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基于AT89C51单片机的红外防盗报警器设计 The design for infrared burglar alarm
学生姓名XXXXX
班级XXXXXXXXXXXXXX
学号XXXXXXXX
指导教师XXXXX
目录摘 要 Abstract 目 录 第一章 绪论 1.1 选题背景 1.2 报警系统发展的历史和现状 1.3家庭防盗报警系统未来发展趋势 1.4 设计任务与要求 第二章 主要元器件选择与介绍 2.1 传感器介绍 2.1.1 热释电红外线传感器简单介绍 2.1.2 热释电红外传感器结构 2.1.3 热释电效应 2.1.4 菲涅尔透镜及其基本原理 2.1.5 热释电红外传感器工作原理 2.1.6 热释电红外传感器引脚图介绍 2.2 AT89C51单片机简单概述 2.2.1 AT89C51单片机的结构 2.2.2 AT89C51管脚说明 第三章 系统硬件设计 3.1 整体设计方案 3.2 信号放大电路 3.2.1 主要电路元件介绍 3.2.2 实现功能 3.2.3 原理分析 3.3 比较电路 3.3.1实现功能 3.3.2原理分析 3.4声音报警电路 3.4.1 主要电路元件介绍 3.4.2 实现功能 3.4.3 原理分析 3.5灯光警示电路 3.5.1 主要电路元件介绍 3.5.2 实现功能 3.5.3 原理分析 3.6 显示电路 3.6.1 主要电路元件介绍 3.6.2 实现功能 3.6.3 原理分析 3.7供电电源电路 3.7.1 主要电路元件介绍 3.7.2 实现功能 3.7.3 原理分析 3.8 单片机最小系统 3.8.1 主要电路元件介绍 3.8.2 实现功能 3.8.3 原理分析 第四章 系统软件设计 4.1 单片机程序语言设计 4.1.1 单片机汇编语言程序设计的基本步骤 4.1.2 汇编语言程序设计方法 4.1.3 Keil 简介 4.2 报警系统的程序设计 4.2.1主程序流程图 4.2.2 中断函数流程图 第五章 总结 参考文献 致 谢 附录一：设计编程程序 附录二：硬件电路图
第一章 绪论
1.1 选题背景随着社会科学的不断进步和发展，人们生活水平得到很大的提高，对个人私有财产的保护越来越重视，因而对于防盗的措施提出了更高的要求。本设计就是为了满足现代生活防盗的需要而设计的应用于家庭、车库、仓库和保险柜等处进行防盗监控的无线防盗报警装置。 目前市面上防盗装备主要有开关式电子防盗报警器、压力触发式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或多或少的存在着一些缺点。本设计的红外线探测防盗报警器是基于红外光的不可见性而设计的，具有报警精确度高、误报率低、设备安装隐蔽等特点，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。这种热释电红外传感器可以通过非接触形式的检测接收人体辐射的红外线，并且将其转变为电信号，通过各部分电路进行报警。同时，热释电红外传感器不仅可用于防盗报警装置，也可用于接近开关、制动控制、遥测等各个领域。 1.2 报警系统发展的历史和现状从上世纪初开始，报警系统就已经开始在北美形成雏形。在北美，报警求救箱放置在各个街头巷尾，在求救时发出声响提示，用来寻求附近警察的帮助；这种呼救箱同时直接连接到附近的警察局，使得一些更远的警察也可以接收到求救信息。随后，由于通信技术的发展，提供远程通信技术服务的电报公司开始加入到了这个行业中，使得报警信息可以传送到更远的地方；不过，由于这种电报方式难以普及，所以稍后出现的电话就理所应当的成为报警通信的主要方式。而此后出现的自动拨号系统以及电话迅速的普及，更加使得通过电话报警的方式得到了更加前所未有的发展。 从上面的过程来看，报警行业的出现、发展离不开工业技术发展，只有通过良好的通信手段，才能把个不同地区的报警信息汇聚到不同的相关部门，然后由各个部门负责分配极其有限的警力来帮助所有需要帮助的个体。 目前，对于北美的安全防范产业来说，最成功的经营模式无疑就是联网报警服务模式，联网报警可以将整个北美的安防产业进行从横向到纵向的整合串并，并且形成了一个集多种高科技技术和产业化管理于一体化的综合性产业。比如2011年世界排名第一的北美最大的安防跨国公司一泰科安防（ADT SECURITY）公司，泰科安防已经为全球740多万民用、商业、工业、以及政府部门客户提供安防服务，其中就包括90%的世界财富500强公司。泰科安防的年销售收入高达70多亿美元，经营覆盖了全球40多个国家和地区，提供全面的安防和安全解决方案。现在全世界90%的世界财富500强公司美国50家最大的全国性及区域性银行控股公司中的半数美国72家大中型机场。美国30座最繁忙的机场中，19家使用ADT的服务全球最大的100家零售商中，80%使用ADT的服务。 