基于單片機的紅外報警系統(tǒng)

廣東海洋大學寸金學院 杜永峰

1.前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對防盜系統(tǒng)提出了新的要求。本系統(tǒng)是結(jié)合傳統(tǒng)報警系統(tǒng)的優(yōu)點和人們對現(xiàn)代報警系統(tǒng)的需求設計的適用于小型設備的電子報警系統(tǒng)。

本設計采用熱釋電紅外傳感器，它能以非接觸形式被動地探測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，送至單片機，經(jīng)單片機軟件處理后，驅(qū)動報警電路執(zhí)行報警。它制作簡單，成本低安裝方便，抗干擾能力強，隱蔽性強不易被盜賊發(fā)現(xiàn)，廣泛應用于報警，檢測，遙控等領域。原理圖如圖1所示：

圖1 基于單片機的紅外報警系統(tǒng)原理圖

2.總體思路設計

本設計包括硬件和軟件設計兩部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、報警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：熱釋電紅外傳感器、報警器、單片機控制電路、LED控制電路及相關的控制管理軟件組成。用戶終端完成信息采集、處理、數(shù)據(jù)傳送、功能設定、本地報警等功能。

此設計以單片機為核心模塊，單片機就是設計的中心單元，因此系統(tǒng)也是單片機應用系統(tǒng)的一種應用。單片機應用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入/輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統(tǒng)。

圖2 總體設計框圖

從設計的要求來分析該設計須包含如下結(jié)構(gòu)：熱釋電紅外傳感探頭電路、報警電路、單片機、復位電路及相關的控制管理軟件組成；它們之間的構(gòu)成框圖如圖2所示：

處理器采用51系列單片機AT89C51。整個系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經(jīng)放大電路、反相器送至至AT89C51單片機。經(jīng)單片機內(nèi)部處理發(fā)出入侵報警狀態(tài)控制信號。

軟件是各種工作程序的總稱。單片機應用系統(tǒng)的研制過程包括總體設計、硬件設計、軟件設計、在線調(diào)試等幾個階段，就本設計來說也包括這些過程。

3.基礎知識介紹

3.1 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路[2]。如圖3所示為熱釋電紅外傳感器的外觀和內(nèi)部電路框圖。

圖3 熱釋電紅外傳感器的外觀和內(nèi)部電路框圖

3.2 AT89C51單片機簡單概述

AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存取器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)設置通用8位中央處理器(CPU)FLASH存儲單元，功能強大。AT89C51單片機可為您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。為此，本設計選用AT89C51。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 AT89C51單片機功能方塊圖

4.具體電路模塊設計

4.1 熱釋電紅外傳感器原理

本設計所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結(jié)構(gòu)。其工作電路原理及設計電路如圖5所示，在VCC電源端利用C1和R2來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經(jīng)過FET放大后，經(jīng)過C2，R1的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢唬俳?jīng)過NPN的轉(zhuǎn)化，輸出OUT為低電平。

圖5 熱釋電紅外傳感器原理圖

4.2 放大電路的設計

如圖6所示為最基本的放大電路，Vi是輸入電壓信號，Vo是輸出放大的電壓信號。

圖6 放大電路圖

4.3 時鐘電路的設計

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。

因為一個機器周期含有6個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us，故而一個機器周期為1us[5]。如圖7所示為時鐘電路。

圖7 時鐘電路圖

4.4 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(xù)給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作[6]。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復位信號持續(xù)時間應不小于2us[7]。本設計采用的是外部手動按鍵復位電路。如圖8所示為復位電路。

圖8 復位電路

圖9 發(fā)光二極管報警電路圖

4.5 發(fā)光二極管報警電路的設計

由4個發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的RXD的引腳，外接VCC，當單片機的RXD引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點亮，起到報警作用[8]。圖9所示為發(fā)光二極管報警電路。

4.6 聲音報警電路的設計

如圖10所示，用一個Speaker和三極管、電阻接到單片機的TXD引腳上，構(gòu)成聲音報警電路，如圖10所示為聲音報警電路。

圖10 聲音報警電路圖

4.7 系統(tǒng)硬件電路的選擇及說明

從以上的分析可知在本設計中要用到如下器件：AT89C51、熱釋電紅外傳感器、LED、按鍵、反相器74LS04、蜂鳴器等一些單片機外圍應用電路，以及單片機的手工復位電路等。在原理圖(見附錄)中，綠燈是正常工作指示燈，紅燈是起報警指示作用，當RXD腳被置低電平時，紅燈亮開始報警，同樣，TXD腳置高電平時聲音報警電路開始工作。電路設有2個按鍵，按鍵1作為倒計時的中斷鍵，按鍵2鍵作為作為電路復位鍵。

5.軟件的程序?qū)崿F(xiàn)

5.1 主程序工作流程圖

按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如圖11所示；

圖11 主程序工作流程圖

5.2 中斷服務程序工作流程圖

本主程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：當單片機檢測到外部熱釋電傳感器送來的脈沖信號后，表示有人闖入監(jiān)控區(qū)，從而經(jīng)過單片機內(nèi)部程序處理后，驅(qū)動聲光報警電路開始報警，報警持續(xù)10秒鐘后自動停止報警，然后程序開始循環(huán)工作，檢測是否還有下次觸發(fā)信號，等待報警從而使報警器進入連續(xù)工作狀態(tài)。同時，利用中斷方式可以實現(xiàn)報警持續(xù)時間未到10秒時，用手工按鍵停止的聲光報警的作用。手工按鍵停止報警中斷服務程序工作流程圖，如圖12所示：

圖12 中斷服務程序工作流程圖

5.3 軟件仿真

本設計通過利用Proteus仿真，Proteus它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。本設計所要求達到的目標是在接收到紅外傳感器帶來的低電平信號，可使綠燈由亮變暗，紅燈產(chǎn)生報警，可觀察到紅燈變亮，蜂鳴器報警。當報警結(jié)束后，綠燈亮起，紅燈熄滅，蜂鳴器停止報警。

6.結(jié)束語

本設計研究了一種基于單片機技術的無線智能防盜報警器。該防盜報警器通過以AT89C51單片機為工作處理器核心，外接熱釋電紅傳感器，它能有效的抑制人體輻射波長以外的紅外光線與可見光的干擾。平時傳感器輸出高電平，當有人在探測區(qū)范圍內(nèi)移動時輸出高電平變?yōu)榈碗娖?，此低電平輸入單片機，作為單片機的外部觸發(fā)信號處理，經(jīng)單片機內(nèi)部軟件編程處理后，單片機輸出控制信號，驅(qū)動聲光報警電路開始報警。

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