传感器课程设计-基于单片机的红外报警系统设计大学论文

传感器课程设计

基 于 单 片 机 的 红 外 报 警 系 统 设 计4

2016年6月

目录

一、设计要求 ................................................................................................................................... 1

1、存在的问题 ......................................................................................................................... 1 2、选题依据 ............................................................................................................................. 1 3、基础知识 ............................................................................................................................. 1

3.1热释红外传感器简单介绍 ......................................................................................... 1 3.2 STC89C51单片机的简单概述 .................................................................................. 2 3.3 STC89C51单片机的管脚说明 .................................................................................. 3 3.4 STC89C51单片机的主要特性 .................................................................................. 6 3.5 STC89C51单片机的工作周期 .................................................................................. 6

二、基本原理 ................................................................................................................................... 7 三、硬件电路设计 ........................................................................................................................... 8

3.1实现的功能 ......................................................................................................................... 8 3.2各功能模块设计方案 ......................................................................................................... 8

3.2.1声光报警模块： ...................................................................................................... 8

3.2.2数码显示模块： ...................................................................................................... 8 3.2.3红外探测器模块： .................................................................................................. 8

3.3主机电路设计 ........................................................................................................................... 10

3.3.1主机部分 ........................................................................................................................ 10 3.3.2内部时钟电路的设计 .................................................................................................... 11 3.3.3外部时钟电路的设计 .................................................................................................... 11 3.3.4蜂鸣器电路的设计 ........................................................................................................ 12 3.3.5复位电路的设计 ............................................................................................................ 12 四、软件设计 ................................................................................................................................. 14

4.1主程序流程图 ................................................................................................................... 14 五、结论......................................................................................................................................... 14 六、心得体会 ................................................................................................................................. 15 七、参考文献 ................................................................................................................................. 15 安装调试实验报告 ......................................................................................................................... 16 电路原理图、印制板图 ................................................................................................................. 16

原理图..................................................................................................................................... 16 实物图..................................................................................................................................... 17 元器件清单..................................................................................................................................... 18 程序清单......................................................................................................................................... 19

正文

一、设计要求 1、存在的问题

现如今，治安问题已然非常严重。小偷小摸、入室抢劫这类事情发生频率非常高。这就需要在建筑物周围以及内部重点区域安装防盗装置。

世面上已有的报警装置都存在着一些漏洞，所以结合已存在的报警装置，取长补短，设计出一种简单有效、性能良好的红外探测报警装置。

本设计的报警系统所使用的红外线是不可见光，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。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，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。

2、选题依据

随着时代的进步、科技的发展，人们对生活的品质的追求越来越高，也对安全问题越来越重视。人们需要一种简单有效的家庭防盗报警系统，能可靠的保护家庭安全，若有情况可以立即发现并及时向主人发出信号，将险情扼杀在摇篮中，或是减小损失。这样即使出门在外，人们也可以安心的工作、娱乐。因此，家庭防盗报警系统的需求量很很大的，也很重要。

3、基础知识

3.1热释红外传感器简单介绍

热势红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测原件。是一种能检测人体的红外线而输出电信号的传感器，它能组成放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共外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。如图所示为热释电红外传感器的内部电路框图。

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热释电红外传感器内部电路框图

3.2 STC89C51单片机的简单概述

STC89C51单片机的结构

STC89C51单片机是美国Stcmel公司生产的低电压，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),器件采用Stcmel公司的高密度、非异失性存取技术生产，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】。STC89C51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STC89C51单片机的基本组成功能方块图。由图可见，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。

STC89C51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，具有运算和控制功能。

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STC89C51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.数据存储器（内部RAM）

芯片中共有256B的RAM单元，但其中后128个单元（80H-0FFH）被专用寄存器占用，能作为寄存器提供用户使用的只是前128个单元（00-7FH），用于存放可读写的数据。

因此常说的内部数据存储器是指前128个单元，简称内部RAM。 3.程序存储器（内部ROM）

芯片内部有4 KB的掩膜ROM，可用于存放程序、原始数据和表格等，因此称为程序存储器，简称内部ROM。

4. 定时器/计数器

出于控制应用的需要，芯片内部共有两个16位的定时器/计数器以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。