我国从1979年开始公安部在石家庄市召开了“全国刑事技术预防专业工作会议”，会议上提出要大力开展安全技术防范工作，技防工作作为公安业务的组成部分就从这里开始被正式提出来了。事实上我国的技防工作早在60年代就已经开始出现了，那时候由于形势所迫，银行，博物馆都开始自发的采用各种各样的防范手段，这是我国技术防范工作的初级阶段。 当时采用的手段主要是声控报警。当罪犯撬玻璃和砸展柜时所产生的声音传到值班室时。值班室的人员判断出罪犯正在行窃，并及时报告给领导和有关部门，组织布置保卫人员和警力将犯罪分子包围后并将其抓获。 1982年公安部和公安部第一研究所，根据当时的防盗报警技术为故宫许多的展厅安装了各种主动红外式、被动红外式、超声波式、微波式、声控式等防盗探测器，形成了多种探测手段于一体的防盗报警系统，此时我国的防盗报警技术已经提高到了一个新水平。 1984年以后是安防事业在我国进入了普及和提高的阶段，而且发展迅速。此时各个银行、博物馆、商场、超市、居民小区等都陆续开始建立了各种安全防范系统。 进入90年代以后，人们越加注意到周边安全防范的重要性，慢慢开始利用周边的围墙，铁栅栏等屏障建立了周界防范，如果没有条件形成完整的周界防范，也要建立相应的防范区。在防护区和禁区内采用多种不同探测原理的探测器构筑多道防线，与此同时防遮挡功能的探测器已经问世，进一步促进了入侵探测器技术的发展。 目前，我国的安防技术已经基本上和国际接轨。在现代通信技术、自动控制技术和现代计算机技术的支持下，安防系统已经形成了一个十分完善的计算机控制系统，防盗报警系统，声音系统，电视监控系统，门禁系统和巡更系统等统一由同一台计算机进行调控管理，标志我国的安防事业有迈进了一个新的阶段。 1.3家庭防盗报警系统未来发展趋势随着个人安全防范意识的提高，以及各种智能楼宇建筑的蓬勃发展，现在防盗报警系统的容量也在迅速增大，报警探测器由一开始的几个、十几个增加到了上百、数百个。防范区域面积的扩大、施工布线的复杂、探测器分布位置的后期调整和扩容等等，都对整个防盗报警系统的控制管理方式乃至整个系统设计架构又提出了新的要求。 防盗报警系统中的通讯方式一般包括报警探测器和报警控制器之间的联网，以及报警控制器和控制中心之间的联网。在实际的施工部署过程当中，为了能够更加灵活的搭配探测器的布线和数量，探测器和报警控制器之间大多数仍然采用了传统的开关量信号传输，而报警控制器和控制中心之间的联网则是整个系统是否能够稳定灵活扩展的关键所在。 使用电话线联网的方式运营费用较高、联网速度较慢，为解决多用户同时报警造成线路堵塞的问题，此时接警中心就需要配置多台接警控制器和多路通讯链路。而专用总线联网的方式运营成本较低、联网速度较快，但是覆盖面积范围很小、线路铺设可靠性比较差、传输很容易受干扰。 防范区域的不断加大使得报警系统的监控范围不断延展，这样使得分布在各个不同地区的报警控制器必须要有更完善、更先进的通讯网络来支撑，控制中心的安保监测人员才有能力对整个系统内的所有探测器的报警状态进行全面了解，传统的联网方式在面对这类情况的变化时已经难以为继，此时以联网报警技术的出现则使得这一要求的实现成为了可能。 防盗联网报警是一种“人防、技防、物防”三防相结合的安全防范体系，是目前安防界公认的最为有效的安全防范措施。联网报警的应用广泛，用户花非常低的投入就可以获得全方位、全天候的安全防范措施。为用户提供全天24小时值班，同时提供巡防、接警、出警等服务，最大程度保障用户的安全。若期间产生相关财产损失，损失的部分将按照联网报警服务中心为用户赠送的保险取得相应赔偿。在我国很多城市，联网报警已经成为了社会安全防范的重要举措。其技术发展的主要方向主要有以下几点。 （1）联动集成化 多系统多平台的集成已经成为安防系统发展的一个主要方向，防盗报警系统也不例外。其中，对报警信息进行视频复核的强烈市场需求使得防盗报警系统与视频监控系统之间实现集成联动最具必要性。如果监控区域内出现警情，安保人员一般不可能迅速出现在现场，如果同时出现多处警情，也无法分身去多个地方。如果防盗报警系统能够联动视频监控系统，就可以在控制中心即时观察报警现场的实时情况，准确识别复核是否有入侵行为还是误报，自动记录报警时间和位置信息、自动进行视频抓拍和录像以及通知相关执法部门。 有赖于科技强警和平安城市建设的显著成效，许多一线中心城市已经做出了部署20万甚至30万摄像头的构想和规划，部分社区和区域已初步建立起“覆盖到面、监测到线、控制到点”的全天候、多功能科技防范网络体系。在已建成的图像信息采集设备中，政府投资建设的仅占很小比例，大部分都是金融单位、学校、商场楼宇、宾馆酒店、企业内部和居民社区等社会力量投资建设的监控系统，大量的业主可支配控制的摄像机的安装使用使得视频复核的难度大幅降低，而矩阵、DVR、第三方综合管理软件等各类主控设备和平台，在智能化联动处理方面的功能完善也简化了集成管理的复杂度。 （2）传输IP化 此外，由于目前大多数中小型防盗报警系统的业主尚未接受报警服务收费的消费观念，接警中心的主要服务客户便集中在银行、文博、学校等重点防范单位。普通用户只能自行管理使用防盗报警系统，而诸如即时报警、延时报警、24小时防区等专业报警主机的复杂功能设置很难全面掌握，更不用说快速应用，通过与视频监控系统的绑定，则可以简化系统使用难度，让使用者通过直观简便的图像观察与报警探测结合起来进行日常安保工作。报警信息数字化，不仅可以解决报警信息数据的多系统多平台共享问题，还可以减少数据传输过程中受到的误报干扰。误报警是指在没有出现危险情况时，报警系统发出了报警信号，引起误报的原因包括报警技术是否先进、报警探测器是否合格、系统设计是否周全、施工环节是否合理、用户使用是否正确等。而在报警信息传输过程中的环境影响(比如报警通讯线路与动力线/照明线等强电间距过小时且未采取防电磁干扰措施)，通过IP化处理就可以大幅削弱。 目前大多数平台系统的数据接口还是传统的RS-232/485/422格式，在实时性、准确性、可靠性、交互性等方面上均有不足，而以太网通讯技术对于串口通讯是一种比较彻底的技术革新。以太网的优势在于不仅传输距离不限、数据传输速率高、采用标准的通讯协议，网络底层具有CRC校验、重发机制，协议上层增加了可靠的握手协议，保证了数据的可靠性。在网络上传输时，通讯数据采用了加密传输，同时对发送数据端进行身份识别，隔离了外界的干扰，保障了通信的稳定。将报警信息用标准的TCP/IP协议封装后，由于指令规范，与监控、消防、楼控、门禁等平台的集成融合更灵活更先进。基于TCP/IP方式的网络通讯，还可以通过在线检测缩短故障范围，快速排查问题节点。 IP化的技术风潮已经席卷安防各子系统，百万像素摄像机、网络视频编解码器、智能网络矩阵、网络门禁、智能视频分析等，防盗报警系统也要应需而变，将通过光电生物探测技术获知的入侵行为转化为数字信息，提供给其它子系统进行综合处理。 1.4 设计任务与要求（1）该设计包括硬件设计和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、中断控制、报警等模块组成。 (2)本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路、报警器及相关的控制管理软件组成。 (3)系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,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、比较电路送至门限开关，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。 (4)红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点是能有效判断是否有人员进入。至于报警可采用声光信号。
第二章 主要元器件选择与介绍2.1 传感器介绍现在有关家庭防盗的传感器种类非常多，有门磁传感器、红外线反射开关无线探头、振动位移传感器、人体热释电传感器、雷达波人体检测无线探头等等。本系统考虑到不仅要满足可靠性探测的需求，同时还需要考虑安装操作简便和经济实用，所以本设计选用了人体热释电红外传感器完成防盗监测。当盗贼企图从门窗进入室内进行盗窃时，人体热释电传感器可以检测到人体移动的红外信号，从而进行报警。 2.1.1 热释电红外线传感器简单介绍热释电红外线(PIR)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。
2.1.2 热释电红外传感器结构热释电红外传感器系统主要有光学系统、热释电红外探测头、信号滤波和放大、信号处理电路等几部分组成。其组成框图如图2-1所示：
2.1.3 热释电效应由于温度的变化,热释电晶体和压电陶瓷等会出现结构上的电荷中心相对位移,使它们的自发极化强度发生变化，从而在它们的两端产生异号的束缚电荷,这种现象称为热释电效应。具有这种性质的材料称为热释电体。压电陶瓷属于热释电体。若不考虑温度的不均匀性,热释电体一般具有一级和二级热释电效应。其中二级热释电效应是由于温度变化引起材料形变,再由压电效应产生电荷的二级效应。一般情况下,若温度变化率相同,升降温过程中产生的热释电电荷大小相等,但符号相反。 2.1.4 菲涅尔透镜及其基本原理菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域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。 菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度，如图2-2。 