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基于单片机的红外报警器设计

摘要：随着现在社会的发展、时代的不断进步和各种高端先进技术的快速融入，人们的生活发生了巨大的改变。各种各样的高档电器和贵重物品为许多家庭所拥有，然而大部分家庭、个人防盗意识十分的低落，让很多不法分子有了可乘之机,从而造成越来越多的家庭、个人对财产安全问题十分担忧。人们对自己所生活的环境也有了更高的要求，对生活环境的安全性也有了更多的考虑，以至于很多小区都安装了各种各样的报警系统,也确实大大提高了小区的安全程度,有效保证人们的人身财产安全。在本文中，介绍了一种利用单片机及热释电红外传感器器件为主要器件，能够进行家居监控，并进行报警的系统的设计。

设计的系统方案运用了上述的热释电红外传感器，它的制作简单、成本娇低，安装也特别的方便，最重要的是感应性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。而且这种热释电红外传感器安装特别隐蔽，不容易被不法分子发现。便于多用户统一管理。

本设计包括硬件和软件设计两个部分，硬件部分包括单片机控制模块、红外探头模块、驱动执行报警模块和LED控制模块等部分组成。处理器采用51系列单片机，程序使用C语言编写。

关键词：热释电红外传感器单片机红外线

指导老师签字：

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目 录

TOC \o "1-3" \h \u 1 绪论

1.1课题的研究意义1

1.2国内外研究概况2

2 系统设计

2.1设计要求3

2.2设计方案3

2.2.1 总体设计方案4

2.2.2 设计功能实现4

3 硬件电路的设计

3.1单片机部分6

3.1.1 单片机简介6

3.1.2复位及复位电路7

3.1.3单片机最小系统9

3.2 红外感应部分10

3.2.1 电源模块10

3.2.2 感应器模块10

3.2.3 菲涅耳透镜10

3.2.4 信号采集处理模块11

3.3 硬件电路设计原理图13

3.4 PCB图与万能板实物图13

3.4.1 PCB图13

3.4.2 万能板实物图14

3.5 按键控制电路15

3.6 复位电路的设计16

3.7 指示灯电路16

3.8 报警电路17

4 软件设计

4.1 系统工作流程图18

4.2 主程序19

4.3 延时函数程序19

4.4 独立按键程序和对应不同按键处理20

4.5 定时器0初始化程序和定时器0中断服务程序21

4.6 报警判断程序23

4.7 红外报警处理程序23

5 硬件调试及调试中遇到的问题

总 结26

参考文献27

致 谢28

附件一：总体原理图设计29

附件二：PCB图30

附录三：硬件实物图31

附件四：程序源代码33

附录五：元器件清单33

1 绪论

1.1课题的研究意义

随着社会的发展、各个学科的进步、技术的提高，人民们的生活也有了很大的提高和改善。各种各样的高档电器和贵重物品为许多家庭所拥有，然而大部分家庭、个人防盗意识十分的低落，让很多不法分子有了可乘之机,从而造成越来越多的家庭、个人对财产安全问题十分担忧。人们对自己所生活的环境也有了更高的要求，对生活环境的安全性也有了更多的考虑，以至于很多小区都安装了各种各样的报警系统 ,也确实大大提高了小区的安全程度 ,有效保证人们的人身财产安全。但是市场上大部分的报警系统都是为一些大公司的重要机构和政府重要部门设计的，其价格昂贵，使我们一般的普通家庭难以承受。但是如果能设计一种价格适合、性能可靠、智能化的报警系统，必将在人们的生活额私人财产等防盗领域祈祷突破性的进展和作用。由于红外线是不可见光，隐蔽性能非常好，因此在防盗、报警、警戒等安保系统中被人们广泛应用。

到目前为止，国内使用的各类防盗、自动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。而这里所设计的人体红外报警器则采用了高性能传感元件---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,同时 ,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物[7]。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域[7]。

目前红外线人体报警器也是当前使用比较普遍的报警器之一，它以其灵敏度高、价格实惠，受到了广大用户的好评和欢迎。但是使用每一种红外线传感器都有其不足之处，如抗干扰能力弱、误报漏报现象严重等，可靠性不够高[5]。课题是以单片机为基础设计的一种比较简易的报警器系统。此热释红外报警器安装在禁区，根据检测人体自身的热量，检测到有人时，自动发出报警信息，并且能够自动或手动取消报警[1]。

设计的系统方案运用了上述的热释电红外传感器，它的制作简单、成本娇低，安装也特别的方便，最重要的是感应性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。而且这种热释电红外传感器安装特别隐蔽，不容易被不法分子发现。

1.2国内外研究概况

1800年英国物理学家F·W·赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线，开始了人类历史上红外技术的研究，从此红外技术的发展应用不断走向成熟[5]。

红外报警器 (​http:​\/​​\/​.baidu​\/​?word=报警器&fr=&ie=utf8​)大多数采用国外的先进技术，其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红外报警器，也即是本文将研究的产品。红外线的波长在0.76-100 um之间，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置处于无线电波与可见光之间的区域[7]。

