随着社会的进步，技术的发展，人们生活水平不断提高，以及社会治安环境的变化，社会大众的自我保护意识在不断的增强。特别是对于某些特别的场所如：银行保险，仓库安防，以及普通百姓的家庭财产安全，对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足一般家庭的防盗需要，设计了一个高性能，低成本的报警系统。整个系统主要包括硬件和软件设计两个部分，硬件部分包括单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路等组成。处理器采用技术较为成熟的51系列单片机AT89S52，红外探测器采用了D203B型热释电红外传感器，这个防盗报警系统具有制作简单、成本低，安装方便的优点，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方便和PC机通信，便于多用户统一管理，通过软件的设计，还可以充分利用单片机的端口资源，实现更多的探测手段，进行功能的扩展。
1 前言 1
2 设计方案 2
2.1 提出方案 2
2.1.1 方案 一 电压触发电路设计的报警器及特点 2
2.1.2 方案 二 AT89S52单片机设计的报警器及特点 3
2.2 方案论证 3
2.3 设计方法 3
3 硬件电路设计 4
3.1 整体分析 4
3.2 元件选择 5
3.2.1 AT89S52单片机概述 5
3.2.2 热释红外传感器简单介绍 8
3.3 检测电路的设计 9
3.4 最小单片机系统电路的设计 9
3.5 报警电路的设计 10
4 PCB设计 11
5 调式 12
5.1 软件的程序实现及调试 12
5.1.1 主程序工作的流程图 12
5.1.2 中断服务程序工作流程图 13
5.1.3 软件调试 14
5.2 硬件调试 14
6 结论概述 16
致谢 17
参考文献 19
附录 20
目录
1 前言
随着我国社会经济的快速发展，人们生活水平不断提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，家庭防盗意识深入人心。铁门铁窗等已经不能给人们带来太多的安全感，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足家宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。
目前使用较为普遍的报警器主要有压力触发式报警器、开关式电子防盗报警器和振动式防盗报警器等。这些不同种类的报警器具有不同的特点。
触摸式报警器：这一类报警器利用NPN型三极管组成触发开关或组成负阻效应振荡器等。当人用手触摸到电极片时，就发出响亮的报警声。此类报警器的特点是，当触发开关即压力板失效或主机停止工作时，很容易造成失报和误报，使得系统的可靠性低。
振动类报警器：振动类的报警器通常利用KD-9561四声音响IC片及少量外围元件组成。可将它置于要保护的物品内，一旦被保护的物品被移动，报警器即发出报警声，达到防盗的目的。此类报警器的特点是，制作简单、体积小、重量轻，但报警区域小，一般限于室内贵重物品，不适合用于整体家居安防报警体系。
开关类报警器：开关类的报警器主要在输入端口制作电子开关，控制输入电平的高低来达到报警的目的。此类防盗报警器的特点是，一般只有一个定点，有效范围小，且开关的使用寿命短易坏，导致失报误报率高、不可靠。
1
本设计采用热释电红外传感器作为检测电路，将监测到的人体红外信号转变为电信号后，输入到52单片机最小系统，经单片机控制电路运行处理后驱动报警电路执行报警。该设计的特点：一是使用热释电红外传感器，这是一种80年代发展起来，在90年代开始大量应用的新型敏感元件。它具有优异的性能，容易改变中心波长，且红外线是不可见光，具有强的隐蔽性和保密性，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，将其转变为电压信号。在防盗、警戒等安保装置中得到广泛的应用。二是采用单片机控制，单片机是现代电子智能仪器仪表的核心元件，工人智能性能高。若运用普通红外发送接收管作为报警系统，红外发射器和接受器件工作时要精确地还原发射端发射出的每一个数据，并通过低通滤波，加倍整流等措施驱动红外线发射管工作，且振荡电路频率必须调整在红外发射器件的工作频率上。本设计采用的方法，克服了以上报警器存在的问题，并得到较好的传输距离和稳定的性能。不足之处是热释电红外报警器只能安装在室内，因为它的误报率与安装的位置和方式有极大的关系。经过多次测试，系统工作情况稳定，本设计基本实现了人工智能报警的功能。
2 设计方案
在进行实际的设计和制作之前，我对比了几种常用的报警器设计方案，从技术的难度、可行性和成本等方面进行了分析。
2.1 提出方案 2.1.1 方案一 电压触发电路设计的报警器及特点
该报警电路主要由检测电路、自锁电路、解锁电路、振荡电路和扬声器组成。检测电路由门开关和集成运算放大器组成；报警自锁电路由运算放大器组成；定时解锁电路和人工解锁电路由电容及开关按钮组成；振荡电路由电容构成的文氏振荡电路组成。其电路工作原理如图2.1所示。
SHAPE 
图 2.1 电压触发式报警器
Figure 2.1 Voltage-triggered alarm
检测电路采用电压触发报警接口，且设有防破坏功能；在门上装有门开关，检测电路通过门开关电平的高低验证。当正常开门入室时，门开关为低电平；当非法开门入室时，门开关为高电平，驱动运算放大器使振荡电路起振，产生交流信号，电流驱动扬声器报警[1]。
