廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院 杜永峰

1.前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對防盜系統(tǒng)提出了新的要求。本系統(tǒng)是結(jié)合傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和人們對現(xiàn)代報(bào)警系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)的適用于小型設(shè)備的電子報(bào)警系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)采用熱釋電紅外傳感器，它能以非接觸形式被動(dòng)地探測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，送至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)軟件處理后，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路執(zhí)行報(bào)警。它制作簡單，成本低安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性強(qiáng)不易被盜賊發(fā)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于報(bào)警，檢測，遙控等領(lǐng)域。原理圖如圖1所示：

圖1 基于單片機(jī)的紅外報(bào)警系統(tǒng)原理圖

2.總體思路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、鍵盤控制、報(bào)警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：熱釋電紅外傳感器、報(bào)警器、單片機(jī)控制電路、LED控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。用戶終端完成信息采集、處理、數(shù)據(jù)傳送、功能設(shè)定、本地報(bào)警等功能。

此設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心模塊，單片機(jī)就是設(shè)計(jì)的中心單元，因此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

從設(shè)計(jì)的要求來分析該設(shè)計(jì)須包含如下結(jié)構(gòu)：熱釋電紅外傳感探頭電路、報(bào)警電路、單片機(jī)、復(fù)位電路及相關(guān)的控制管理軟件組成；它們之間的構(gòu)成框圖如圖2所示：

處理器采用51系列單片機(jī)AT89C51。整個(gè)系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件控制下工作的。紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經(jīng)放大電路、反相器送至至AT89C51單片機(jī)。經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部處理發(fā)出入侵報(bào)警狀態(tài)控制信號。

軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、在線調(diào)試等幾個(gè)階段，就本設(shè)計(jì)來說也包括這些過程。

3.基礎(chǔ)知識(shí)介紹

3.1 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報(bào)警器或各種自動(dòng)化節(jié)能裝置。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將這個(gè)電壓信號加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路[2]。如圖3所示為熱釋電紅外傳感器的外觀和內(nèi)部電路框圖。

圖3 熱釋電紅外傳感器的外觀和內(nèi)部電路框圖

3.2 AT89C51單片機(jī)簡單概述

AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存取器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)設(shè)置通用8位中央處理器(CPU)FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。為此，本設(shè)計(jì)選用AT89C51。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 AT89C51單片機(jī)功能方塊圖

4.具體電路模塊設(shè)計(jì)

4.1 熱釋電紅外傳感器原理

本設(shè)計(jì)所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結(jié)構(gòu)。其工作電路原理及設(shè)計(jì)電路如圖5所示，在VCC電源端利用C1和R2來穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當(dāng)檢測到人體移動(dòng)信號時(shí)，電荷信號經(jīng)過FET放大后，經(jīng)過C2，R1的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢唬俳?jīng)過NPN的轉(zhuǎn)化，輸出OUT為低電平。

圖5 熱釋電紅外傳感器原理圖

4.2 放大電路的設(shè)計(jì)

如圖6所示為最基本的放大電路，Vi是輸入電壓信號，Vo是輸出放大的電壓信號。

圖6 放大電路圖

4.3 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。

因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us[5]。如圖7所示為時(shí)鐘電路。

圖7 時(shí)鐘電路圖

4.4 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

復(fù)位方法一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作[6]。例如使用晶振頻率為12MHz時(shí)，則復(fù)位信號持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us[7]。本設(shè)計(jì)采用的是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路。如圖8所示為復(fù)位電路。

圖8 復(fù)位電路

圖9 發(fā)光二極管報(bào)警電路圖

4.5 發(fā)光二極管報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

由4個(gè)發(fā)光二極管接上電阻后連上單片的RXD的引腳，外接VCC，當(dāng)單片機(jī)的RXD引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，起到報(bào)警作用[8]。圖9所示為發(fā)光二極管報(bào)警電路。

4.6 聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

如圖10所示，用一個(gè)Speaker和三極管、電阻接到單片機(jī)的TXD引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路，如圖10所示為聲音報(bào)警電路。

圖10 聲音報(bào)警電路圖

4.7 系統(tǒng)硬件電路的選擇及說明

從以上的分析可知在本設(shè)計(jì)中要用到如下器件：AT89C51、熱釋電紅外傳感器、LED、按鍵、反相器74LS04、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路，以及單片機(jī)的手工復(fù)位電路等。在原理圖(見附錄)中，綠燈是正常工作指示燈，紅燈是起報(bào)警指示作用，當(dāng)RXD腳被置低電平時(shí)，紅燈亮開始報(bào)警，同樣，TXD腳置高電平時(shí)聲音報(bào)警電路開始工作。電路設(shè)有2個(gè)按鍵，按鍵1作為倒計(jì)時(shí)的中斷鍵，按鍵2鍵作為作為電路復(fù)位鍵。

5.軟件的程序?qū)崿F(xiàn)

5.1 主程序工作流程圖

按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如圖11所示；

圖11 主程序工作流程圖

5.2 中斷服務(wù)程序工作流程圖

本主程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：當(dāng)單片機(jī)檢測到外部熱釋電傳感器送來的脈沖信號后，表示有人闖入監(jiān)控區(qū)，從而經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部程序處理后，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路開始報(bào)警，報(bào)警持續(xù)10秒鐘后自動(dòng)停止報(bào)警，然后程序開始循環(huán)工作，檢測是否還有下次觸發(fā)信號，等待報(bào)警從而使報(bào)警器進(jìn)入連續(xù)工作狀態(tài)。同時(shí)，利用中斷方式可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警持續(xù)時(shí)間未到10秒時(shí)，用手工按鍵停止的聲光報(bào)警的作用。手工按鍵停止報(bào)警中斷服務(wù)程序工作流程圖，如圖12所示：

圖12 中斷服務(wù)程序工作流程圖

5.3 軟件仿真

本設(shè)計(jì)通過利用Proteus仿真，Proteus它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。本設(shè)計(jì)所要求達(dá)到的目標(biāo)是在接收到紅外傳感器帶來的低電平信號，可使綠燈由亮變暗，紅燈產(chǎn)生報(bào)警，可觀察到紅燈變亮，蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)報(bào)警結(jié)束后，綠燈亮起，紅燈熄滅，蜂鳴器停止報(bào)警。

6.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能防盜報(bào)警器。該防盜報(bào)警器通過以AT89C51單片機(jī)為工作處理器核心，外接熱釋電紅傳感器，它能有效的抑制人體輻射波長以外的紅外光線與可見光的干擾。平時(shí)傳感器輸出高電平，當(dāng)有人在探測區(qū)范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)輸出高電平變?yōu)榈碗娖剑说碗娖捷斎雴纹瑱C(jī)，作為單片機(jī)的外部觸發(fā)信號處理，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部軟件編程處理后，單片機(jī)輸出控制信號，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路開始報(bào)警。

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