红外技术最初的发展应用是红外光谱仪，随着红外探测材料技术的发展应用，红外技术目前已广泛应用于环境监测、分子类型和结构判定、石油勘探与分析、地质矿物的籀定、质量检测、交通运输、安全报警、医疗保健等一系列领域。其方法和原理目益成熟，各类红外器件层出不穷，仪器的精度也不断地提高。虽然早在19世纪就有了红外探测器，而且在第一次世界大战期间红外探测器已用于军事目的，但只是到了第二次世界大战期间有了pbs探测器以后，红外探测器技术才受到了人们广泛的重视并得到了迅速的发展。新的探测器材料不断被研制出来，探测器的响应波段很快就覆盖了1-3um，3-5um和8-12um三个大气窗口，与此同时，探测器材料质量的不断改善使探测器的性能也不断得到提高，促进了红外技术的全面发展。为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大[11]。

2 系统设计

2.1本设计要求

1、设计出以单片机位核心器件的红外报警器。

2、要求该设计能实现以下功能：

①具有紧急报警功能。

②具有布防报警功能，只要有人进入传感器的范围内系统马上就会报警。

并能够手动取消报警。

3、完成单片机及外围电路的设计、仿真以及控制程序仿真制作并进行联机调

试。

2.2 设计方案

2.2.1设计思路

被动式红外线传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大处理，对被监控的对象实施控制，它能可靠地将运动着的生物体和飘落的物体进行区别[15]。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰性强和误报率低等优点。因此，被动式红外技术在自动控制、自动门启闭、接近开关、自动照明、遥控遥测等方面、特别是在保安、防火、报警等方面越来越收到重视和得到应用[11]。

被动式红外报警器则采用了传感元件——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，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：

◇不需要用红外线或电磁波等发射源。

◇灵敏度高、控制范围大。

◇隐蔽性好，可流动安装[12]。

本课题研究的是热释红外报警系统，根据物理学知识，凡是温度大于绝对零度的物体都会发出红外线。不同的物体发出的红外线频率也不相同，因此用热释电红外传感器可以探测出监控环境中的某些特定范围的波长的红外线，达到报警的效果。

该热释红外的报警系统由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括单片机系统，热释电红外传感器探头、放大比较电路、控制显示电路、鸣叫报警电路等部分；软件部分主要包括热释电传感器输出信号的采样及A/D转换模块、数据分析算法模块、信息识别模块。

2.2.1 总体设计方案

从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：红外感应部分、单片机、报警系统三大部分。电路总原理图如图2-1所示：

图2-1 总体设计框图

处理器采用51系列单片机，整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测出的红外探头将检测的红外光变成电信号，送出TTL 电平单片机。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，驱动蜂鸣器及报警指示灯报警。

2.2.2设计功能实现

设计的系统方案运用了上述的热释电红外传感器，它的制作简单、成本娇低，安装也特别的方便，最重要的是感应性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。而且这种热释电红外传感器安装特别隐蔽，不容易被不法分子发现。便于多用户统一管理。

为了探测出移动的人体，通常使用双元件型热释电红外线传感器，在这种传感器内部，两个灵敏元件反相连接，当人体静止时两元件极化程度相同，互相抵消。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到了探测移动人体的目的。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、按键设定、报警等。红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、蜂鸣器、单片机控制电路、LED指示电路及软件组成。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，红外热释电模块送出TTL 电平至单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。即实现了以下功能：

① 具有紧急报警功能。

② 具有布防报警功能，只要有人进入传感器的范围内系统马上就会报警。

并能够手动取消报警。

3 硬件电路的设计

3.1单片机部分

单片机的选择

本设计模块划分为数据采集、按键设定、报警，红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、蜂鸣器、单片机控制电路、LED指示电路及软件组成。本设计系统也满足 单片机的最小系统，因此该设计择 单片机为主要硬件成分[10]。 单片机如图3-1所示:

单片机实物图 单片机引脚图

图3-1 单片机实物图及引脚图

3.1.1 单片机简介

是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，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，使得为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[10]。另外， 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路、报警电路等子模块[10]。

3.1.2复位及复位电路

（1）复位操作

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动[10]。

除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表1所示。

表1 一些寄存器的复位状态

寄存器复位状态寄存器复位状态

P0-

不定

000B

（2）复位信号及其产生

RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

产生复位信号的电路逻辑如图3-2所示：

图3-2复位信号的电路逻辑图

整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-3（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3-3（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，

其电路如图3-3（c）所示：

（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位

图3-3复位电路

上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。

3.1.3单片机最小系统

要使单片机工作起来最基本的电路构成为单片机最小系统如图3-4所示。

图3-4单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机、复位电路、时钟电路构成。

单片机的工作电压范围：4V-5.5V,所以通常给单片机外界5V直流电源。连接方式为单片机中的40脚VCC接正极5V，而20脚VSS接电源地端。

复位电路就是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动确定单片机起始工作状态。当单片机系统在运行中，受到外界环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行[12]。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。本设计采用的是外部手动按键复位电路，需要接上上拉电阻来提高输出高电平的值。

时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行度,XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器[12]。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。