紅外線警報(bào)器設(shè)計(jì)

1、摘 要 本文介紹了紅外發(fā)射和紅外接收的工作原理及其特點(diǎn)，提出了一種 紅外線接收發(fā)的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路，并基于 AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn) 單的紅外遙控報(bào)警電路。用紅外線做信號(hào)載波具有成本低、傳播范圍和 方向可以控制、不產(chǎn)生電磁輻射干擾和被干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛 地應(yīng)用在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中。 目 錄 1.引言.1 2.設(shè)計(jì)方案思路.2 3.總體設(shè)計(jì).2 4.硬件設(shè)計(jì).1 4.1硬件介紹.1 4.2硬件電路.2 4.2.1紅外對(duì)射電路.2 4.2.2顯示電路原理 .3 4.2.3報(bào)警電路原理.4 5.軟件設(shè)計(jì).5 5.1總體方案.5 5.2程序流程圖.5 5.3模塊說(shuō)明.6 6.制作與調(diào)試.7

2、6.1硬件電路的布線與焊接.7 6.2調(diào)試.8 7.結(jié)論.8 參考文獻(xiàn).9 謝辭.10 附件 1紅外線收發(fā)技術(shù)系統(tǒng)原理圖 .11 附件 2紅外線收發(fā)技術(shù) PCB 圖 .13 附件 3程序清單 .14 附件 4 元器件清單 .16 1.引言 當(dāng)今年代，紅外線發(fā)展火熱。紅外線(Infrared rays)也是一種光線，由于它的波 長(zhǎng)比紅色光（750nm)還長(zhǎng)，超出了人眼可以識(shí)別的（可見(jiàn)光）范圍，所以我們看不 見(jiàn)它。紅外線由德國(guó)科學(xué)家霍胥爾于 1800 年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射(Infrared Radiation)。通常把波長(zhǎng)為 0.751000m 的光都稱為紅外線，并可以按照波長(zhǎng)繼續(xù) 細(xì)分為三部

3、分，即近紅外線，波長(zhǎng)為 0.751.50m 之間；中紅外線，波長(zhǎng)為 1.506.0m 之間；遠(yuǎn)紅外線，波長(zhǎng)為 6.0l000m 之間。紅外對(duì)射的特點(diǎn)是不影 響周邊環(huán)境、不干擾其它設(shè)備，紅外線是一種光線，但又不同于普通可見(jiàn)光，它不 會(huì)被察覺(jué)有了它不僅大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了成本，而且減輕了人們的勞動(dòng) 強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)條件?？梢允褂靡粚?duì)紅外線發(fā)射與接收的裝置，構(gòu)成紅外線的對(duì) 射系統(tǒng)，稱為主動(dòng)式紅外線應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)紅外線收、發(fā)裝置之間的隱形光路被阻擋 時(shí)，接收裝置可以立即察覺(jué)到，發(fā)出警示信號(hào)。利用這種對(duì)射系統(tǒng)，可以很方便地 構(gòu)建各種隱蔽的防盜警戒布控，還可以用于各種設(shè)備的安全防護(hù)或者自動(dòng)控制方面，

4、 過(guò)探測(cè)特定空間中，一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)紅外光線的位置移動(dòng)，識(shí)別空間范圍內(nèi)是否有 移動(dòng)人體存在，達(dá)到安全警戒或者自動(dòng)控制的目的1。使用紅外線做信號(hào)載波的優(yōu) 點(diǎn)很多：成本低、傳播范圍和方向可以控制（不會(huì)穿過(guò)墻壁，對(duì)隔壁家的電視造成 影響） 、不產(chǎn)生電磁輻射干擾，也不受干擾等等。因此被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域 中2。 紅外防盜報(bào)警器有以下的優(yōu)勢(shì)： 1、無(wú)形的防衛(wèi)方式：打破傳統(tǒng)的防盜方式，使入侵者在不知不覺(jué)中觸警。 2、良好的抗干擾特性：當(dāng)昆蟲(chóng)或小動(dòng)物等通過(guò)防盜網(wǎng)時(shí)，由于不能完全遮斷防衛(wèi)射 束，所以不會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)警。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh P