电压触发式报警器检测电路的特点：制作简单、可靠，工作稳定，具有自锁功能和防破坏功能。但调试电路时需要注意，对定时时间的调试，通过调试电路的电阻值和电容量来改变定时时间（充电时间常数），若是选不好这两个定时时间，就不可能调到所需的定时时间。
2.1.2 方案二 AT89S52单片机设计的报警器及特点
AT89S52单片机设计的报警器，主要由单片机控制电路、红外探头电路、驱动执行报警电路等组成。其工作原理如图2.2所示。
图2.2 AT89S52单片机设计的报警器
Figure 2.2 AT89S52 microcontroller designed alarm
当有人闯入时，探测器监测出人体辐射的红外光谱变换成电信号，经过放大电路、比较电路送到门限开关；门限阀送出TTL（晶体管到晶体管的逻辑电平）电平到AT89S52单片机，单片机运行处理后驱动报警电路，发出报警信号。
AT89S52单片机设计的报警器的特点：采用AT89S52单片机控制，体积小，成本低；用人体移位传感器热释电红外传感器进行检测，安装隐蔽，不易被发现。探测信号采用脉冲信号，节能且抗干扰；能有效的判断是否有人出入，防护范围较大，系统工作稳定可靠。
2.2 方案论证
两个方案中，第一个方案采用振荡电路，产生交流信号驱动报警电路；第二个方案采用红外探测电路感应光谱变换成电信号送入单片机，再由单片机运行处理驱动报警电路。通过两种方案的比较，方案二更适合普通家居安全防范的需要。
2.3 设计方法
AT89S52单片机设计的报警器，主要由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路及其相关的控制管理软件组成。系统在用户端完成采集、处理、数据传送、本地报警等功能；在终端由中央处理器、输入模块、输出模块等组成。系统可以实现：家庭成员外出家宅无人时，将报警系统设置成外出布防的状态，让探测器工作起来。当有人闯入时，探测器监测出人体辐射的红外光谱变换成电信号，经过放大电路、比较电路送到门限开关，门限阀送出TTL电平到AT89S52单片机，单片机运行处理后驱动报警电路，发出报警信号[2]。
3 硬件电路设计
本章介绍设计的总体结构，叙述系统的各部分的功能，并对于系统的核心元件进行了说明。
3.1整体分析
热释电红外报警系统包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计指的是电路的硬件设计，其电路结构划分为：热释电红外传感器、LM393比较器等组成的信号检测电路；AT89S52单片机及其它的外围电路组成的控制电路；蜂鸣器、NPN型三极管等组成的报警执行电路。软件设计指的是AT89S52单片机控制电路的软件编程，其完成信息采集、处理、数据传送、本地报警等功能。总体设计框图如图3.1所示。
图3.1 总体设计框图
Figure 3．1 Design Diagram
以AT89S52单片机为核心控制模块，系统在软件控制下工作。在信号检测电路的监测端，热释电红外传感器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、比较电路送到门限开关；打开门限阀门送出TTL电平到AT89S52单片机。在单片机内，经过软件查询、识别、判决等执行后，发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大，并推动报警设备完成相应的动作。报警迟延10S的时间后自动解除，亦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，或在声光报警10S后由定时器自动消除报警[3]。
3.2 元件选择
硬件电路设计所需要的元器件如下：AT89S52单片机、热释电红外传感器、按键、比较器LM393、蜂鸣器和一些单片机的外围应用电路等。
3.2.1 AT89S52单片机概述
AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52单片机内有40个引脚，其中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
(1).电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：接+5V电源正端；GND（20脚）：接地。
(2).外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生器电路的输入端。
XTAL2（18脚）：振荡器的反相放大器的输出端。
(3).控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP等4种形式。
RST/VPD（9脚）：复位输入。晶振在工作时，RST(9脚)持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST（9脚）输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
ALE/ PROG （30脚）：地址锁存控制信号。当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。
PSEN(29脚):访问外部程序存储器选通信号。是片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。
EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接地GND。
