防盗报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。它的最简单形式是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是入侵探测器和本地报警
6、控制器，以及声光报警器。 该系统设计方案有以下两种： 方案一；利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖派出所（巡逻大队）经历分布，及时调动警力做出快速处理。 方案二；通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。 通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。 2
7、.2主控芯片单片机的选择 20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下： 美国intel公司：MCS-51系列及其增强型系列 美国Motorola公司：6801系列和6805系列 美国Atmel公司：89C51等单片机 美国Zilog公司：Z8系列及SUPER8 美国Fairchild公司：F8系列和3870系列 美国Rockwell公司：6500/1系列 美国T1（德克萨司仪器仪表）公司：TMS7000系列 NS(美国国家半导体)公司：TMS7000系列
8、 尽管单片机的品种很多，但是在中国使用最多的还是intel公司的MCS-51系列单片机和美国的Atmel公司的89C51单片机。 MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051/8751。 8031内部包括一份8位CPU、128个字节，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串形口、2个16位定时器，但片内无程序存储器，外扩EPROM芯片。比较麻烦，不予采用。 8051是在8031的基础上，片内集成有4KB ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以805
9、1适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用。 8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM,它构成了程序小于4KB的小系统。用户可以将程序固定在EPROM中，可以反复修改程序。但是价格相对8031较贵。8031为外扩一片4KB EPROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。不予采用。 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash许程序存储区在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52位众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效地
10、解决方案。 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很
11、多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。故此设计采用AT89C51。 2.2.1 AT89C51的主要性能 1)与MCS-51单片机产品兼容 2) 4k字节在系统可编程Flash存储器 3)1000次擦写周期 4)全静态操作：0HZ24HZ 5)三级程序存储器锁定 6)32个可编程I/O口线 7)两个16位定时器/计数器 8)五个中断器 9)可编程串行通道 10)低功耗空闲和掉电模式 12)看门狗定时器 2.2.2 AT89C51的引脚结构 图2-1 AT89C51的引脚结构图 2.3传感器的选择 2.3.1 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构 热释电传感器是利用红外辐射与红外
12、测温的原理来探测的,红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。 非接触红外测温有以下几点优点： （1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。 （2）测温范围宽。 （3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。 （4）不必接触被测物体，操作方便。 （5）可以确定微小目标的温度。 非接触测温技术的意义是显而易见的。随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。 通常将电磁波谱间隔在0.76
13、1000m的区域称为红外光谱区，红外传感器 是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。 热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化P的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。 有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作热释电铁电体。例如：LiTaO2(钽酸锂)、BaTi O2(钛酸钡)和TGS（硫酸三甘酞）等。为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器 2.3.2红外测温原理 红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（27
14、3.15）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。 据斯蒂芬波兹曼常数，绝对黑体其温度T于与辐射能之间的关系为： 其中：为蒂芬波兹曼常数，其值为5.669710-12 w/cm2 ，k4 为黑体的温度；E0 为黑体辐射能。 实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为： E=E0 其中：E为物体在一定温度下的辐射能力；E0 为与E在同一温度下的黑体辐射能力; 为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在01 之间。 由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率
15、就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。 2.3.3热释红外传感器的结构 红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂) 探测器、BaTi O2(钛酸钡) 探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。 如图2-1为热释电红外传感器的结构图、电路图。传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电
16、极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。在管壳的顶部设有虑光镜（TO5封装）。图2-2为热释电传感器的实物照片。 图2-1 图2-2 热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。 由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和
17、，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约1012s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。 如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为： Q=APS 当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。 如图2-3所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大 后成为输出信
18、号。 图2-3 若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。 如果用调制频率为f 的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS ）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f 作周期变化。如果1/f 小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS 的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。如果用负载电阻Rg 把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is 通过负载。热释电
19、晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图2-4 所示。 图2-4 电流源的电流强度为Is 为： d T d AP I t S )(?= 式中:p 一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数， 2.3.4 菲涅尔透镜 目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m 提高到至少8m 范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图4所示)。这样，当
20、人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一 个又一个相应的电信号。 图2-5 菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm 左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感
21、器不起作用。 2.4热释电红外传感器控制电路芯片选择 热释电红外传感器输出的检测信号很小。要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。使电路执行相关动作。热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统。下图2-6是控制电路的结构框图： 图2-6 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源 应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之 低频放大 比较整形 V i V o 一。共模输入
22、范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图2-7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V o”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V o的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2-8。 图2-7 图2-8 LM324的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部
23、补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能 3 系统硬件设计 3.1低频带通放大电路 热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.110HZ，需经高增益、低噪声低频放大器放大后，才能进一步处理，一般来讲，要求放大器的增益为6070dB,带宽0.37HZ。放大器的带宽对可靠性和灵敏度有重要影响，带宽窄，噪声小误动作率低；带宽宽，噪声大，误动作率高！ 如图3-1所示，本系统采用LM324中的两个集成运算放大器构成低频带通放大电路，LM324内部集成了四个独立的高增益运算放大器，其电流小（典型值Is=1.0mA），且与所加电源电压的大小
24、无关，频率补偿及偏置电流均采用了温度补偿措施，性能稳定。采用单电源供电。 图3-1 放大器要求： 增益：6070DB 带宽：0.37HZ 工作原理： 放大电路的电压增益为： A=1+2fR12C4/(1+2fR7C4)(1+2fR12C4) 一般要求放大电路的增益为65Db。 电路的上下限截至频率为： F H=1/R12C7,F L=1/R7C4 在单电源供电的情况下，外加电压分压器后，可保证运放输出电压有较大的动态范围。静态下应将输出端电位设在1/2处，方法是：ICA外接R4、R10分压器，将1/2VCC 引至运放的同相输入端，这相当于将输入偏置电压垫高1/2VCC,从而使输出电压的静态电位定在1/2VDD处。与ICA一样，ICB为了保证运放输出电压有较大的动态范围，同样设置了分压器。 3.2电压比较整形电路