5、rogrammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理 器，俗稱單片機(jī)3。AT89C 單片機(jī)的發(fā)展為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性 高且價(jià)廉的方案。 。 2.設(shè)計(jì)方案思路 本次設(shè)計(jì)的思路是安裝 4 個(gè)紅外接收頭，4 位共陽(yáng)數(shù)碼管，一個(gè)蜂鳴器。任 意一個(gè)紅外線切斷，數(shù)碼管顯示相應(yīng)的位數(shù)，蜂鳴器接著報(bào)警，然后按下復(fù)位 鍵，回到初始狀態(tài)。 3.總體設(shè)計(jì) 紅外線報(bào)警器采用 AT89C51 作為主要的芯片來(lái)制作，AT89C51 芯片的功能比 較全。紅外對(duì)射由發(fā)射管和接收管兩部分組成，當(dāng)發(fā)射管和接收管在某一角度的范 圍之內(nèi)，接收頭接收

6、到發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)時(shí)，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)有障礙物 阻擋了紅外對(duì)射管之間的信號(hào)傳輸，那么相應(yīng)的指示燈熄滅，同時(shí)報(bào)警器鳴叫，提 示報(bào)警。 開(kāi)始 紅外發(fā)射電 路 一體化紅外 接收頭 單片機(jī) 結(jié)束 報(bào)警 圖 3-1本方案的紅外基本原理 4.硬件設(shè)計(jì) 4.1硬件介紹 紅外對(duì)射管：紅外對(duì)射管由紅外發(fā)射管和紅外接收管兩部分組成。紅外發(fā)射管 在外加電壓的情況下可以產(chǎn)生出紅外線。紅外線是一種光線，具有普通光的性質(zhì)， 但又不同于普通可見(jiàn)光，它不會(huì)被察覺(jué)4。紅外線具有可以光速直線傳播、強(qiáng)度可 調(diào)、可以通過(guò)光學(xué)透鏡聚焦、可以被不透明物體遮擋等等諸多優(yōu)點(diǎn)5。紅外接收管 是與發(fā)射管配對(duì)的特制二極管，它可以接收到紅外

7、發(fā)射管發(fā)射出的紅外線，并產(chǎn)生 微小的光電流，可以使用一對(duì)紅外線發(fā)射與接收的裝置，構(gòu)成紅外線的對(duì)射系統(tǒng)， 稱為主動(dòng)式紅外線應(yīng)用系統(tǒng)。使用中，經(jīng)常配對(duì)出現(xiàn)，當(dāng)紅外線收、發(fā)裝置之間的 隱形光路被阻擋時(shí)，接收裝置可以立即察覺(jué)到，發(fā)出警示信號(hào)6。利用這種對(duì)射系 統(tǒng)，可以很方便地構(gòu)建各種隱蔽的防盜警戒布控，還可以用于各種設(shè)備的安全防護(hù) 或者自動(dòng)控制方面。紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射 式。直射式指的是發(fā)光管和接收管彼此相對(duì)安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距 一定距離；反射式指發(fā)光管與接受管并列一起，平時(shí)接收管始終無(wú)光照，只有在發(fā) 光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時(shí)，接收管收到反射回來(lái)的

8、紅外光線才工作7。本 次設(shè)計(jì)的是運(yùn)用直射方式的紅外對(duì)射管。 AT89C51: AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)可以提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合8。AT89C51 具有以下標(biāo)準(zhǔn) 功能： 4k 字節(jié) Flash，128 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線， 2 個(gè)

9、數(shù)據(jù)指針，2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1 個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路9。 4.2硬件電路 4.2.1紅外對(duì)射電路 圖 4-1紅外對(duì)射電路原理圖 紅外對(duì)射電路一共有四幅同樣的紅外對(duì)射電路構(gòu)成。圖 4-1 為其中的一幅紅外 對(duì)射電路。當(dāng)紅外發(fā)射管 D5 加上電壓導(dǎo)通之后，紅外接收管 D6 將產(chǎn)生一個(gè)微小的 光電流，NPN 三極管 Q15 的基極將產(chǎn)生一個(gè)微小的電流，基極微小的電流存在使得 Q15 的 b-e 之間導(dǎo)通，NPN 三極管 Q15 工作在飽和狀態(tài)，c-e 之間的電阻很小，近 似短路，集電極相當(dāng)于直接接地，電壓為 0V。Q15 的導(dǎo)通使得 Q10 的集電極電位 近似于 0V,則

