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1、基于51单片机的防盗报警系统的设计摘 要 本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单，成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较好，抗干扰能力强，灵敏度高，安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被强盗发现，同时它的信号经过单片机系统处理后合PC机通信，用于多用户统一管理。本设计包括硬件和软件两个部分。硬件部分包括单片机控制电路，低频带通放大电路电压比较整形电路，声音报警电路，灯光警示电路，状态显示电路，供电电源电路等部分构成。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。关键词：单片机，红外传感器，数据采集，报警电路目 录1绪论11.1 基于51单片机防盗报警系统的设计的现
2、状11.1.1在国内外的发展状况11.1.2 当前基于51单片机防盗报警系统的设计的特征11.2 家庭防盗系统的现状11.3本课题的来源11.4本文主要内容22 基于51单片机防盗报警系统的设计的研究22.1方案选择论证22.2 AT89C51的主要性能22.3传感器的选择32.3.1 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构32.3.2红外测温原理42.3.3热释红外传感器的结构42.3.4 菲涅尔透镜62.4热释电红外传感器控制电路芯片选择63 系统硬件设计83.1低频带通放大电路83.2电压比较整形电路93.3声音报警电路113.4灯光警示电路113.5状态显示电路123.6供电电源电
3、路133.7单片机最小系统134 系统软件设计144.1主程序流程图144.2中断函数流程图15总 结17致 谢18参考文献19附录120附录2211绪论1.1 基于51单片机防盗报警系统的设计的现状1.1.1在国内外的发展状况报警设备对于保护人们的生命和财产安全至关重要。目防盗报警产品在我国的普及率只有20%，与欧美等发达国家高达70%的普及率相比，我国防盗报警产品市场的发展才刚刚起步。随着人们安全防患意识的提高，会有更多的人选用家庭安防报警产品，可以预见家庭安防报警将会有非常广阔的发展空间。 随着现代电子技术，计算机技术。通信技术，传感技术和制造技术等的迅速发展，有关家庭安防报警随着现代电
4、子技术，计算机技术。通信技术，传感技术和造技术等的迅速发展，有关家庭安防报警方面的产品也愈来愈丰富。可以预见，智能住宅将成为21世纪建筑业的发展主流特别是在我国随着人们生活日益提高评价住宅小区的重要指标。住宅小区是否智能化，安防系统是否完备，可靠将成为评鉴住宅小区的重要指标。1.1.2 当前基于51单片机防盗报警系统的设计的特征 现在的家庭安防产品虽然具有良好的报警处理功能，但有些产品由于功能较少或价格高等原因而难于普及，更没有将加密技术和视频监控技术等很好的融入到整个家庭安防报警系统中来。1.2 家庭防盗系统的现状随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，人们
5、私有财产也不断地增多，因而也对防盗措施提出了新的要求。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。1.3本课题的来源目前市场上出现了非常多的家用防火防盗产品，安防产品可大致分为视频监控,防盗报警等相对料为独立的几大应用领域。就家庭防火防盗报警系统方面而言，以上列举的这些家庭安防产品虽然具有良好的报警处理功能，但有些产品由于功能较少或价格高等原因而难于普
6、及，更没有将加密技术和视频监控技术等很好的融入到整个家庭安防报警系统中来。1.4本文主要内容研发一种适合于家庭等处的低价位，运行可靠的具有自动拨号，语音录放和视频录像等多功能的安防报警系统具有很强的现实意义和广阔的应用前景。本文结合实际需要研究并实现了一种智能防火防盗报警系统。2 基于51单片机防盗报警系统的设计的研究2.1方案选择论证防盗报警系统4一般是由入侵探测器、防盗报警控制器和接警中心（硬件加软件）组成。它的最简单形式是本地（家庭、单位）报警系统，它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。该系统设计方案有以下两种：方案一；利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警
7、，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖派出所（巡逻大队）经历分布，及时调动警力做出快速处理。方案二；通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。2.2 AT89C51的主要性能 1)与MCS-51单片机产品兼容 2) 4k字节在系统可编程Flash存储器 3)1
8、000次擦写周期 4)全静态操作：0HZ24HZ 5)三级程序存储器锁定 6)32个可编程I/O口线 7)两个16位定时器/计数器 8)五个中断器 9)可编程串行通道 10)低功耗空闲和掉电模式 11)看门狗定时器2.3传感器的选择2.3.1 热释电传感器的红外辐射与红外探测的原理结构热释电传感器8是利用红外辐射与红外测温的原理来探测的,红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。非接触红外测温有以下几点优点：（1）测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。（2）测温范围宽。
9、（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。（4）不必接触被测物体，操作方便。（5）可以确定微小目标的温度。非接触测温技术的意义是显而易见的。随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。通常将电磁波谱间隔在0.761000m的区域称为红外光谱区，红外传感器是一种新型的传感器，能够探测物体辐射的红外线。热释电元件的工作原理是基于热释电效应，即在强电介质温度变化P的自然极化的存在，此时传感器有电信号输出，晶体的这种性质被称为热释电极或热释电效应。有些热释电晶体，他们的自发极化方向能用外电场来改变，这些晶体称作
10、热释电铁电体。例如：LiTaO2(钽酸锂)、BaTi O2(钛酸钡)和TGS（硫酸三甘酞）等。为了使传感器能够长期稳定地工作，提高灵敏度，增强抗干扰能力，这里选用了TGS晶体制作的双型探测器2.3.2红外测温原理红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（273.15）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换与温度成比例的电信号，由此测出其温度。由上可知，任何物体只要温度不是绝对零度都不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能
11、量出物体的辐射功率，则可确定它的温度。2.3.3热释红外传感器的结构红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂) 探测器、BaTi O2(钛酸钡) 探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号
12、又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。在管壳的顶部设有虑光镜（TO5封装）。图1为热释电传感器的实物照片。图1 热释电传感器热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约1012s，因此当
13、晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为： Q=APS当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。如图2所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。图2热释电传感原理2.3.4 菲涅尔透镜目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感
14、器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。加装菲涅尔透镜可使传感器的探测半径从不足2m提高到至少8m范围。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区。这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。菲涅