图2-2 传统透镜到菲涅尔透镜结构的变化 另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。如图2-3。 图2-3 塌陷到平面 从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。 简单地说，菲涅尔透镜一面是平坦的，另一面是凸起的。人们首次使用菲涅尔透镜是在18世纪初，当时它被用在灯塔的探照灯上，聚焦射出来的光束。当人们需要一面又薄又轻的透镜时，塑料菲涅尔透镜便派上了用场。尽管成像质量不如玻璃透镜，但是在很多应用中我们并不需要完美的图像质量。 菲涅尔透镜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。 2.1.5 热释电红外传感器工作原理本设计所用的热释感器就采用的是双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如 图2-4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2-4 热释电红外传感器原理图 2.1.6 热释电红外传感器引脚图介绍本系统采用的热释电红外传感器成品的引脚示意图如图2-5所示，引脚功能如下： 数字1脚：电源负极 数字2脚：信号输出，高电平有效，4～6V和工作电压有关 数字3脚：电源正极 DC6～9V W1：灵敏度调整 W2：输出延时调整 5～120秒 图2-5 热释电红外传感器的引脚示意图 它的技术参数如下： 1、工作电压：DC6～9V 2、电平输出：和电源电压相同 3、感应角度：水平：90～140度；垂直：15～30度 4、静态电流：小于750μA 5、无信号输出：0V 6、感应距离：0.5～15米 7、外形尺寸：28mm×38mm 高25毫米（最高点） 8、输出电平：4～6V与工作电压有关 9、工作时间：可调5-120秒范围 当探测器检测到异常的情况，由2脚输出一个高电平，发送到单片机上，单片机做出报警处理。
2.2 AT89C51单片机简单概述2.2.1 AT89C51单片机的结构AT89C51单片机是美国Atmel公司生产的一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。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，同时也为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图2-6为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。由图可知，在这一块芯片中，集成了一台微型计算机的各个主要组成部分，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。
外时钟源 外部事件计数  外中断 控制 并行口 串行通信 图2-6 AT89C51 功能方块图 2.2.2 AT89C51管脚说明ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。 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FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH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。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 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 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（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） P3.7  （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。 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/  ：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。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。 PSEN：外部程序存储器的选通信号端。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。  /VP：当  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，  将内部锁定为RESET；当 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。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
