基于51单片机的防盗报警系统的设计

河北联合大学轻工学院

QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY

自动控制原理课程设计报告

设计题目：基于51单片机的防盗报警系统的设计学生姓名：李萌

学号：201124520111

专业班级：11自动化4班

学部：信息科学与技术部

指导教师：马亮

2013年12月25日

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A T89C51，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

摘要.............................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 第1章绪论 (1)

1.1防盗报警系统的现状 (2)

1.2.本课题的来源 (2)

1.3本文主要内容 (3)

1.4本章小节 (3)

第2章防盗报警系统的研究 (4)

2.1方案选择论证 .................................................................... 错误！未定义书签。

2.2主控芯片单片机的选择 ................................................... 错误！未定义书签。

2.3传感器的选择 ................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.1传感器的红外辐射与红外探测的原理结构. ................ 错误！未定义书签。

2.3.2红外测温原理................................................................. 错误！未定义书签。

2.3.3热释红外传感器的结构................................................. 错误！未定义书签。

2.3.4菲涅尔透镜..................................................................... 错误！未定义书签。

2.3.5热释电红外传感器控制电路芯片的选择..................... 错误！未定义书签。

2.4本章小结 ............................................................................ 错误！未定义书签。第3章家庭防盗报警的分析和设计.................... 错误！未定义书签。

3.1低频带通放大电路 (8)

3.2电压比较整形电路 (9)

3.3双限电压比较器的工作原理 (10)

3.4报警电路 (11)

3.5灯光警示电路 (12)

3.6状态显示电路 (13)

3.7供电电源电路 (14)

3.8单片机最小系统 (14)

3.9家庭防盗报警的流程图 (15)

4.0本章小结 (15)

结论 (16)

参考文献 (17)

谢辞 (18)

附录一家庭防盗报警原理图 (19)

附录二家庭防盗报警程序 (20)

第1章绪论

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。

1.5 本章小结

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。

第2章基于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，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。

2.2.1 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)1000次擦写周期

4)全静态操作：0HZ~24HZ

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

12)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。

（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0.76～1000μm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ΔP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：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。

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（TO－5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10－12s，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信号。

图2-3

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。

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2-6是控制电路的结构框图：

图2-6

LM324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，“V+”、“V-”为正、负电源端，“V o ”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V o 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V o

的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2-8。

图2-7

LM324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

V o

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

本章小结

我们应该正确掌握各器件的基本知识和用途，这样它们才能被我们正确使用，进而去去到达我们的目的。

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0.1~10HZ，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60~70dB,带宽0.3~7HZ。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LM324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=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3-1

放大器要求：

增益：60~70DB

带宽：0.3~7HZ

工作原理：

放大电路的电压增益为：

A=1+2πfR12C4/(1+2πfR7C4)(1+2πfR12C4) 一般要求放大电路的增益为65DB。

电路的上下限截至频率为：

F H=1/R12C7,F L=1/R7C4

3.2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。

3.2.1双限电压比较器的工作原理

如上图3-2所示：基准电压分别由(R6+R14)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

比较器输出低电平。如下图3-3所示：

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=（4~5）V N

式子中V N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=（4~5）80mV=320~400 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3-4所示：高音报警电路选用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匀拉高，还原、再拉高的过程。形成频率在976~1945Hz 之间平滑递增的声音效果。实现报警器声音非常逼真。

图3-4

3.4灯光警示电路

如下图3-5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3-5

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势通过二极管和线圈构成的回路做