家庭报警防盗报警系统设计传感器课程设计大学论文

传感器课程设计

家庭报警防盗报警系统设计

2016年6月

目录

一.设计要求

1.1传感器的简介

1.2报警系统发展的背景

1.3设计的目的、意义

1.4 报警系统的发展趋势

1.5 设计应解决的问题

二.设计内容

2.1设计原理

2.2设计的相关技术

2.3 实物的简介

三.硬件电路的设计

3.1主机电路设计

3.2 用户端传感器设计

3.3 蜂鸣器电路的设计

3.4电源电路设计四．软件设计

4.1 程序语言设计

4.2 报警装置的程序设计五．结论

六．参考文献

附录

附录1

附录2

附录3

附录4

一．设计要求

1.1传感器的简介

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

目前，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

1.2报警系统发展的背景

随着社会经济水平加速发展，人民生活状况也越来越好，于是大家就对住宅功能的要求有所提高，在有一个舒适，温暖的家的同时，还想有更多的功能，更安全的环境。但是，凡事有利必有弊，经济发展得快，也产生了一些负面影响，贫富差距开始扩大，流动人口也越来越多，盗窃，抢劫的案件也有所增加。这时，人们开始迫切需要一种能自动监控、自动报警的“电子保安”，对家庭安全进行保护。这样人们才既可以专心工作的，也可以避免损失。

早期的防盗报警器主要用于室内，随着报警技术的不断发展和完善，现在人们已研制出多种可用于室外做周界防范的报警器。如主动红外报警器、激光报警器、微波墙报警器、电场感应报警器、驻极体电缆报警器、泄漏电缆报器等等。它们各有特点，适合不同环境条件下采用，对防范场所的周界起报警探测作用。目前应用最多的是微波/被动红外双技术报警器。近年来报警领域里的一项最大成果是数字视频报警器的研制成功，数字视频报警器是随着数字电路技术、计算机技术和电视技术的发展而出现的一种新式报警器，它集电视监视与报警技术于一体，具有监视、报警、复核和图像记录取证多种功能，是当前一种最为先进的报警器。例如红外线是一种不可见光，有极强的隐蔽性和保密性，因此在安全警报等安全设备上得到广泛使用。大多数红外报警系统采用国外先进的技术，它的功能也非常先进。包括被动式热释电红外报警，也是本文研究的产品。

1.3本设计的目的、意义

报警器在现实生活中应用非常的广泛，家庭防盗，汽车安全防盗，企业内部安全保障，特别是金融行业等。一般传统式的报警器采用机械式的，如压电式报警器，当有入

侵者将压力施加与压电传感器时，机械能在压电传感器中转化为电能，通过放大电路，将信号方法，从而带动发声报警装置，这类报警装置通过物体的接触实现信息的采集，容易被发现，隐蔽性能差，容易遭到破坏，而且传统式的报警器使用寿命短，造成不必要的经济浪费。

一般的防盗报警系统是利用探测器单元对重要位置和保护区内、外的建筑进行检测。当探头检测到非法入侵，报警器进行报警。本文的目的是设计一个安全报警系统采用红外传感器，把红外传感器放在门上，一旦发现有人入室行窃，通过单片机控制蜂鸣器响起来以此来提醒主人家遭非法入侵了。在本文中，开发的报警功能如下：（1）可实现非法入侵报警；

（2）采用热释电红外传感器感应非法入侵，入侵者移动即可感应；

（3）蜂鸣器报警，可实现紧急手动报警和感应自动报警，增加安全性；

（4）有一定的布防时间，给主人撤离提供时间。

设计的意义就在于创在一个安全的环境，给家庭一个温暖、安全、舒适的家，更好的维护社会治安，保障家庭成员的人身安全和财产安全，减少犯罪案件的发生，常遭一个更加和谐安康的社会。

1.4报警系统的发展趋势

随着经济的发展，农村城镇化和人员流动性增大，社会治安状况更趋复杂，因此作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要”。传统防盗网、防盗窗等家居防卫措施在实际使用中暴露出一些明显的问题，如：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险等。

所以作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能小区的等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防范、信息管理、物业管理和信息网络等系统。因此，小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中。