(4)输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3.1所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
表3.1 P1口的第二功能引脚
Table 3.1 P1 port of the second function of pin
P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表3.2所示。
表3.2 P3口的第二功能引脚
Table 3.2 P3 port of the second function of pin
3.2.2 热释红外传感器简单介绍
热释电红外线（PIR）传感器是一种新型灵敏度高的探测原件。它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量并转换成电压信号输出[4]。
热释电红外线（PIR）传感器的原理特性
当人体辐射的红外线中心波长为9～10µm,而探测元件的波长灵敏度在0.2～20µm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可以通过光的波长范围为7～10µm,刚好合适人体红外辐射的探测，对其他波长的红外线由滤光片吸收，这样就形成一种专用的探测人体辐射的红外线传感器。一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦被热释电元件接收，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同所以不能抵消，经过信号处理输出电压信号。
为了提高热释电红外传感器的接收灵敏度，通常需要在传感器窗口上加装菲涅耳透镜。其工作原理是将移动物体或人体发射的红外线进入透镜，产生一个交替的“盲区”和“高灵敏区”，这样就产生了光脉冲。透镜由很多盲区和高灵敏度区组成，则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲而进入传感器。从而提高了接收灵敏度。物体或人体移动的速度愈快，灵敏度愈高[5]。菲涅耳透镜的正面外形图，如图3.3（a）所示，使用时将透镜的焦点对准传感器的敏感元件的中心，如图3.3（b）所示。
3.3检测电路的设计
检测电路主要由热释电红外传感器、比较器LM393、电阻器、三极管等组成。如图3.3所示D203B型热释电红外传感器作为探测头，当检测到信号时，输出一个频率为0.3~3Hz的信号；由引脚2输送到三极管Q1组成的共发射极放大电路，通过调试R4、R5的值使增益为75dB左右。信号在经过由LM393组成的过压比较器，实现的功能的当输入电压(Vin)与基准电压（Vref）行进比较，如果Vin>Vref,，就输出“1”；如果Vin<Vref，则输出“0”[6]。 使输出电压规范到两个标准值“0”、“1”输送到单片机最小系统中。
图3.4检测电路原理图
Figure 3.4 detection circuit schematic
3.4最小单片机系统电路的设计
对于一块单片机而言，只要给它提供复位电路、晶振电路、输入电源和地，它就可以正常工作，此时所构成的系统可以认为是单片机最小系统，如图3.5所示。最小的52单片机系统，由晶振时钟电路、复位电路、电源电路等构成。
图3.5 最小单片机系统电路图
Figure 3.5 Minimum circuit microcontroller system
晶振电路即时钟电路，由XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。反向放大器可以配置成内振荡器，用石晶振荡器。因为一个机器周期有6个状态周期，每个状态周期为2个振荡周期，一个机器周期有12个振荡周期，所以当外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHz，一个周期为1/12µS，一个机器周期为1µS[7]；对微调电容没有严格的要求，所以选用通用的典型电容为30pF。
复位电路采用外部手动按键复位电路，选用电容和电阻串联的形式，电容为电解电容为22µF,电阻为1K,当单片机在时钟电路工作以后，在RST端口持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作[8]。当石英晶振频率为12MHz时，复位信号持续时间大于2µS[9]。
3.5报警电路的设计
报警器电路由一个Speaker[10]和三极管、电阻、按键等组成，外接到单片机的TXD引脚上[11]，构成声音报警电路。如图3.6所示。
图3.6 声音报警电路图
Figure 3.6 Audio alarm circuit
4 PCB设计
在Protel99中利用原理图设计工具绘制最小单片机系统和检测电路及报警电路的原理图，且生成对应的网络表。进入PCB系统后设置PCB的设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等。规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等。设置好PBC后导入原理图，进行手动布局。布线时，从机械结构散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。对布线规则重新设置安全间距，走线层面和方向，过孔形状，走线线宽敷铜连接形状等进行设置。布线结束后对所有过孔和焊盘补泪滴，并放置覆铜区。其PCB效果图如图4.1及图4.2所示。
图4.1检测电路及报警电路的PCB
