| 设计题目 | 红外防盗报警器设计 |
| 学生姓名 | |
| 设计要求： 1、设计制作一个红外报警器； 2、用红外传感器检测到人体辐射的红外光谱时能发出声光报警； 3、在声光报警10s钟后自动消除报警，或者人工手动解除警报； 4、能够实现手动复位的功能。 | |
| 学生应完成的工作： 1、查阅资料，熟悉各个模块的工作原理并了解所需元器件的作用； 2、硬件设计，包括各个模块电路的设计； 3、软件设计，是硬件电路达到工作要求； 4、用软件进行仿真； 5、制作电路板并调试； 6、书写课程设计报告； 7、该生主要完成软件设计。 | |
| 参考文献阅读： [1]张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2010.5 [2]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993.8 [3]布鲁姆（Blum,R）.汇编语言程序设计.北京：机械工业出版社，2006.1 [4]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.1 | |
| 工作计划： 5月6号熟悉课题，查阅相关资料；5月7号、8号完成硬件设计；5月9号、10号完成相应软件设计并对系统进行仿真；5月13-15号电路板安装与焊接并进行调试；5月16号书写课程设计报告；5月17号完成制作。 | |
| 任务下达日期：2013 年5月 6 日 任务完成日期：2013 年5月 17 日 指导教师（签名）： 学生（签名）： | |
摘 要：本系统采用ATMEL公司生产的8位ATS52单片机作为主控芯片,由热释电红外传感器实现对人体发送红外信号的检测。本系统由硬件和软件两部分组成。硬件电路包括热释电红外传感器探头电路、单片机控制电路、电源电路、时钟电路、复位电路、放大电路及报警电路。软件部分由汇编语言实现。本系统实现的功能是检测在所设定的区域内是否有人经过。当传感器检测到人体发出的红外信号时，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ATS52单片机。在单片机内，经软件查询、识别等环节发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并使声光报警设备开始报警。报警延迟10s后自动解除，也可以人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位。
红外报警器的特点是使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，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠，并且安装隐蔽，不容易被窃贼发现。
关键词：红外报警器；红外传感器；单片机；报警器
目 录
1.设计背景…………………………………………………………………1
2.设计方案……………………………………………………………………2
2.1任务分析………………………………………………………………2
2.2方案论证………………………………………………………………2
3.方案实施 …………………………………………………………………5
3.1总体电路设计…………………………………………………………5
3.2模块电路设计…………………………………………………………5
3.3软件设计………………………………………………………………13
3.4系统仿真………………………………………………………………18
3.5系统制作………………………………………………………………18
4.结果与结论………………………………………………………………20
4.1结果…………………………………………………………………20
4.2结论…………………………………………………………………20
5.收获与致谢………………………………………………………………21
6.参考文献…………………………………………………………………22
7.附件 ………………………………………………………………………23
7.1电路原理图……………………………………………………………23
7.2仿真图………………………………………………………………24
7.2工作图………………………………………………………………25 7.4元器件清单…………………………………………………………26
1. 设计背景
随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。
就目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子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存在一些缺点。而本设计中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.设计方案
2.1任务分析
1、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、键盘控制、报警等模块子函数。
2、本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。终端由处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。
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ATS52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：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。