防盗报警系统的发展是向着数字化、无线化、集成化的方向发展，所以防盗报警的技术在以后的发展趋势有如下几点：

（1）更高的稳定性、可靠性，减少传感器的故障率：如探测器可抗RFI/EMI（电磁干扰/射频干扰）、防雷电等，以适应恶劣气候；

（2）功能的多样化；

（3）更轻便、小巧的外观，方便安装；

（4）更智能化的设计；

（5）更强大的联网功能；

（6）更方便的扩展性。

目前，我国安全技术与国际基本接轨。多个系统可以由一台计算机统一控制，这标志着我国安防事业步入了一个新的里程碑。

1.5设计应解决的问题

本设计主要解决的问题有：

（1）提高报警器的稳定性、可靠性，提高对外界因素的干扰率，减少故障率，使报警器更稳定可靠，减少误报、不报的情况发生。

（2）使报警器更加的轻便、小巧，使报警器更加的智能化，以便于隐藏，不被轻易地发现，更好的保障家庭的安全。

二．设计内容

2.1设计原理

智能小区安防报警系统的开发和设计方案是根据我国住宅建设的实际情况，以满足居民生活在新时期的要求为宗旨，并充分考虑其经济性和可靠性。系统组成框图如图1所示。

一般都是把探测器安装在用户需要防范的部位，如门窗、客厅、厨房，卧室等，当系统处于工作布防状态时，一旦发现有外人入侵，与之相应的报警探测器立即向报警主机发出报警信号，接到警情事件后，自动报警主机立即进行确认，确认无误后，蜂鸣器会发出报警声。

图1系统组成框图

2.2设计的相关技术

本次设计中主要相关的使两种技术，一种是传感器技术，另一种是单片机技术，下面对两种技术进行简单的介绍。

1.传感器技术

现在的信息采集技术都离不开传感器技术，它已经成为现在工业技术应用中一门不可或缺的技术。传感器是由两个部分组成，分别是敏感元件和转换元件。敏感元件，是传感器能直接感受输入量的部分。而转换元件的作用是传感器能把敏感元件接收到的部分转换成可用信号。

传感器主要用于三个方面

（1）信息采集：对于一些特别的要求，需要检测目标状态的存在，在一定的状态下信息转换为数据，对装置和系统进行监测。

（2）信息数据的交换：把多种形式的信号，如图形、文字等，显示在纸上或显示在胶片上的信息，转换成电脑、传真等仪器可接收的信号，实现了各种媒体之间的变换。

（3）控制信息采集：由系统的状态信息控制系统的工作状态，或在目标跟踪系统的变化。

传感器的应用范围很广，在很多领域都得到应用，它不仅能满足我们对检测的可靠性的要求，也满足经济性，实用性，安装简单等要求。本设计所选的热释电红外传感器就是传感器的一种，主要由传感器探测元、菲涅尔透镜、干涉滤光片和场效应管匹配器等几部分组成。

在实际应用中，当犯罪分子试图进入室内的门窗时，热释电红外传感器就可以检测到的红外信号下的人体运动。

设计中用到的热释电红外传感器在报警系统中应用很多，它是一种以非接触的形式感应红外辐射并将其转换为电信号的仪器，由于其可较好的完成对小动物、电磁场、灯光等干扰的抵抗，且它本身不发任何类型的辐射，具有器件功耗小，隐蔽性好，灵敏度高而且价格低廉的优点，是一种性能较为优越，实用性高的传感器，目前已广泛应用于各类防盗报警器材的制造。

热释电红外传感器的工作原理是利用热电效应原理来完成对红外辐射的感应，所谓的热电效应指的是受热物体中的电子由高温处向低温处移动时产生电流或者电荷堆积的一种现象。首先，菲涅尔透镜接受并聚集待测物体释放出的红外辐射;其次，热释电红外传感器将菲涅尔透镜传递过来的红外辐射转换为电信号;再次，由信号处理电路对电信号进行所需处理;最后，报警电路根据传递过来的电信号发出报警音等现象。