第三章 系统硬件设计3.1 整体设计方案该设计硬件电路的结构框图如图3-1所示，它由红外线探测器、信号放大电路、比较电路、延时电路、显示电路、报警电路和稳压电源组成。
图3-1 红外无线防盗报警器的结构框图 红外线探测器由主动式和被动式红外线探测器组成，主动式红外线探测器由红外发光管和接收管组成，被动式红外探测器由红外热释电传感器组成。探测器探测到的微弱信号经过信号放大电路的放大，传输到比较电路，比较电路将探测器探测到的信号与参考值进行比较，除去信号中的干扰信号，提高报警的准确性，比较电路输出的信号传输到报警电路触发报警电路报警。报警电路有声、光报警两种方式组成，并且将声、光报警进行延时，为防止主人启动电路或调试报警器时报警，电路中设计了开机延时电路，为防止交流电网停电或入侵者切断交流电，该报警器配有交流电源和直流电源，直流电源有蓄电池提供，并且交流电源和直流电源可以自动切换。本报警器属于多路探测报警器，探测器有两种类型，可以根据所要监测的区域特点进行选择使用，同时显示报警部分可以显示发生报警的监测区域。硬件电路图见附录二所示。其中，各部分电路设计如下。 3.2 信号放大电路3.2.1 主要电路元件介绍LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-2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，“Vo”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Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-3。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
3.2.2 实现功能当有人闯入时，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，然后经放大电路将电信号放大传给单片机。其电路原理图设计如图3-4所示。
图3-4 信号放大电路 3.2.3 原理分析热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.1~10HZ，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60~70dB,带宽0.3~7HZ。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3-4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。 放大器要求： 增益：60~70DB 带宽：0.3~7HZ 工作原理： 放大电路的电压增益为： A=1+2πfR12C4/(1+2πfR7C4)(1+2πfR12C4) 一般要求放大电路的增益为65Db。 电路的上下限截至频率为： FH=1/R12C7,FL=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。 3.3 比较电路3.3.1实现功能电压比较器的作用是将一个模拟电压与一个参考电压相比较。在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变。其电路原理图如图3-5所示。 图3-5 比较电路
3.3.2原理分析本系统应用LM324剩余的两个集成运算比较器构成了一个双限电压比较器。如图3-5所示：基准电压分别由(R6+R14)和R14分压提供。当输入电压VO1<5引脚电压时，比较器输出高电平；当VO1>13脚电压时，比较器也输出高电平。而当5引脚电压<VO1<13脚电压时，比较器输出低电平。如图3-6所示： 图3-6 当人体通过菲涅尔透镜组成的传感器现场时，传感器输出一交变信号。其变化幅度大于13引脚电压，小于5脚电压，才能使比较器输出高电平，否则为低电平，而前级放大器静态时输出电压基本为1/2VCC，处在5引脚和13引脚电压之间，故比较器输出为0。所以两引脚电压的差值越接近1/2VCC，电路的灵敏度越高，但容易因噪声干扰产生误动作，若两引脚的差值远离1/2VCC，电路的可靠性将提高，但灵敏度降低。一般基准电压可按下列式子来计算： V差值=（4~5）VN 式子中VN为噪声电压。传感器给出的噪声电压，是指传感器噪声输出的信号经过70dB以上的放大后的噪声电压的峰-峰值。本产品的噪声电压大约为80mV,所以有V差值=（4~5）80mV=320~400 mV.这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。 3.4声音报警电路3.4.1 主要电路元件介绍三极管SS8050是一种常用的普通三极管。 它是一种由硅制作的低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管。