2.2方案论证
1、方案设计
方案一：模拟电路框图如图2.1所示。
| 图2.1 模拟电路框图 |
方案二：集成运放电路框图如图2.2所示。
| 图2.2 集成运放电路框图 |
方案三：基于单片机的电路框图如图2.3所示。
| 图2.3 系统电路框图 |
2、方案选定
方案一的模拟电子式红外线报警器和方案二的集成运放式红外线报警器的硬件电路相比于方案三较为复杂、元件多、稳定性差抗干扰性不好、不够安全可靠且不易实现。由于方案三具有节能且抗干扰性强的特点，采用的热释电红外传感器具有制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰性能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。并且在电路元件和模块的选择上尽量采用通用、经济的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路，而且方案三操作性强，能够随时修改程序以改变功能，综上所述，选择方案三。
3. 方案实施
3.1总体电路设计
红外报警器系统整体原理如图3.1图所示。
| 图3.1 系统整体原理图 |
单片机是红外报警器系统的核心，单片机应用系统也是由硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。所以该系统包含以下部分：热释电红外传感探头电路、单片机电路、电源电路、始终电路、复位电路、报警电路及相关的控制管理软件组成。
3.2模块电路设计
1、热释电红外传感器电路
热释电红外传感器引脚图如图3.2所示。
| 图3.2热释电红外传感器引脚图 |
引脚功能如表1所示。
| 表3-1 引脚功能 | |||
| 引脚 | 名称 | I/O | 功能说明 |
| 1 | A | I | 可重复触发和不可重复触发选择端 |
| 2 | V0 | O | 控制信号输出端 |
| 3 | RR1 | 输出延时时间Tx的调节端 | |
| 4 | RC1 | 输出延时时间Tx的调节端 | |
| 5 | RC2 | 触发封锁时间Ti的调节端 | |
| 6 | RR2 | 触发封锁时间Ti的调节端 | |
| 7 | VSS | 工作电源负端 | |
| 8 | VRF | I | 参考电压及复位输入端 |
| 9 | VC | I | 触发禁止端 |
| 10 | IB | 预算放大器偏置电流设置端 | |
| 11 | VDD | 工作电源正端 | |
| 12 | 2OUT | O | 第二级运算放大器的输出端 |
| 13 | 2IN- | I | 第二级运算放大器的反相输入端 |
| 14 | 1IN+ | I | 第一级运算放大器的同相输入端 |
| 15 | 1IN- | I | 第一级运算放大器的反相输入端 |
| 16 | 1OUT | O | 第一级运算放大器的输出端 |
热释电红外传感器的主要工作参数有: 常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V;工作波长:通常为7.5～14 μm; 源极电压:通常为0.4～1.1V，R=47kΩ;输出信号电压:通常大于2.0V;检测距离:常用热释电红外传感器检测距离约为6～10m；水平角度:约为120°；工作温度范围:－10℃～＋40。
热释电红外传感器电路如图3.3所示。
| 图3.3 热释电红外传感器电路 |
2、单片机控制电路
单片机内部硬件结构图如图3.4所示。
| 图3.4 ATS52单片机的片内硬件组成结构 |
(1)片内各部件功能
CPU(微处理器) ：ATS52单片机中有1个8位的CPU，与通用的CPU基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，此外还有面向控制的位处理功能。
数据存储器（RAM）：片内为128B，片外最多可外扩KB。片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内，可以加快的单片机运行的速度，而且这种结构的RAM还可以降低功耗。
程序存储器（Flash ROM）：它用来存储程序。ATS52片内集成4KB的Flash存储器，如果片内程序存储器容量不够，片外最多可外扩至KB。
中断系统 ：具有5个中断源，2级中断优先权。
定时器/计数器 ：片内有2个16位的定时器/计数器，具有4种工作方式。
1个看门狗定时器WDT ：提供了当CPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞状态时而使程序恢复正常运行的有效手段。
串行口 ：1个全双工的异步串行口，具有4种工作方式。可进行串行通信，扩展并行I/O口，还可与多个单片机相连构成多机系统。
P0口、P1口、P2口、P3口 ：4个8位并行I/O口。
特殊功能寄存器（SFR） ：共有26个特殊功能寄存器，用于CPU对片内个功能部件进行管理、控制和监视。特殊功能寄存器实际上是片内各个功能部件的控制寄存器和状态寄存器，这些特殊功能寄存器映射在片内RAM区80H~FFH的地址区间内。
目前ATS52单片机多采用40个引脚的双列直插封装方式，如图3.5所示。
| 图3.5 ATS52双列直插封装方式的引脚 |
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。
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。