热释电红外传感器具有在高度上防小动物干扰，在频率上抗电磁干扰等抗干扰性能；在实际安装中，热释电红外传感器安装时应远离空调，炉灶等空气温度变化大的地点。

振动位移传感器：

全固态控制装置的振动和位移测量，是目前检测和报警的最佳选择，加速度传感器部分采用先进的固体状态检测装置，已经具有很高的检测灵敏度，对于周围环境中声音信号的抑制能力，抗干扰能力强，可广泛应用于汽车、门等需要防盗的位置，内部有特殊的控制芯片，应用非常方便，可直接进行小功率负载。

2.单片机技术

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从不同角度来看，单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

单片机的特点：

（1）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般内ROM：8KB以下；

（2）内RAM：256KB以内。

（3）可靠性高

（4）易扩展

（5）控制功能强

（6）易于开发

在单片机中，主要使用的存储器是半导体存储器，从使用功能上可以分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的。ROM存储器是作为程序存储器，一般用于存放一些固定的数据或程序，具有结构简单，信息度高，价格低，非易失性和可靠性高等特点。而RAM存储器作为数据存储器，用来存放现场输入的数据，或者存放可以更改的运行程序或数据，其优点是读/写方便，但断电后RAM存储器中的信息会丢失。

这种结构主要是考虑到单片机作为控制系统，具有较大的程序存储空间，和少量的随机数据在内存中，这样，可以将小容量数据存储在高速存储器中，再集成在单片机上，来加快执行的速度。为了满足控制要求，单片机的逻辑控制能力优于同级别的CPU，具有强大的处理能力。

单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于在单片机的引脚个数有限，为了解决当前引脚数的信号线匹配的矛盾，使用一对引脚重复的功能，哪些引脚处于哪种功能，可以通过机器来区分。

单片机的功能是通用的。单片机主要用于作控制器，但其功能具有通用性，可广泛用于各种微处理器。

2.3 实物的简介

家庭报警防盗系统主要是由报警指示灯、电源指示灯、布防指示灯、紧急报警按钮、布防按键、复位按键、总开关、红外传感器、蜂鸣器组成。

报警指示灯的作用是当有入室盗窃的情况发生时，蜂鸣器会进行报警，红色报警指示灯会立刻亮起，表示当前系统处于报警状态；电源指示灯的作用是当接通电源时，指示灯会亮起，持续约1秒钟，表示电源已接通。当报警时，指示灯会常亮；布防指示灯的作用是当户主离开前，将系统置于布防状态，即开启防盗监测。布防开始时，布防指示灯会持续闪烁约20秒，然后绿灯常亮进入布防状态，此阶段开启红外感应，当有外来者闯入时，系统开始报警，并且三个指示灯同时亮起。紧急报警按钮的作用是当出现紧急情况，如入室抢劫等，并且此时系统并未处于布防状态，户主可按下紧急报警按钮，则红色报警指示灯亮，蜂鸣器鸣叫，进行紧急报警；布防按键的作用是户主外出之前，按下布防按键，约20秒后，系统进入布防状态，此时一切入侵者都会触发报警，户主回家进门前取消布防；复位按键的作用是可用于取消报警，当误按了紧急报警时，按下复位键可以取消报警；总开关的作用是控制电路的电源总开关；红外传感器的作用是当系统进入布防状态时，启动红外传感器，当传感器检测到运动的人体体温后，就会触发报警。需要注意的是，红外传感器智能检测到处于运动状态的人体，不能检测处于静止的人体；蜂鸣器的作用是当系统处于报警状态时，蜂鸣器会发出响声。

家庭报警防盗系统实物图如图2，图3所示：

图2 家庭报警防盗系统实物图

图3 家庭报警防盗系统实物图

三．硬件电路的设计

本设计的硬件设计主要是对主机电路、用户端传感器、蜂鸣器电路和电源电路的设计。

3.1主机电路设计

本次设计采用的是AT89C51单片机。单片机是将中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。目前市面上已经有32位和64位单片机，但根据实际情况，本设计选用八位单片机AT89C51构成主机系统。