3.4.2 实现功能此电路通过接受单片机传送来的电平信号，驱动高音报警器使高音喇叭发声从而达到报警效果。其电路原理图设计如图3-7所示。 图3-7 声音报警电路
3.4.3 原理分析如下图3-7所示：高音报警电路选用12V的高音喇叭作为报警装置，使用SS8050大功率三极管做驱动电路，当SPK为高电平时，三极管导通，传送信号至高音报警器使高音报警器发声报警。反之则截至。本系统中经过软件设置使报警器真实模拟了声音频率均匀拉高，还原、再拉高的过程。形成频率在976~1945Hz之间平滑递增的声音效果。实现报警器声音非常逼真。
3.5灯光警示电路3.5.1 主要电路元件介绍继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 1） 扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。 2） 放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。 3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 4） 自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
3.5.2 实现功能此电路通过接受单片机传送来的电平信号，驱动灯光警示电路使炫目灯亮起从而达到报警效果。其电路原理图设计如图3-8所示。 图3-8 灯光警示电路 3.5.3 原理分析如图3-8所示：这里我们选用12V的炫目灯做灯光警示电路，因炫目灯在正常工作状态下电流比较大，所以这里我们选用使用继电器控制其开关的方案。这里我们照样使用三极管驱动继电器工作。 并联在线圈的两端的是续流二极管，线圈在通过电流时，会在其两端产生感应电动势。当电流消失时，其感应电动势会对电路中的原件产生反向电压。当反向电压高于原件的反向击穿电压时，会把原件如三极管，等造成损坏。续流二极管并联在线两端，当流过线圈中的电流消失时，线圈产生的感应电动势通过二极管和线圈构成的回路做功而消耗掉。丛而保护了电路中的其它原件的安全。 在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不是立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管。 3.6 显示电路3.6.1 主要电路元件介绍我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。其原理图如3-9。 图3-9 八段数码管引脚图 其中引脚图的两个COM端连在一起，是公共端，共阴数码管要将其接地，共阳数码管将其接正5伏电源。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。
3.6.2 实现功能本系统使用共阴极数码管做为状态显示电路，在正常无人非法闯入室内时数码管的DP点闪烁，若有人闯入数码管则显示E来提示有人非法闯入。电路原理图如图3-10所示。 图3-10 显示电路 3.6.3 原理分析在这里，串联的几个470欧电阻是限流电阻。因为数码管是由发光二极管按照一定的顺序排列制成的元件，每个发光二极管的内阻非常小，正常工作电流大致在10~25mA，如不串入限流保护电阻，直接连接很有可能瞬间烧坏数码管。我们可以依公式来计算出限流电阻的阻值：R=U/I;其中U=5V,I=（10~15）mA,可得R=330~500欧。这里我们选用典型值470欧。10K电阻为上拉电阻，以保证P0口可以输出高电平。当P0口输出高电平时其对应的发光二极管导通，二极管亮，P0口0-7根据不同的电平输入显示不同的数值。
3.7供电电源电路3.7.1 主要电路元件介绍L7805CV是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别，用的最多的还是7805，下面我简单的介绍一下他的3个引脚以及用它来构成的稳压电路的资料。如图3-11所示，其中1接整流器输出的+电压，2为公共地(也就是负极)，3就是我们需要的正5V输出电压。 图3-11 L7805CV引脚图
