基于红外线报警系统的研发

基于红外线报警及自动拨号家居防盗系统

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2011年06月23日

目录

1 绪论 (1)

1.1 本课题的国内外的研究现状及研究意义 (1)

1.2 红外报警技术简介 (1)

1.2.1主动式报警技术 (2)

1.2.2被动式报带技术 (2)

2 主要元器件的选择与简介 (5)

2.1 系统中微处理器的选择 (5)

2.2 AT89C52芯片简介 (6)

2.3 LP8072C热释电红外控制电路 (9)

3 硬件系统设计 (13)

3.1 红外防盗报警系统的硬件设计 (13)

3.2 声光报警电路的设计 (14)

3.3电话自动拨号报警电路的设计 (15)

3.4 系统工作原理 (15)

3.5 系统总的电路图 (15)

4 软件系统设计 (16)

4.1主控模块程序设计 (16)

4.2 系统开发所采用的编程与调试平台 (17)

4.3主要程序编程 (18)

5系统调试与试验 (20)

5.1 软件调试 (20)

5.2 系统调试 (21)

6 结束语与心得体会 (21)

7参考文献 (21)

摘要:随着科学技术的不断发展和人们生活水平的不断改善，人们对私有财产的保护手段在不断的增强，对防盗设施提出了新的要求。本文介绍了基于AT89C52单片机，与人体热释电红外传感器及电话接口结合，通过软件编程，实现电路功能。要求利用红外线传感器的感应作用，实现一旦有人闯入监控区域，蜂鸣器报警，电话机自动拨号.文中给出硬件与软件设计的具体实现方法。

关键词：人体热释电红外传感器；AT89C52单片机；自动拨号

1 绪论

1.1 本课题的国内外的研究现状及研究意义

随着社会的不断进步和科学技术不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护手段在不断的增强，对防盗设施的智能化提出了新的要求。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。它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，由于使用了单片机做信号处理器，不但可以用于单一的住宅区，也可以用于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。

在我国，目前市面上报警器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。本系统采用了人体热释电红外传感器，在人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器因其价格低廉、制作简单、成本低，安装比较方便，防盗性能比较稳定，灵敏度高、安全可靠等特点，备受广大家庭用户的欢迎。而且防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现。

1.2 红外报警技术简介

红外传感技术可分为主动式传感技术和被动式传感技术。因此红外报警器又分为主动式红外报警器和被动式红外报警器。

1.2.1主动式报警技术

主动式红外报警器是由发射和接收装置两部分组成，如图1.1所示。

红外发射机驱动红外发光二极管发出一束调制的红外光束。在距发射机一定距离处，与之对准放置一红外接收机。它通过光敏晶体管接收发射端发出的红外辐射能量，并经过光电转换将其转换为电信号。此电信号经过适当的处理再送往报警控制器电路。分别在收、发端放置一光学透镜，将红外光聚集成较细的平行光束，以使红外光的能量能集中传送。采用调制的红外光源具有以下几个优点：（1）降低电源的功耗。

（2）使红外探测器具有较强的抗干扰能力，提高了工作的稳定性。

红外光束构成了一道人眼看不见的封锁线，当有人穿越或阻挡这条红外光束时，接收机输出的电信号强度就会发生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。

1.2.2被动式报带技术

被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的。

1.2.2.1自然界物体的红外辐射特性

自然界的任何物体，只要温度高于绝对零度（273℃），总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。假定物体发射红外辐射的峰值波长为几，，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长戈与物体温度T的乘积。这一乘积为一常数，即：

物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。

1.2.2.2热释电效应

被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钦错酸铅P(zT)等)的

表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。

在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器P(TR)， PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60一70db，就可以检测10一20m处人的活动。

热释电传感器具有自极化效应，晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变。这些极化电荷被空气中的带电粒子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射。相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，由相反方向的电流或电压输出。

1.2.2.3热释电红外传感器的基本结构

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种：用于测量温度的传感器，它的工作波长为（1－20）纳米;用于火焰探测的传感器，它的工作波长为0.435+/-0.15纳米;用于人体探测的传感器，它的工作波长为7－15脚。图1.2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用。当人体处于静止状态时，两元件极化程度相同，相互抵消;当人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。

使用时一般在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的(并且不受可见光的影响)。一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。传感器探头前部装有菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜，它由一组平行的棱柱型透镜所组成，它的每一单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区，这样就在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”。视场的侧视图和俯视图如图1.3所示。

当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断在“盲区”和“高灵敏区”内切换，这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增强了能量变化幅

度，从而提高了探测灵敏度。

1.2.2.4热释电红外探测器的基本原理

热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。

当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体(如墙壁、家具等)在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号U。，送往报警器，发出报警信号。红外探测器的探测波长为8－14微米，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。

由于被动式红外技术具有监测距离较远，灵敏度较高，节能价廉等优点，本课题采动式红外探测器作为报警探测器，并在设计中增加了电话自动拨号报警的功能，使报警系统更加趋于完善。

2 主要元器件的选择与简介

2.1 系统中微处理器的选择

当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond(华邦)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86

系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列4位单片机、台湾义隆的EM-78系列等。我们最终选用了ATMEL公司的AT89C52单片机。

2.2 AT89C52芯片简介

AT89C52特点：

●与MCS-51产品指令和引脚完全兼容

● 8K字节可重擦写FLASH闪存

● 1000次擦写周期

●全静态操作：0Hz-24MHz

●三级加密程序存储器

● 256X8字节内部RAM

● 32个可编程I/O口线

● 3个16位定时/计数器

● 5个中断源

●可编程串行UART通道

●低功耗空闲和掉电模式

功能特性概述：

AT89C52提供以下标准功能：8K字节FLASH闪存，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52的芯片管脚图如图2-1。

图2-1

引脚功能说明：

VCC——电源电压

GND——地

P0口——P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口——P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见下表。

FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P1.0和P1.1的第二功能，如表2-1所示。

表2-1

引脚号功能特性

P1.0 T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P2口——P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口——P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除作为一般的I/O口线外，更重要是它的第二功能，如表2-2所示：

表2-2

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）