主机电路主要是由三大部分组成：1.复位电路、2.时钟电路、3.键盘电路。主机电

路的原理图如图4所示。

图4 主机电路原理图

1.复位电路

复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的状态，并从这个状态开始工作。单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

当89C51通电，时钟电路开始工作，在89C51单片机的RST引脚加上大于24个时钟周期以上的正脉冲，89C51单片机系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0~P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其他专用寄存器被清零。表5为复位后的内部特殊功能寄存器状态。

外部复位电路分为两种：上电自动复位和按键手动复位。

表5 复位后的内部特殊功能寄存器状态

寄存器复位状态寄存器复位状态

PC 0000H TCON 00H

AC 00H TL0 00H

PSW 00H TL1 00H

SP 07H TH0 00H

DPTR 0000H TH1 00H

P0~P3 FFH SCON 00H

IP XX000000B SBUF 不定

IE 0X000000B PCON 0XXX0000B

TMOD 00H

上电复位电路图如下：

图6 上电复位

2.时钟电路

时钟电路产生的方法分为两种，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，电路图如图7、图8所示。

图7 内部方式时钟电路

图8 外部方式时钟电路

3.键盘电路：

键盘是一个具有输入功能的设备，在本设计中，选用软件实现键盘扫描。

考虑到系统的易操作性，本设计采用独立式键盘。独立按键式键盘应用在按键操作较少的情况，按钮和单片机的I/O线直接连接。行列扫描键盘用于需要更多按键的情况。独立式键盘电路如图9所示。

图9 按键电路图

3.2 用户端传感器设计

本系统采用两种传感器：热释电红外探测器和振动位移传感器。两个传感器通过一个非门相连，任何传感器接收报警信号，单片机做出反应。这样的复合传感器的设计，提高了安全性，也能减少漏报的可能性发生。

1.热释电红外传感器电路设计

本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图10所示，引脚功能如下：

(1) 数字1脚：电源负极

(2) 数字2脚：信号输出，高电平有效，4～6V和工作电压有关

(3) 数字3脚：电源正极 DC6～9V

(4) W1：灵敏度调整

(5) W2：输出延时调整 5～120秒

图10 热释电红外传感器的引脚示意图

技术参数如下：

·工作电压：DC6～9V

·电平输出：和电源电压相同

·静态电流：小于750μA

·无信号输出：0V

·感应距离：0.5～15米

·感应角度：水平：90～140度；垂直：15～30度

·输出电平：4～6V与工作电压有关

·工作时间：可调5-120秒范围

·外形尺寸：28mm×38mm 高25毫米（最高点）

当探测器检测到异常的情况，由2脚输出高电平1，发送到单片机上，单片机做出报警响应。

3.3 蜂鸣器电路的设计

本设计的蜂鸣器报警电路如图11所示,该蜂鸣器用一个三极管0913驱动。单片机引脚P2.0连接0913的基极输入端。当P2.0输出高电平1时，三极管导通,蜂鸣器获得约+5V的电压，进行发声；当P2.0输出低电平0时,三极管不导通，蜂鸣器不发声。

图11 蜂鸣器电路

3.4电源电路设计

本系统的电源通过三节5V干电池供电。

四．软件设计

4.1 程序语言设计

计算机完成工作，必须按顺序进行。用计算机语言描述解决问题的步骤，就是程序设计。但单片机微机有像监控系统，编程或操作系统或软件系统，所有的单片机程序必须由用户编写是单片机设计不可缺少的内容。程序设计的基础，包括不同类型程序的设计方法和技术。

程序设计的基本思路

(1) 设计任务的分析、确定思路或算法。

(2) 程序的总体设计，画出流程图。

(3) 编写源程序。

(4) C源程序调试。

(5) 编写程序说明文件。

2.C语言程序设计方法

·C程序的基本结构是由简单程序、分支程序、循环程序、查表程序、子程序、中断程序等结构化的程序模块组成的。

·划分功能模块进行设计。

·自上而下逐渐求精。

4.2 报警装置的程序设计

家庭报警防盗装置的软件部分采用模块化设计，分为主程序、扫键程序等。用C语言编程，仿真后用烧写器将程序写入单片机。下图12为家庭报警防盗系统的程序流程图。