Figure 4.1 Test circuit and alarm circuit of the PCB
图4.2最小单片机系统的PCB
Figure 4.2 PCB smallest single chip system
5调试
5.1软件的程序实现及调试
5.1.1 主程序工作的流程图
主程序实现的功能是：当AT89S52单片机电路检测到外部热释电红外传感器送来的脉冲信号时，表明人入侵监控区域，由单片机内部处理后，驱动声音报警电路开始报警，报警持续10S后自动停止报警，程序进行循环工作，检测是否还有下一次的触发信号，等待报警使得报警器进入连续工作状态。程序见附录，其工作流程如图5.1所示。
图5.1主程序工作流程图
Figure5.1The flowchart of main program flowchart of main program
5.1.2 中断服务程序工作流程图
除了主程序中的自动停止报警外，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10S时，手动按键停止声音报警的作用。手动按键停止报警中断服务。程序见附录，工作流程图如图4.4所示。
图5.2中断服务程序工作流程图
Figure 5.2 The flowchart of the interrupt service routine
5.1.3 软件调式
采用兼容性强的Keil C51软件进行调试，进入 Keil C51的编辑界面：（1）建立一个新工程文件。（2）为工程文件输入名字“C52”存到C52里。（3）为工程文件，选择保存的路径， 在弹出的对话框中选择单片机的型号AT89S52，然后点击确定。（4） 单击文件菜单，在下拉菜单中新建空白文件选项，新建文件建好后，在编辑窗口里编写应用的程序，程序见附录一所示[12]。（5）程序编译成功后，对程序进行调试程序，调试成功后可以看到程序运行后的结果。（6）为调试成功的程序编译代码，使程序编译后产生HEX代码，供下载器软件使用。（7）将程序下载到AT89S52单片机中[13]。
5.2 硬件调试
对最小52单片机硬件的调试
首先完成最基本的安装调试，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，电源部分做好才能保证电路的正常工作。52单片机最小系统电源，由稳压电源输出的+5V直流电压通过专门的电源插座把直流电压引入供单片机系统使用，电阻和绿色的LED组成+5V电源的工作指示电路，我们根据绿色的LED来判断整个电源部分是否工作正常，并且通过万用表测量电源输出+5V直流电压，调试结果正常。但仍需稍加注意的是有极性的电解电容、绿色的LED指示灯正负不要接反。单片机芯片与晶振系统的调试,用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，测量结果正常，18引脚对地电压为2.23V，19引脚为2.10V。复位电路通过模拟上电复位的方法检测，用导线短时间将正常工作下的单片机第9引脚和+5V连接，结果单片机不能正常工作了，说明复位电路没有问题。其调试结果如表5.1所示。
对检测电路的硬件调试
检查线路应焊接无误后, 电源电路调试。断开负载，用万用表测量各个元器件对应引脚应有的电压，系统工作情况稳定。对监测信号的测试主要通过改变滑动变阻器R4、R5阻值的调试输入电压Ui和输出电压Uo的值，从而改变输出信号的放大倍数Au。其调试结果如表5.2所示。
表5.1 最小52单片机系统的硬件测试
Table 5.1 Minimum 52 MCU hardware test
表5.2检测电路的硬件测试
Table 5.2 The hardware detection circuit test
5 结论概述
本设计通过AT89S52单片机作为工作的核心处理器，是一种基于单片机技术的智能安防报警器；用热释电红外传感器作为探测器件，是一种新颖的被动式红外探测器件，能以非接触方式探测出人体发出的红外辐射后，将其转化为相应的电信号输出，有效的抑制人体辐射波长之外的红外光线与可见光的干扰，平时传感器输出低电平，当有人入侵探测区域时输出的低电平转变为高电平输出，高电平输入到单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经过单片机内部软件的编程处理，输出控制信号，驱动声音报警电路报警。本设计的优点是使用户能简单操作、灵活，智能性高、安装方便。报警器信号经过单片机系统处理后能方便和PC 机通信，可以多用户统一管理。随着社会经济的发展及人们安全意识的增强，本设计可有更广泛的发展领域。
通过这次的毕业设计，让我重新系统的复习了专业课程的理论知识，使得我更加清楚的认识到理论和实践的差别，看清自己在实践动手能力方面的不足，另一方面本次毕业设计更进一步的培养了我的独立思考能力，进一步的提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。我的毕业设计目前将告一段落，设计过程中让我自己发现的不足和存在问题，有待自己进一步的学习和发展，加深与同学间的沟通和交流，只有这样才有可能让自己在未来的工作和学习中正确的认识自我更快的适应社会生产生活。
致谢
非常感谢老师和同学们在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导和帮助。从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这两年来给我的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！