5. 并行I/O 口

STC89C51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

STC89C51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。该串行口功能较强，既可以作为全双工异步通信收发器使用，也可以作为同步移位寄存器使用。

7.中断控制系统

STC89C51 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个串行口中断。

8. 时钟电路

STC89C51 单片机芯片内部有时钟电路，但石英晶体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，系统允许的最高晶振频率为12MHz。

9. 内部总线

上述部件只有通过内部总线将其连接起来才能构成一个完整的单片机系统。总线在图中以带箭头的空心线表示。

系统的地址信号、数据信号和控制信号分别通过系统的三大总线—地址总线、数据总线和控制总线进行传送，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。

STC89C51 较详细的内部结构如图2-3所示。

3.3 STC89C51单片机的管脚说明

STC89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图2-4所示。STC89C51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。

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。

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

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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（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下所示：

STC89C51 内部结构框图

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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 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（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。

STC89C51引脚图

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/PROG：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。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/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。/EA/VPP:当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平 时，此

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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（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.4 STC89C51单片机的主要特性

与MCS-51 兼容

4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器 5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路

3.5 STC89C51单片机的工作周期

单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图2-5所示。

这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期。

振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期

振荡周期：是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。

状态周期：每个状态周期为振荡周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为P1、P2。

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机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期S1~S6, 也就是12个振荡周期。在一个机器周期内，CPU可以完成一个独立的操作。

指令周期：它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。

二、基本原理

该设计主要包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、报警模块和显示模块等模块。该系统主控制模块用单片机做为核心，报警方式是传统的声光报警；显示方式采用数码显示，按键方式采用中断矩阵键盘，传感器采用热释电红外传感器。

传感器技术是信息采集技术的第一步，它通常由敏感元件和转换元件组成，敏感元件，是传感器能直接感受输入量的部分。转换元件，是传感器能把敏感元件接收到的部分转换成可用信号。

传感器的应用：

信息采集。对于一些特别的要求，需要检测目标状态的存在，在一定的状态下信息转换为数据，对装置和系统进行监测。

信息数据的交换。把多种形式的信号，如图形、文字等，显示在纸上或显示在胶片上的信息，转换成电脑、传真等仪器可接收的信号，实现了各种媒体之间的变换。

控制信息采集。由系统的状态信息控制系统的工作状态，或在目标跟踪系统的变化。

该系统不仅能满足可靠检测的需求，也需要经济，实用，安装简单，所以选择无线人体热释电红外传感器进行安全监测，当小偷试图进入室内的门窗，无线人体热释电传感器可以检测到的红外信号的人体运动。

在智能防盗报警的领域，被动红外热释电探测器具有非常广泛的应用，它成本低，性能比较稳定，受到了广大用户的好评和青睐。

被动式热释电红外探测器的工作原理： 在自然界中，任何高于绝对温度的物体会有红外光谱，不同温度的物体辐射出的红外线波长是不同的，所以红外波长与温度有关。人体的温度一般稳定在37℃，所以辐射出的红外线波长约为10微米，被动红外探测器检测到人体发出的10微米线，通过菲泥尔滤波光片增强聚集在红外感应区。红外感应源通常采用一些热电元件（强介电材料如钛镐酸铅，钛酸钡等），它们随着外界辐射温度发生变化而失去电荷平衡，释放电荷，电荷的变化最终以电信号的形式输出，后续电路处理后产生报警信号。

人一旦入侵检测区，通过对反射镜聚集到人体的红外辐射，热释电元件接收的能量发生变化，热释电也不同，不能抵消，信号处理后报警。

抗干扰性能：

在高度上防小动物干扰，在频率上抗电磁干扰，安装时应远离空调，炉灶等空气温度变化大的地点。

振动位移传感器：

全固态控制装置的振动和位移测量，是目前检测和报警的最佳选择，加速度传感器部分采用先进的固体状态检测装置，已经具有很高的检测灵敏度，对于周围环境中声音信号的抑制能力，抗干扰能力强，可广泛应用于汽车、门等需要防

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盗的位置，内部有特殊的控制芯片，应用非常方便，可直接进行小功率负载。