3.7.2 实现功能通过此电路为整个电路各个模块提供其工作所需电压。其电路原理图设计如图3-12所示。 图3-12 供电电源电路 3.7.3 原理分析如下图3-12所示，本系统采用L7805CV来做电压芯片，因为其输出电流可达1.5A,可满足本系统各个电路部分5V的供电电压。 在电源的两端并联的大电容和小电容起滤波作用。大电容是滤除低频，小电容是滤除高频。在其两端再并入同系列的大小电容可获得很宽频率范围的滤波特性。 3.8 单片机最小系统3.8.1 主要电路元件介绍石晶振荡Y1（石英晶振即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称），它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电..的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。
3.8.2 实现功能通过振荡得到一个稳定的时钟频率。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。其电路原理图设计如图3-13所示。 图3-13 单片机最小系统 3.8.3 原理分析如下图3-13所示，单片机的采用得是5V电源供电，时钟电路（也就是振荡电路）采用的是11.0592MHZ晶振，它可以向单片机提供一个正弦波信号作为基准，来决定单片机的执行速度。图中的电容起稳定作用。其复位电路采用的是混合复位电路，在上电的时候就会自动复位，也可进行手动复位。这样就可以方便在单片机死机的时候进行重启。
第4章 系统软件设计4.1 单片机程序语言设计4.1.1 单片机汇编语言程序设计的基本步骤单片机汇编语言程序设计的基本步骤如下： (1) 设计任务的分析、确定思路或算法。 (2) 程序的总体设计并画出流程图。 (3) 编写源程序。可在编译软件下编程，要求简练、层次清楚、字节数少和执行时间短等。 (4) 源程序的汇编和调试。 (5) 编写程序说明文件。 4.1.2 汇编语言程序设计方法(1) 汇编程序的基本结构总是简单程序、分支程序、循环程序、查表程序、子程序、中断程序等结构化的程序模块有机组成的。 (2) 划分功能模块进行设计。 (3) 自上而下逐渐求精。 4.1.3 Keil 简介Keil uVision2是德国Keil公司开发的一款关于8051系列MCU的开发工具，它支持汇编、C语言及混合编程，是一种集成化的文件管理编译环境，可用来编译程序源码、链接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等。Keil uVision2具有强大的仿真功能，可不接硬件电路直接进行用户程序仿真，也可利用硬件仿真器(用Monitor51协议，需硬件支持)，通过连接单片机硬件电路，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真调试。 在keil uVision2 中编制程序： (1)新建项目。启动uVision2，选择Project→New Project菜单项，打开对话框，输入项目文件名并选择保存路径。项目文件保存完后，弹出Select Device for TARGET‘TARGET1’对话框，是新建项目的CPU元器件选择，选AT89S52。 (2)在项目中添加源程序文件。在菜单中选择File→New，新建源程序文件。输入源程序，然后把程序保存在项目所在的目录中，为文件取一个名，若是C语言编写的程序，扩展名为.C，若是汇编语言编写的程序，扩展名为.ASM。接下来，将该文件添加到项目中，用鼠标在屏幕左边的Source Group1文件夹图标上右击弹出菜单，选择Add File to Group‘Source Group1’命令，弹出文件窗口，选择刚刚保存的文件，按ADD按钮，关闭文件窗口，程序文件即可加到项目中。 (3)项目的编译、链接。将光标指向项目窗口中的文件名，并右击，在快捷菜单中选择Build target选项，uVision2将自动完成对当前项目中所有源程序模块的编译、链接，得到.HEX目标文件。 4.2 报警系统的程序设计4.2.1主程序流程图如下图4-1所示:在开机后，单片机首先进行初始化，将数码管、高音警报器、炫目灯等外设关闭，同时将中断总允许位、外部中断0允许位和定时计数器T1开启，关闭外部中断1允许位和定时计数器T0。其中布防/撤防按键用来触发外部中断0，热释电传感器用来触发外部中断1，外部中断1允许位的开启与关闭由外部中断0来控制。方便对报警器进行布防与撤防功能。定时计数器T0用来控制高音报警器的发音频率以使其发出逼真的报警声；定时计数器T1用作延时函数。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图4-1所示；
