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1、医学光电检测技术红外线防盗报警器学 生 姓 名吴江伟专 业生物医学工程学 号指 导 教 师黄丹飞学 院生命科学技术学院2013年 6 月 摘 要该系统以单片机AT89C51为核心，采用双元热释电红外传感器做为接收装置。报警器工作时，当人体移动到距离报警器010米范围内，即可触发报警器工作，持续报警10秒钟后自动停止报警，也可以手工按键解除报警。特点是在报警的同时可以显示出报警的次数。 关键词：报警器 单片机 AT89C51 热释电红外传感器AbstractThis system takes SCM AT89C51 as the core, and applies the infrared pi
2、ckoff with two PIR sensors as the receiving instrument. In the working condition, when the distance between human body and the alarm in a range of 0-10M, the alarm will be triggered, keep alarming for 10s, and stop automatically. The alarming can also be manually stopped. The significant characteris
3、tic of this system is that it is able to show the alarming and alarming numbers at the same time.Key words：alertor SCM AT89C51 PIRsensor目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外现状21.3 研究内容22 系统设计221 设计原理221.1热释电红外传感器介绍22.1.2 AT89C51介绍32.2 设计方案及软硬件设计522.1 概述52.2.2 设计方案62.2.3 系统硬件选择62.2.4 硬件电路实现62.2.
4、5 软件的程序实现62.3问题存在及改进方法93 结论分析与体会9参 考 文 献101 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。然而一些不法分子也是越来越多。这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强.造成偷盗现象屡见不鲜。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。防盗就成了一项重要的课题。红外线防盗报警器是一种智能报警系统，可以大大提高了居民家庭的安全程度，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，通过红外线发射和接受系统来感
5、应是否有人闯入，如果探测到有人闯入，那么系统的声光报警电路会发出警鸣声给人们以提醒。1.1 课题研究背景及意义红外线报警器分主动式和被动式两种1。主动式红外探测器是由收、发装置两部分组成2。发射装置向装在几米甚至于几百米远的接收装置辐射一束红外线，当被遮断时，接收装置即发出报警信号，因此，它也是阻挡式报警器，或称对射式探测器。通常，发射装置由多谐振荡器、波形变换电路、红外发光管及光学透镜等组成。振荡器产生脉冲信号，经波形变换及放大后控制红外发光管产生红外脉冲光线，通过聚焦透镜将红外光变为较细的红外光束，射向接收端。是报警器主动发出红外线，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
6、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。被动式报警器少了一项功能，就是发射红外线。物理学上告诉我们，当物体的温度高于0K的时候，就会发出红外线，换句话说任何物体都能发出红外线3。而其后的原理，被动式报警器和主动式是一样的。 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。 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。然而一些不法分子
7、也是越来越多。这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强.造成偷盗现象屡见不鲜。因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。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。1.2 国内外现状目前，国内市场上的防盗报警系统大部分是国外品牌，如早期的美国安定保、C&K、日本艾礼富、以色列EL等，近几年进入中国市场的加拿大枫叶、德国博世、美国GE等，国内防盗报警产品厂商发展是在2000年以后，特别是在2004年国内有些厂商迅速成长，投资规模和企业规模都在迅速发展和扩
8、大。但是与国外厂商相比还有很大差距。现阶段，大部分工程商安装防盗报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额这主要是因为，在产品供给市场上，绝大部分国外品牌来自美国和日韩，防盗报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国是时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。1.3 研究内容市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构，价格高昂，一般人们难以接受，如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将为大多数需求者所利用，在人们的防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。本
9、实验尝试用价格低廉、应用普遍的AT89C51单片机控制的电路来设计一个被动式对射式的红外线防盗报警器，期望达到方便、实用的效果。2 系统设计21 设计原理21.1热释电红外传感器介绍热释电红外线(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，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。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