三、硬件电路设计

系统硬件设计，包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有单片机的选择、主机电路的设计、传感器的选择、报警电路的设计。

3.1实现的功能

采用红外传感器，把红外传感器放在门上，一旦发现有人入室行窃，通过单片机控制蜂鸣器响起来以此来提醒主人家遭非法入侵了。

3.2各功能模块设计方案

3.2.1声光报警模块：

当单片机收到信号检测电路传来的入侵信号后，通过LED和蜂鸣器发声，发光二极管发光，通过软件控制相应的单片机引脚变化从而实现相应的动作。 3.2.2数码显示模块：

为实现显示入侵时间，选用了2个四位一体数码管，分别用来显示：小时、分钟、秒。为了简化电路，采用数码管动态显示，通过软件编写程序。 3.2.3红外探测器模块：

采用红外探测器，当有人通过探测模块，则向单片机引脚发送报警信号，由

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软件监测报警信号并进行相应处理。

方案一：主动式红外探测器

主动式红外探测器原理：主动式红外探测器分为发射(投光器)?和接收(受光器)两部分，投光器和受光器之间投射红外光，当有入侵发生时，投光和受光器之间的红外光被阻断，触发报警。使用的红外线是波长在700nm到1000um这间的电磁波(比红外波长长的是波，比红外波长短的是可见光)。人眼是看不到红外线的，但特殊材料可以感应到，也可以成像。目前直线探测距离可做到室内25m室外75m，其优点是灵敏度高，具有较高的光学特性。特别在雨、雾、霜等遮挡射束光强度时（甚至遮挡射束强度99%），探测器仍能正常工作。具备防水、防尘、防震、拆卸、防破坏功能。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵[4]。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

方案二：被动红外入侵探测器

被动式红外探头的工作原理：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。被动式报警探测器易于布防、价格便宜而被广泛应用。

综合各方因素，经过分析与比较，我们发现被动式报警探测器探测性能较好、易于布防、价格更便宜，所以在本次设计中，我们采用方案二的被动红外入侵探测器。

工作电压：DC5V至20V 静态功耗：65微安

电压输出：高3.3V，低0V

延时时间：可调（0.3秒到10分钟） 封锁时间：0.2秒

触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H 感应范围：小于120度锥角，7米以内 工作温度：-15到+70度 PCB外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm，感应透镜尺寸：（直径）：

23mm（默认）

应用范围：走廊、楼道、卫生间、地下室、仓库、车库等场所的自动照明、排气

扇的自动抽风以及其他电器（如白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机）特别适用于企业、宾馆、商场、库房敏感区域安全区域和报警系统。还可用于防盗等用途。

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3.3主机电路设计 3.3.1主机部分

报警器的主机采用STC89C51单片机是将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也日渐强大，运算速度日益提高相继出现了32位和64位单片机，但根据实际系统的需要和产品的性价比，本文选用STCMEL公司的8位单片机STC89C51，构成系统的主机。

主机部分的电路原理图如图3-1所示，它由复位电路、震荡电路、蜂鸣器、共阴极7段数码管组成。

引脚P1.0和P1.4分别接到传感器的输出端，用以检测异常情况，以便进行报警处理。

下图中控制单元为STC89C51单片机。

主机部分原理图

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3.3.2内部时钟电路的设计

STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-4所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值得大小可对频率起微调的作用。

下图为内部方式时钟电路。

内部方式时钟电路

3.3.3外部时钟电路的设计

外部方式的时钟电路如图所示，XTAL接地，XTAL2接外部振荡器。

外部时钟电路

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3.3.4蜂鸣器电路的设计

本系统的蜂鸣器报警电路如图3-7所示，蜂鸣器用一个三极管8550来驱动。 单片机引脚P2.7接8550的基极输入端。当P2.7输出低电平1时，三极管导通，蜂鸣器两端获得约+5V的电压而鸣叫；当P2.7输出高电平0时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

蜂鸣器电路

3.3.5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

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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。使用晶振频率为24MHz时，则复位信号持续时间不大于2us。

本设计采用的是外部手动按键复位电路。该复位电路链接单片机的RESET引脚，如图所示。

复位电路图

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