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。
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ATS52的一些特殊功能口，如表3-2所示。
| 表3-2 P3口的第二功能定义 | ||
| 引脚 | 第二功能 | 说明 |
| P3.0 | RXD | 串行数据输入口 |
| P3.1 | TXD | 串行数据输出口 |
| P3.2 | INT0 | 外部中断0入口 |
| P3.3 | INT1 | 外部中断1入口 |
| P3.4 | T0 | 定时器0外部计数输入 |
| P3.5 | T1 | 定时器1外部计数输入 |
| P3.6 | WR | 外部数据存储器写选通输入 |
| P3.7 | RD | 外部数据存储器读选通输出 |
(3)单片机工作过程
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，此高电平通过P1.7端口输入单片机，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。
3、时钟电路
时钟电路如图3.6所示。
| 图3.6 时钟电路 |
因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，本系统外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。
4、电源电路
电源电路如图3.7所示。
| 图3.7 电源电路 |
5、复位电路
复位电路如图3.8所示。
| 图3.8 复位电路 |
6、声光报警电路和手动复位电路
报警电路和复位电路如图3.9所示。
| 图3.9 声光报警电路和手动复位电路 |
当按下按键S2实现手动复位功能。
3.3软件设计
程序编写对话框如图3.10所示。先打开KEIL软件，点击File，在下拉菜单中选择new，就出现程序编写对话框，即可以在新建的对话框中编写程序。
| 3.10 程序编写对话框 |
1、主程序设计
程序是若干指令的有序集合，单片机的运行就是执行这一指令序列的过程。要想使单片机工作，必须编写出正确的程序。本系统采用ATS52汇编语言进行程序设计。
主程序工作流程图如图3.11所示。
| 图3.11 主程序工作流程图 |
第一，要对单片机进行端口分配。输入端口有P1.7和P3.2，P1.7是检测红外信号输入的端口，P3.2是外部中断0的端口，即有手动按键时信号通过此端口输入。输出端口有P1.2，P3.0和P3.1，P1.2接绿色LED，当系统处于正常状态时，绿色指示灯亮，信号通过P1.2输出；P3.0接红色LED，当有红外信号时，红色LED灯亮，控制红色LED灯的信号通过P3.0输出。
第二，对单片机进行初始化设置，即系统处于正常工作的状态，此时绿色指示灯亮，根据硬件电路连接原理，需要将引脚P1.2清零；通过设置P3.0和P3.1接口,使红色指示灯熄灭，蜂鸣器不发出警报；此外，还需要设置中断允许寄存器IE，保证允许外部中断0。
第三，单片机开始工作过程，通过控制转移类指令检测是否有红外信号输入，如果有信号输入，则系统处于报警状态，并持续10S，通过以下步骤实现：设置定时器T0为50ms定时器，处于工作方式1，并且需要一个循环程序段，将50ms定时器循环20次，达到报警持续10S的要求。如果没有红外信号输入，则一直检测，直到有信号输入。在报警阶段，需要设计中断服务子程序，检测是否有中断信号输入，即外部手工输入停止报警的信号，如果有，转入中断服务子程序停止报警。中断服务子程序包括以下内容：现场保护和恢复现场、关中断和开中断、中断处理和中断返回。
第四，报警结束单片机进行复位。只需给单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平即可。单片机又恢复正常状态，继续下一轮检测。
实现程序如下：
主程序
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0003H
LJMP PINT0
ORG 0200H
MAIN: MOV IE,#81H ;CPU开放中断，INT0允许中断
SETB IT0 ;外部中断为边沿触发方式
MOV SP,#30H ;指针入口地址
SETB P3.0
CLR P3.1
MOV P1,#0FFH ;使P1口全部置1
MOV P2,#00H ;P2口清零
CLR P1.2
LP: JNB P1.7,LA ;监测输入信号，是否有输入信号
LA: ACALL DELAY ;延时消抖
JNB P1.7,ALARM ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序
AJMP LP
DELAY:MOV R1,0AAH
LD2: MOV R2,0BBH
LD1: NOP
DJNZ R2,LD1
DJNZ R1,LD2
RET
ALARM:SETB P1.2 ;开始报警使运行正常绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动
CPL P3.0
CPL P3.1 ;10S钟定时
MOV 51H,#0C8H ;10S循环次数
MOV TMOD,#01H ;定时器T0 定时方式1
MOV TL0,#0B0H ;置50ms定时初值
MOV TH0,#3CH
SETB TR0 ;启动T0
L2: JBC TF0,L1 ;查询计数溢出
SJMP L2
L1: MOV TL0,#0B0H
MOV TH0,#3CH
DJNZ 51H,L2 ;未到10S继续循环
SETB P3.0 ;10s到关闭报警
CLR P3.1
CLR P1.2 ;报警结束，正常运行绿指示灯亮
