基于單片機的安全報警器設計

摘要：隨著時代的進步，人們對環(huán)境的安全性提出更高的要求，于是設計一個行之有效的安全警報器有很大的必要，而這里所設計的安全報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出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。熱釋電紅外傳感器既可用于安全報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測等領域。它是結合單片機、電子基礎、傳感器為一體的新技術。

1 安全報警器的總體設計方案

1.1 設計概述

隨著電子技術的發(fā)展，人們自身的安防意識也在逐漸增強。此類裝置設計的要點：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范圍。利用熱釋電人體紅外傳感器和單片機的設計，對傳感器微弱的信號進行放大的放大電路設計。當兒童接近窗子至0.5 m時，警報響起且防護網(wǎng)自動彈出。據(jù)兒童的身高體重標準表，我們設定1.2 m為我們的檢測范圍。

該報警器能探測人體發(fā)出的紅外線，當人進入報警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報警聲。本設計是利用熱釋電紅外線傳感器探測人體輻射出的紅外線信號原理設計出來的人體紅外線感應報警器。

該報警器主要由熱釋電紅外傳感器及其檢測電路、報警電路組成。熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用。檢測電路主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，從而實現(xiàn)報警功能的靈活應用。

1.2 設計任務與要求

1)該設計包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、單片機控制、報警等模塊。

2)本安全報警系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、報警器、單片機控制電路及相關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、功能設定、本地報警等功能。終端由中央處理器、輸入模塊、輸出模塊、通信模塊、功能設定模塊等部分組成。

3)系統(tǒng)可實現(xiàn)功能。當兒童接近窗子至0.5 m時，警報響起且防護網(wǎng)自動彈出。據(jù)兒童的身高體重標準表，我們設定1.2 m為我們的檢測范圍。

熱釋電紅外傳感器將探測到動作，設置在監(jiān)測點上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、比較電路送至門限開關，打開門限閥門送出TTL電平至AT89C51單片機，經(jīng)單片機處理運算后驅(qū)動執(zhí)行報警電路使警號發(fā)聲。并且防護網(wǎng)自動彈出，保護兒童安全，以防墜落。

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

4)該安全報警器的總體設計框圖如圖1。

2 安全報警器各功能模塊簡介

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80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件。探測距離(實測)：0.1 m～10 m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，它能組成防人侵報警器或各種自動化節(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。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路。在電子防盜、人體探測器領域中，被動式熱釋電紅外探測器的應用非常廣泛，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。

本設計所用的熱釋電紅外線傳感器就采用這種雙探測元的結構。其工作電路原理及設計電路如圖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。當檢測到人體移動信號時，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?，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 報警電路模塊

所謂報警系統(tǒng)的主要目的是為了在出現(xiàn)危急時給人以警示和提醒，從而進行相應的應急處理，進而達到避免意外事件發(fā)生和減少發(fā)生意外情況而帶來的各種損失。報警系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的重要組成部分，所以本設計在報警方面用單片機程序來設計。觸發(fā)可以用單片機觸發(fā)，具體電路此處省略。

2.3 單片機控制模塊

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

2.4 電機驅(qū)動電路設計

L6203是專用驅(qū)動集成電路，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)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，尤其是其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。當驅(qū)動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，借以控制防護網(wǎng)的開關。

3 安全報警器的軟件設計介紹

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AT89C51。主程序中僅完成了系統(tǒng)的初始化，然后就進入待機模式。其他功能模塊都在中斷服務子程序中完成。當產(chǎn)生中斷時，MCU被喚醒并執(zhí)行相應的中斷服務子程序，從中斷子程序返回后，系統(tǒng)又進入到待機模式。整個程序的設計使系統(tǒng)在絕大多數(shù)時間都處于最低功耗狀態(tài)。整個程序用C語言編寫，使用模塊化的設計方法，把各個模塊相關的程序放在一個文件中，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致單片機復位，使初始化無法完成。整個系統(tǒng)軟件需要對熱釋電紅外傳感器、報警器、防護網(wǎng)控制系統(tǒng)進行管理。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 電機控制系統(tǒng)

當傳感器檢測出兒童信號時，電機正轉(zhuǎn)，警報響起且防護網(wǎng)彈出;當警報解除，按下復位按鈕，電機反轉(zhuǎn)，防護網(wǎng)收回復位。

4 結束語

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

該設計是作為貴州師范大學2012～2013年科研項目來進行的。筆者參與了整個科研項目的設計實施過程，所設計的安全報警器經(jīng)過了現(xiàn)場使用實驗，運行效果證明實用性很強。同時，該設計采用了模塊化的設計思路，使該報警器設計進一步的市場化和系列化，具有較強的推廣市場和應用價值。