10、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。 当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由、组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为，下限截止频率为。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器来进
11、行两级放大，以使其获得足够的增益。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2.1所示, 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。图2.1 热释电红外传感器原理图2.1.2 AT89C51介绍 AT89C51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
12、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。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2.2为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。有图可见，在这一块芯片上，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。下面介绍几个主要部分。外时钟源 外部事件计数振荡器和时序OSC程序存储器4 KB ROM数据存储器128 B RAM/SFR定时器/计数器 2 16 AT89S51 CPU
13、64 KB总线 扩展控制器可编程 I/O可编程全双工串行口内中断 外中断 控制 并行口 串行通信 图2.2 AT89C51 功能方块图1. 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。AT89C51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。2. 内部数据存储器（内部RAM）AT89C51 中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。3. 内部程序存储器（内部ROM）AT89C51 共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。4. 定时器/计数
14、器AT89C51 共有2 个16 位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。5. 并行I/O 口AT89C51 共有4 个8 位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），可以实现数据的并行输入、输出。6. 串行口AT89C51有1 个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。7. 时钟电路AT89C51 单片机内部有时钟电路，但晶振和微调电容需要外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。8. 终端系统AT89C51 的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。它共有5 个中断源：2 个外部中断源/INTO和/INT1 ；3 个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口
15、中断。2.2 设计方案及软硬件设计22.1 概述 开始该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、报警和显示等模块子函数。电路结构做成可划分为：热释电红外传感器、家庭智能报警器、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、本地显示、本地报警等功能。明确任务 选机型，划分软、硬件硬件研制软件设计联机仿真调试排出故障、修正软件固化程序、应用系统独立运行完成研制图 2.3 单片机应用系统研制过程框图2.2.2 设计方案 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外探头电路、报警电路、单片机、复位电路、LED显示控制
16、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2.4总体设计框图所示： CPUAT89C51复位电路信号检测电路LED数字显示报警执行电路LED发光显示放大驱动驱动驱动图2.4 总体设计框图 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 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。当报警延迟一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，然后通过显示
17、报警次数，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10秒钟后有定时器实现自动消除报警。 2.2.3 系统硬件选择从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89C51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位电路等等。元器件清单见附录所示2.2.4 硬件电路实现经分析本设计的电路原理图见附图B所示2.2.5 软件的程序实现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2.5所示入口 初始化 监测外部有无信号输入 N Y 显示报警的次数且启动声光报警电路开始报警 报警是否持续10秒N声光报警结束，LED显示出
