基于單片機(jī)的安全報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境的安全性提出更高的要求，于是設(shè)計(jì)一個(gè)行之有效的安全警報(bào)器有很大的必要，而這里所設(shè)計(jì)的安全報(bào)警器則采用了傳感元件——熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。熱釋電紅外傳感器既可用于安全報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。它是結(jié)合單片機(jī)、電子基礎(chǔ)、傳感器為一體的新技術(shù)。

1 安全報(bào)警器的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)概述

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們自身的安防意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)。此類裝置設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：其一是能有效判斷是否有兒童接近窗戶;其二是盡可能大地增加防護(hù)范圍。利用熱釋電人體紅外傳感器和單片機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器微弱的信號(hào)進(jìn)行放大的放大電路設(shè)計(jì)。當(dāng)兒童接近窗子至0.5 m時(shí)，警報(bào)響起且防護(hù)網(wǎng)自動(dòng)彈出。據(jù)兒童的身高體重標(biāo)準(zhǔn)表，我們?cè)O(shè)定1.2 m為我們的檢測(cè)范圍。

該報(bào)警器能探測(cè)人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人進(jìn)入報(bào)警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報(bào)警聲。本設(shè)計(jì)是利用熱釋電紅外線傳感器探測(cè)人體輻射出的紅外線信號(hào)原理設(shè)計(jì)出來的人體紅外線感應(yīng)報(bào)警器。

該報(bào)警器主要由熱釋電紅外傳感器及其檢測(cè)電路、報(bào)警電路組成。熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用。檢測(cè)電路主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的靈活應(yīng)用。

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

1)該設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)控制、報(bào)警等模塊。

2)本安全報(bào)警系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、報(bào)警器、單片機(jī)控制電路及相關(guān)的控制管理軟件組成。用戶完成信息采集、處理、數(shù)據(jù)傳送、功能設(shè)定、本地報(bào)警等功能。終端由中央處理器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、功能設(shè)定模塊等部分組成。

3)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能。當(dāng)兒童接近窗子至0.5 m時(shí)，警報(bào)響起且防護(hù)網(wǎng)自動(dòng)彈出。據(jù)兒童的身高體重標(biāo)準(zhǔn)表，我們?cè)O(shè)定1.2 m為我們的檢測(cè)范圍。

熱釋電紅外傳感器將探測(cè)到動(dòng)作，設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號(hào)，經(jīng)放大電路、比較電路送至門限開關(guān)，打開門限閥門送出TTL電平至AT89C51單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行報(bào)警電路使警號(hào)發(fā)聲。并且防護(hù)網(wǎng)自動(dòng)彈出，保護(hù)兒童安全，以防墜落。

當(dāng)然，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性也是追求的重要指標(biāo)。至于報(bào)警可采用聲光信號(hào)。

4)該安全報(bào)警器的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2 安全報(bào)警器各功能模塊簡(jiǎn)介

2.1 熱釋電紅外傳感器原理

熱釋電紅外線傳感器是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。探測(cè)距離(實(shí)測(cè))：0.1 m～10 m是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，它能組成防人侵報(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(cè)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(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路。在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。

本設(shè)計(jì)所用的熱釋電紅外線傳感器就采用這種雙探測(cè)元的結(jié)構(gòu)。其工作電路原理及設(shè)計(jì)電路如圖2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(hào)。當(dāng)檢測(cè)到人體移動(dòng)信號(hào)時(shí)，電荷信號(hào)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?，再?jīng)過NPN的轉(zhuǎn)化，輸出OUT為低電平。圖2為熱釋電紅外傳感器原理圖。

2.2 報(bào)警電路模塊

所謂報(bào)警系統(tǒng)的主要目的是為了在出現(xiàn)危急時(shí)給人以警示和提醒，從而進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處理，進(jìn)而達(dá)到避免意外事件發(fā)生和減少發(fā)生意外情況而帶來的各種損失。報(bào)警系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，所以本設(shè)計(jì)在報(bào)警方面用單片機(jī)程序來設(shè)計(jì)。觸發(fā)可以用單片機(jī)觸發(fā)，具體電路此處省略。

2.3 單片機(jī)控制模塊

隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高，體積將更小，功能將更強(qiáng)，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)AT89C51，其片內(nèi)含有4 kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只瀆程序存儲(chǔ)器。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

L6203是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流為2 A，最高電流5 A，最高工作電壓48 V，最高頻率100 kHz，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，尤其是其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，借以控制防護(hù)網(wǎng)的開關(guān)。

3 安全報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)介紹

3.1 主程序流程圖

本系統(tǒng)的MCU使用了ATMEL公司的低功耗單片機(jī)AT89C51。主程序中僅完成了系統(tǒng)的初始化，然后就進(jìn)入待機(jī)模式。其他功能模塊都在中斷服務(wù)子程序中完成。當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，MCU被喚醒并執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，從中斷子程序返回后，系統(tǒng)又進(jìn)入到待機(jī)模式。整個(gè)程序的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在絕大多數(shù)時(shí)間都處于最低功耗狀態(tài)。整個(gè)程序用C語言編寫，使用模塊化的設(shè)計(jì)方法，把各個(gè)模塊相關(guān)的程序放在一個(gè)文件中，便于分塊調(diào)試和管理，縮短了調(diào)試周期。

在主程序中，首先關(guān)閉了看門狗和總中斷，避免了在初始化過程中看門狗或其他中斷導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位，使初始化無法完成。整個(gè)系統(tǒng)軟件需要對(duì)熱釋電紅外傳感器、報(bào)警器、防護(hù)網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行管理。以上模塊均在主程序中完成初始化過程，系統(tǒng)流程圖如圖4。

3.2 電機(jī)控制系統(tǒng)

當(dāng)傳感器檢測(cè)出兒童信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，警報(bào)響起且防護(hù)網(wǎng)彈出;當(dāng)警報(bào)解除，按下復(fù)位按鈕，電機(jī)反轉(zhuǎn)，防護(hù)網(wǎng)收回復(fù)位。

4 結(jié)束語

本設(shè)汁研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的智能安全報(bào)警器。該報(bào)警器通過以AT89C51單片機(jī)為工作處理器核心，外接熱釋電紅外傳感器，能夠以非接觸方式探測(cè)出人體發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。

該設(shè)計(jì)是作為貴州師范大學(xué)2012～2013年科研項(xiàng)目來進(jìn)行的。筆者參與了整個(gè)科研項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)施過程，所設(shè)計(jì)的安全報(bào)警器經(jīng)過了現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行效果證明實(shí)用性很強(qiáng)。同時(shí)，該設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，使該報(bào)警器設(shè)計(jì)進(jìn)一步的市場(chǎng)化和系列化，具有較強(qiáng)的推廣市場(chǎng)和應(yīng)用價(jià)值。