4.2.2 中断函数流程图下图4-2、4-3为中断函数流程图： 第五章 总结本设计采用KeilC51开发系统，完成了各个程序模块规划及各模块的设计与编程，同时实现了对整个信号处理过程的编程与调试。它具有使用简单、功能齐全、性价比高等一系列特点，是一种经济型、实用型的家庭防盗报警系统。 本设计研究了一种基于单片机技术的红外无线防盗报警器。该防盗报警器通过以单片机AT89C51为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能够有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。
致 谢此次论文的整个过程是在袁康敏老师悉心指导下完成的。袁老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对学生尽职尽责的教导都给我留下了十分深刻的印象。在此，我向袁老师表示衷心的感谢! 通过本次毕业设计，我增强了理论与实践结合的能力，设计过程中遇到各种问题在指导老师的帮助下得以解决，锻炼了我的意志，更使我增强了信心。 论文工作即将结束，回顾四年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。在这个温馨和睦的集体中，我们团结互助，才取得了今天的成绩。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢! 再次衷心感谢在百忙之中指导我完成论文和参加毕业答辩的各位老师。
附录二：硬件电路图
单片机源程序如下:
- //**********************************
- //名称：家庭防盗报警系统程序
- //**********************************
- #include <reg51.h>
- #define uint unsigned int
- #define uchar unsigned char
- sbit spk=P1^2;
- sbit led=P1^0;
- uchar FRQ=0x00;
- sbit star=P0^7;
- /*****延时函数，定时/计数器T1****/
- void delay(uint t)
- {
- uint i;
- for(i=0;i<t;i++)
- {
- FRQ++;
- TH1=(65536-20000)/256;
- TL1=(65536-20000)%256;
- while(!TF1);
- TF1=0;
- }
- }
-
- /*****定时器T0中断函数*****/
- void T0_INT() interrupt 1
- {
- TH0=0XFE;
- TL0=FRQ;
- spk=~spk;
- }
-
- /*****外部中断1，检测到传感器信号后进行报警控制*****/
- void EX1_INT() interrupt 2
- {
- P0=0X79; //数码管显示E,表示有人传入
- led=1; //炫目灯开启
- TR0=1; //开启定时中断0允许位
- delay(1000);
- TR0=0; //关闭定时中断0允许位
- P0=0X00;
- led=0;
- spk=0;
- }
-
- /*****外部中断0.布防/撤防功能*****/
- void EX0_INT() interrupt 0
- {
- EX1=~EX1; //开启/关闭外部中断1允许位
- P0=0X00;
- led=0;
- spk=0;
- }
- /*****主函数*****/
- void main()
- {
- P0=0X00; //置数码管黑屏
- led=0; //关闭炫目灯
- spk=0; //关闭高音报警器
- EA=1; //开启中断总允许位
- EX0=1; //开启 外部中断0允许位
- EX1=0; //关闭 外部中断1允许位
- ET0=0; //关闭 定时中断T0允许位
- ET1=1; //开启 定时中断T0允许位
- IT1=1; //设置外部中断1触发方式为下降沿
- IT0=1; //设置外部中断0为触发方式为下降沿
- TMOD=0X11; //定时/计数器工作在模式1中
- TH0=0X00; //对定时计数器T0赋初值
- TL0=0XFF;
- TR0=0; //关闭定时/计数器T0,由外部中断1控制开启
- TR1=1; // 开启定时计数器T1
- while(1)
- {
- star=!star;
- ……………………
- …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件…………
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