LJMP LP ;循环继续工作
HERE: SJMP HERE
2、中断程序设计
中断服务程序流程图如图3.12所示。
| 图3.12 手工按键停止报警中断服务程序流程图 |
中断子程序如下：
中断服务程序
PINT0: CLR EX0 ;外部中断服务程序开始，屏蔽外部中断
PUSH PSW
PUSH ACC
JNB P3.2,LN ;监测是否有中断输入
LN: LCALL DELAY ;延时消抖
JNB P3.2,LN1
AJMP LN2 ;无中断输入,中断返回
LN1: SETB P3.0
CLR P3.1
CLR P1.2 ;使报警结束，绿指示灯亮
POP ACC
POP PSW
SETB EX0 ;开放外部中断0
LCALL LP ;在中断继续检测是否有输入信号
LN2: RETI
END
3.4系统仿真
Protues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译。
将各个单元电路连成符合要求的系统整体原理图，并和Keil联机进行仿真，仿真成功，当热释电红外传感器检测的红外光谱时，蜂鸣器发出警报声，红色LED灯点亮，并持续10s，如果在10s内按下按键S2，可以手动解除警报。系统仿真图见附件7.2。
3.5系统制作
首先，安装元器件。把元器件插到与原理图对应的地方，在安装元器件时，要先装较矮的导线或组件，如：跳线、二极管、电阻器等。在放置电容的时候，一定要注意其极性不能接反，长脚为正极，短脚为负极；接电阻时，电阻引线必需折成直角，电阻器要平贴电路板，色码电阻器应由上而下或由左而右排列。除此之外，这次用的板子是万能板，是两个孔连在一起的。在安装时要注意元器件的排列顺序，否则焊接时会很麻烦。其次，焊接。进行焊接时，要注意尽量不要虚焊，或者把铜片焊掉。再者，烧程序。烧程序的过程很简单，只需要一个软件和一个机器就可以了。最后就是调试了，要仔细观察一下，板上是否存在问题，看是不是有明显的裂痕，有无短路、开路的现象。如果有必要的话，可以检查一下电源跟地线之间的电阻是否足够大。然后接上电源看红外报警器能否工作，如果还是不能工作，就要用万用表测量是否有短路或者断路的现象，如果有，要把断路的地方进行再次焊接，直到调试成功。
4. 结果与结论
4.1结果
经过硬件部分、软件部分、系统仿真、实物制作四个环节，最终完成了红外报警系统的设计，能够完成对人体红外线感知并报警的功能，具体效果见附录。
4.2结论
本设计研究了一种基于单片机技术的防盗报警器。该防盗报警器通过以ATS52单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它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。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。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。
5. 收获与致谢
6. 参考文献
[1]张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2010.5
[2]陈堂敏. 刘焕平主编.单片机原理与应用.北京:北京理工大学出版社,2007.
[3]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993.8
[5]邱关源，罗先觉.电路 (第五版) [M].北京：高等教育出版社，2006.03
[6]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2005.1
[7]林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京：北京航空航天大学出版2006.12
[8]谷树忠 刘文洲 姜航.Altium Designer教程[M].北京：电子工业出版社，2010.1
[9]布鲁姆（Blum,R）.汇编语言程序设计.北京：机械工业出版社，2006.1
7. 附件
7.1电路原理图
| 图7.1 电路原理图 |
7.2系统仿真图
| 图7.2 系统仿真图 |
7.3工作图
| 图7.3 工作电路图 |
| 图7.4 正常状态电路图 |
7.4元器件清单
设计过程中需用到的元器件如表7-1所示。
表7-1 元器件清单
| 元器件名称 | 型号规格 | 数量 | 备注 |
| 51单片机 | ATS52 | 1 | |
| 晶振 | 12MHz | 1 | |
| 瓷片电容 | 100μF | 1 | |
| 0.1μF | 2 | ||
| 电解电容 | 30pF | 3 | |
| 47μF | 1 | ||
| 电容 | 47μF | 3 | |
| LED灯 | 红色 | 1 | |
| 绿色 | 1 | ||
电阻 | 4K7 | 2 | |
| 1K | 1 | ||
| 10K | 2 | ||
| 220 | 3 | ||
| 三极管 | 2N3904 | 2 | |
| 热释电红外传感器 | 2 | ||
| 蜂鸣器 | 1 | ||
| 按键 | SW-PB | 3 | |
| 稳压器 | 7805 | 1 | |
| 桥堆 | 2W10 | 1 |
课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 30%
课程设计其它环节成绩：
环节名称： 考勤 ，成绩： ，占总成绩比例： 20%
环节名称： 综合 ，成绩： ，占总成绩比例： 50%
总 成 绩：
指导教师签字：
| 年 月 日 |
| 本次课程设计负责人意见： 负责人签字： 年 月 日 |