18、报警次数 Y 是否还有检测信号等待下次报警 Y N结束图2.5 主程序工作流程图本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释点传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警点路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，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。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图2.6所示；中断源发出中断申请关中断、保护现场INTO/端有输入信号关闭报警 恢复现场、关中断
19、 中断返回 图2.6 中断服务程序工作流程图1. 主程序清单如附录A所示其中，10秒钟的定时采用定时器T0定时工作在方式1 ,单片机晶振Fops=12MHz，所以机器周期T=12t0=12(1/12MHz)=1us 设定时器T0初始值为X，则：(216-X)1us=50ms 从而可知定时器T0初始值X= 65536-50000=15536=3CB0H,在此用50H、51H单元分别进行1秒和10秒的计数，它们内的赋值分别为14H、0AH ，T0的初值置为TL0=0B0H、TH0=3CH。2. 外部中断INTO服务程序： PINT0:CLR EX0 ;外部中断0服务程序开始，屏蔽外部中断 PUSH
20、 PSW PUSH ACC JNB P3.2,LN ;监测是否有中断输入 LN: LCALL DELAY ;延时消抖 JNB P3.2,LN1 AJMP LN2 ; 无中断输入,中断返回 LN1: SETB P3.0 CLR P3.1CLR P1.2 ;使报警结束，绿指示灯亮 POP ACC POP PSW SETB EX0 ;开放外部中断0 LCALL LP ;在中断继续检测是否有输入信号 LN2:RETI 当报警器工作时，当人体移动到距离报警器010M 范围时，即可触发报警器工作，当持续报警10S钟后自动停止报警，也可以手工按键解除报警；在报警的同时也可以显示出报警的次数，以供人员查阅。
21、2.3问题存在及改进方法目前国内使用的各类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。但是由于它所具有的高灵敏度，使得还能鉴别出运动的生物与其它非生物，这意味着该报警器存在着不准确性。为了避免运动的生物与其它非生物的影响，应该在传感器放大电路后设计比较器来避免非人为因素的影响。但由于需要考虑的因素极多，所有该阈值的选择具有极大的不确定性，为其改进增加了难度。3 结论分析与体会该课题总体设计较为复杂，在实验时将会有许多未知因素导致问题的产生
22、，但此设计使我自身的水平有了一定的提高，对单片机的理解更进了一步。我并没有亲自设计这个报警器，但依然可以感觉到这个设计的新颖之处，比如计数系统，可以避免无人在场时无法得知是否有人曾经进入；相类似的还有手动关闭的设置，使人无需一直忍受蜂鸣器的噪声。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, 2007, 4(5): 46.2 朱力恒.电子技术仿真实验的若干讨论J.电子学报， 2006, 8(9): 2021.3 王宜怀.单片机原理及其嵌入式应用J.应用电子学杂志，2008, 1(6): 24.4 李可攀.DIY简易小电路电路J. 北京电子, 2007, 3, 4
23、(9): 79.5 朱定华,戴汝平等.单片微机原理与应用M.北京：北京交通大学出版社，清华大学出版社，2003.附图附录A ：ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 0200HMAIN: MOV IE,#81H ;CPU开放中断，/INT0允许中断 SETB IT0 ;外部中断为边沿触发方式 MOV SP,#30H ;指针入口地址 MOV R0,#00H SETB P3.0 CLR P3.1 MOV P1,#0FFH ;使P1口全部置1 MOV P2,#00H ;P2口清零 CLR P1.2 LP: JNB P1.0,LA ;监测输入信号，是否
24、有输入信号 LA: ACALL DELAY ;延时消抖 JNB P1.0,ALARM ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序 AJMP LPDELAY:MOV R1,0AAH LD2:MOV R2,0BBH LD1:NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RET ALARM:SETB P1.2 ;开始报警使运行正常绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动 MOV A,#00H INC R0 ;报警次数加一 CJNE R0,#0AH,LP1 MOV R0,#00HLP1:MOV A,R0 ;显示报警次数 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P2,A TA
25、B: DB 3FH,06H,5BH,4FH DB 66H,6DH,7DH,07H DB 7FH,6FH;10S钟定时: MOV 50H,#14H ; 1S循环次数20 MOV 51H,#0AH ; 10S循环次数 MOV TMOD,#01H ; 定时器T0定时 方式1 MOV TL0,#0B0H ;置50ms定时初值 MOV TH0,#3CH SETB TR0 ;启动T0 L2:JBC TF0,L1 ;查询记数溢出 SJMP L2 L1:CPL P3.0 CPL P3.1 MOV TL0,#0B0H ;重新赋值 MOV TH0,#3CH DJNZ 50H,L2 ;未到1S继续循环 CPL P3
26、.0 CPL P3.1 MOV 50H,#14H DJNZ 51H,L2 ;未到10S继续循环 SETB P3.0 ;10s到关闭报警 CLR P3.1 CLR P1.2 ;报警结束，正常运行绿指示灯亮 LJMP LP ;循环,继续工作 END附录B编号名称型号数量R1 、R6电阻4.7K2R2、R3、R7R10电阻220R6R4、R5电阻10K2C1、C2电容30pF2C3、C4、C5(极性)电容47uF3D1D6发光二极管LED2绿4红Q1、Q2三极管9015/80502U1 、 U2集成电路AT89C51、74LS041 、1Y1石英晶振12MHZ1K1、K2按键*2LS蜂鸣器8R1Tantou热释电传感器3TR1DS1共阴数码管DISPLAY1JP电源接头3OT1