基于AT89C51单片机的家庭防盗报警系统设计毕业论文.doc
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1、基于AT89C51单片机的家庭防盗报警系统设计毕业论文 目 录1 绪论1 11发展概况与设计背景112本设计概述2 2总体设计方案 3 21方案选择论证 3 22主控芯片单片机的选择 3 com AT89C51的主要性能4com AT89C51的引脚结构523传感器的选择6 com的红外辐射与红外探测的原理结构7com温原理7 com外传感器的结构8 com 菲涅尔透镜1024热释电红外传感器控制电路芯片的选择11 3 系统硬件设计1331低频带通放大电路1332电压比较整形电路14com压比较器的工作原理1433报警电路1534灯光警示电路1635状态显示电路1736供电电源电路1737单片
2、机最小系统184 系统软件19 41主程序流程图19 42中断函数流程图205结论21致谢22参考文献23附录一系统电路图24附录二系统程序25 1 绪 论11发展概况与设计背景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本设计就是为了满足现代住宅防
3、盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进不但可以用于单一的住宅区也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统它的工作性能好不易出现不报和误报现象安全可靠不仅如此它使用了单片机做信号处理器这样有利于与计算机相连接利用计算机统一管理使整个小区的住户基本情况资料等在计算机内存储起来方便来访人的查询和保安人员的统一管理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一压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内当主机停止工作主人在家走动时都很容易失报和误报其可靠性低二开关式电子防盗报警器一
4、般只有一个定点有效范围小而且各种开关也易坏失报和误报率就高不可靠三遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报所以这种报警器的可靠性也不高再者就闭路监控电路防盗系统而言它的安装线路复杂而且技术要求比较高价格也比较昂贵不利于广泛利用12本设计概述综合以上报警器的不足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稳定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盗贼发现同时它的信号经过单片机系统处理后利于跟PC机通信便于多用户统一管理2 总体设计方案21方案选择论证防盗报警系统一般是由入侵探测器防盗报警控制器和接
5、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
6、本设计选择方案二22主控芯片单片机的选择20世纪80年代以来单片机的发展非常迅速就单片机而言世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列数百个品种目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下 美国intel公司MCS-51系列及其增强型系列美国Motorola公司6801系列和6805系列美国Atmel公司89C51等单片机美国Zilog公司Z8系列及SUPER8美国Fairchild公司F8系列和3870系列美国Rockwell公司65001系列美国T1德克萨司仪器仪表公司TMS7000系列NS 美国国家半导体 公司TMS7000系列尽管单片机的品种很多但是在中国使用
7、最多的还是intel公司的MCS-51系列单片机和美国的Atmel公司的89C51单片机MCS-51系列单片机包括三个基本型8031805187518031内部包括一份8位CPU128个字节21个特殊功能寄存器SFR4个8位并行IO口1个全双工串形口2个16位定时器但片内无程序存储器外扩EPROM芯片比较麻烦不予采用8051是在8031的基础上片内集成有4KB ROM作为程序存储器是一个程序不超过4K字节的小系统ROM内的程序是公司制作芯片时代为用户烧制的出厂的8051都是含有特殊用途的单片机所以8051适合与应用在程序已定且批量大的单片机产品中也不予采用8751是在8031基础上增加了4K字
8、节的EPROM它构成了程序小于4KB的小系统用户可以将程序固定在EPROM中可以反复修改程序但是价格相对8031较贵8031为外扩一片4KB EPROM的就相当于8751它的最大优点是价格低随着大规模集成电路不断发展能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的不予采用80C51产品指令和引脚完全兼容片上Flash许程序存储区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AT89S52位众多嵌入式控制应用系统提供高灵活超有效地解决方案AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Rea
9、d Only Memory的低电压高性能CMOS 8位微处理器俗称单片机AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器AT89C2051是它的一种精简版本AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案故此设计采用AT89C51com 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
10、Flash存储器 3 1000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IO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 12 看门狗定时器com AT89C51的引脚结构图2-1 AT89C51的引脚结构图23传感器的选择com 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
11、场分布从而具有较高的测温准确度2测温范围宽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0761000m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热释电铁电体例如L
12、iTaO2 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com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27315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据斯蒂芬波兹曼常数绝对黑体其温度T于与辐射能之间的关系为其中为蒂芬波兹曼常数其值为5669710-12 wcm2 k4 为黑体的温度E0 为黑体辐射能实际中大多数物体为非黑体其热辐射公式为E E0其中E为物体在一定温度下的辐射能力E
13、0 为与E在同一温度下的黑体辐射能力 为黑度系数表示物体的发射能力接近黑体的情况其值在01之间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量出物体的辐射功率则可确定它的温度com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
14、和TGS硫酸三甘酞探测器等如图2-1为热释电红外传感器的结构图电路图传感器的敏感元为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2-2为热释电传感器的实物照片图2-1图2-2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
15、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2-3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
16、信号图2-3若没有经过调制的红外辐射热释电晶体使温度升高到一个新的平衡值那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值不再释放电荷也就不再输出信号因此热释电探测器与其他热释探测器不同它只存在温度升降的过程中才有信号输出所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体则晶体的温度自发极化强度PS及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化如果1f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来就会有热释电电流Is 通过负载热释电晶体自发极化强度随温度变化使电极表面感应电荷发生变化其等效
17、电路如图2-4所示图2-4电流源的电流强度为Is为 式中p一自发极化强度对温度变化率称为热释电系数com 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 如图4所示 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
18、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图2-5菲涅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24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
19、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2-6是控制电路的结构框图图2-6LM324系列器件为价格便宜的带有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30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2-7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VV-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
20、号与该输入端的相位相同LM324的引脚排列见图2-8图2-7图2-8LM324的特点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31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0110HZ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037HZ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3-1所示本系统采用LM3
21、24中的两个集成运算放大器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 10mA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3-1放大器要求增益6070DB带宽037HZ工作原理放大电路的电压增益为A 12fR12C4 12fR7C4 12fR12C4 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 1R12C7FL 1R7C4在单电源供电的情况下外加电压分压器后可保证运放输出电压有较大的动态范围静态下应将输出端电位设在12处方法是ICA外接R4R10分压器将12VCC引至运放的同相输入端这相当于将
22、输入偏置电压垫高12VCC从而使输出电压的静态电位定在12VDD处与ICA一样ICB为了保证运放输出电压有较大的动态范围同样设置了分压器32电压比较整形电路图3-2电压比较器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LM324剩余的两个集成运算比较器构成一个双限电压比较器com压比较器的工作原理如上图3-2所示基准电压分别由 R6R14 和R14分压提供当输入电压VO1 6引脚电压时比较器输出高电平当VO1 13脚电压时比较器也输出高电平而当6引脚电压 VO1 13脚电压时比较器输出低电平如下图3-3所示图3-3当人体通过菲涅尔透镜组成的传感器现
23、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12VCC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12VCC电路的灵敏度越高但容易因噪声干扰产生误动作若两引脚的差值远离12VCC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 45VN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 4580mV 320400 mV这样即照顾到灵敏度又能保证电路有一定的可靠性33声音
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