15、尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。2.4热释电红外传感器控制电路芯片选择热释电红外传感器输出的检测信号很小。要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。使电路执行相关动作。热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统。下图3是控制电路的结构框图： 低频放大比较整形ViVo图3 控制电路LM324系列器件1为价格便宜的带有
16、真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图4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。图4 运算放大器LM324的特点：
17、1.短路保护输出2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能3 系统硬件设计3.1低频带通放大电路热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.110HZ，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6070dB,带宽0.37HZ。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5所示，本系统采用LM324中的两个集成运算放大器
18、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。图5 低频带通放大电路放大器要求：增益：6070DB带宽：0.37HZ工作原理：放大电路的电压增益为：A=1+2fR12C4/(1+2fR7C4)(1+2fR12C4)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/R7C43.2电压比较整形电路电压比较器2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。本系统应用LM
19、324剩余的两个集成运算比较器构成一个双限电压比较器。3.2.1双限电压比较器的工作原理图6双限电压比较器 如上图6所示：基准电压分别由(R6+R14)和R14分压提供。当输入电压VO113脚电压时，比较器也输出高电平。而当6引脚电压VO113脚电压时，比较器输出低电平。如下图7所示：图7比较器输出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6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6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
20、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=（45）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=（45）80mV=320400 mV.这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。3.3声音报警电路如下图8所示：高音报警电路3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。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
21、匀拉高，还原、再拉高的过程。形成频率在9761945Hz之间平滑递增的声音效果。实现报警器声音非常逼真。图8 声音报警电路3.4灯光警示电路如下图9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。图9 灯光警示电路 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
22、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。3.5状态显示电路如下图10所示：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。图10 状态显示电路在这里，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1025mA,如不串入限流保护电阻，直接连接很
23、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=（1015）mA,可得R=330500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！3.6供电电源电路如下图11所示，本系统采用L7805CV5来做电压芯片，因为其输出电流可达1.5A,可满足本系统5V供电电压。图11 供电电源电路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。3.7单片机最小系统如下图12所示，单片机的电源采用5V供电，时钟电路也就是振荡电路采用11.0592
24、MHZ晶振，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。图中的电容起稳定作用。其复位电路采用混合复位电路，在上电的时候会自动复位，也可手动复位。方便在单片机死机的时候进行重启。图12 单片机引脚4 系统软件设计4.1主程序流程图如下图13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6、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7T0用来控
25、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。初始化完成后，若无中断请求信号，系统则使数码管的Dp小点闪烁。开始初始化DP点闪烁图13 主程序流程图初始化完成后，若布防/撤防按键第一次按下，则触发外部中断0，将外部中断1允许位打开，也就是说现在单片机可以接收传感器的信号并作出相应的动作，若传感器感受到在检测范围内有人活动，则将信号传输给单片机，触发外部中断1，使数码管显示E、同时炫目灯与高音报警器打开，实现声光报警功能！4.2中断函数流程图下图14、15为中断函数流程图：外部中断0请求打开外部中断1允许位，并将数码管、高音报警器、炫目灯关闭。图14中断0函数流程外部
26、中断1请求数码管显示E，炫目灯开启。同时开启定时中断0允许位延时20S关闭各个外设定时中断T0请求T0重装初值、高音报警器取反图15 中断1 函数流程总 结致 谢参考文献1 郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社,20092 涂时亮.单片机软件设计艺术.科学文献出版社重庆分社,19873 周航慈.单片应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社,19904 韩毅.家庭防盗报警系统J.安防科技,20035 钱晓军.家庭无线智能防盗报警系统J.安防科技,20036 宋松娥.安全防盗报警系统的组成及其作用J.中国安防产品信息,19937 吕运朋.MCS-51单片机原理接口及应用M.北京理工大学出版
27、社,2009.118 赵燕.传感器原理及应用M.北京大学出版社，2010.2附录1附录2程序如下：/*/名称：家庭防盗报警系统程序 v1.0/*#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit spk=P12; sbit led=P10;uchar FRQ=0x00; sbit star=P07; /*延时函数，定时/计数器T1*/ void delay(uint t) uint i; for(i=0;it;i+) FRQ+; TH1=(65536-20000)/256; TL1=(65536-20000)%
28、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 2P0=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 0EX1=EX1; /开
29、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T1while(1)star=!star;delay(10);