10、 PNP 三極管 Q10 飽和導(dǎo)通，那么 Q10 的發(fā)射極和集電極近似為短路， 相當(dāng)于 5V 的電壓加載到發(fā)光二極管 D7 和電阻 R43 上，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示紅外 對(duì)射管已經(jīng)形成通路。當(dāng)紅外對(duì)射管的通路被阻擋，D6 產(chǎn)生不了光電流，三極管 Q15、Q10 截止， Q10 的集電極上的電壓相當(dāng)于 3.7V，發(fā)光二極管接地，不點(diǎn)亮， 表示紅外對(duì)射管不導(dǎo)通。 4.2.2顯示電路 圖 4-2顯示電路原理圖 顯示電路由四位共陽(yáng)數(shù)碼管、PNP 三極管、單片機(jī)組成。Q6、Q7、Q8、Q9 分 別控制四位數(shù)碼管顯示。當(dāng)紅外對(duì)射管 1 號(hào)被阻擋，則紅外對(duì)射電路中的發(fā)光二極 管的正端，與單片機(jī)相連的引腳上測(cè)

11、得 3.7V 的高電平，單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示“1” ， 提示用戶 1 號(hào)門(mén)有人闖入。同樣，當(dāng)其他的紅外對(duì)射管被阻擋后，同樣會(huì)顯示 2、3、4，提示用戶有人闖入。單片機(jī)的 P1 口與數(shù)碼管的八個(gè)顯示段相連，三極管 的集電極串聯(lián)一個(gè)電阻后與數(shù)碼管的片選端相連。當(dāng)單片機(jī)的 P3 口輸出為高電平的 時(shí)候，三極管截止，若此時(shí) P1 口輸出為高電平，則數(shù)碼管將顯示數(shù)字“8” 。通過(guò)改 變 P1 口輸出高電、低電平的不同，數(shù)碼管將會(huì)顯示 09 之間的數(shù)字10。改變 P3 口 的高低電平則可以選擇數(shù)碼管的位顯示。 4.2.3報(bào)警電路 圖 4-4報(bào)警電路原理圖 報(bào)警電路由蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路和按鍵電路兩部分組成。當(dāng)

12、P2.42.8 口檢測(cè)到高電 平，即表示有人闖入，則單片機(jī)的 P2.2 口將輸出低電平，使得 PNP 三極管 Q3 飽和 導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。按鍵電路是讓用戶手動(dòng)解除報(bào)警11。當(dāng)按鍵按下后，單 片機(jī) P2.0 口檢測(cè)到低電平，使得 P2.2 輸出為高電平，解除報(bào)警。 5.軟件設(shè)計(jì) 5.1總體方案 軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)不斷檢測(cè)單片機(jī)上與紅外對(duì)射電路相連的管腳的高、低電平， 若測(cè)得單片機(jī)引腳上為高電平時(shí)，表示有人闖入，提示報(bào)警，數(shù)碼管顯示闖入的具 體位置。 5.2程序流程圖 開(kāi)始 延時(shí) 延時(shí) 結(jié)束 檢測(cè)端口電平 檢測(cè)端口電平 報(bào)警并顯示位 置 YES YES NO NO 圖 5-1 程序流程圖 5.

13、3模塊說(shuō)明 程序初始化模塊程序初始化模塊： #include unsigned char code table4=0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66; sbit P2_7=P27; sbit P2_6=P26; sbit P2_5=P25; sbit P2_4=P24; sbit P2_2=P22; sbit P3_0=P30; sbit P3_1=P31; sbit P3_2=P32; sbit P3_3=P33; unsigned int i; 延時(shí)模塊：延時(shí)模塊： void delay30ms(int j) while(j-) for(i=0;i50000;i+); 檢測(cè)端口

14、電平及顯示模塊：檢測(cè)端口電平及顯示模塊： void main (void) P2_2=1; 定義 P2-1 為高電平； P1=0 x00; 定義 P0 口為低電平； P3_0=1; 定義 P3-0 為高電平； P3_1=1; 定義 P3-1 為高電平； P3_2=1; 定義 P3-2 為高電平； P3_3=1; 定義 P3-3 為高電平 while(1) 端口電平檢測(cè)； if(P2_7=1) 如果 P2-7 為高電平； delay30ms(); d 調(diào)用延時(shí)子程序，延時(shí) 30ms； if(P2_7=0) 如果 P2-7 為低電平； P3_0=0; P3-0 為低電平； P2_2=0; P2-2

15、 為低電平； P1=table0; 調(diào)用數(shù)碼管顯示程序； 6.制作與調(diào)試 6.1硬件電路的布線與焊接 對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，電路板設(shè)計(jì)是從電路原理圖變成一個(gè)具體產(chǎn)品的必經(jīng)之路， 電路板設(shè)計(jì)的合理性與產(chǎn)品的生產(chǎn)及產(chǎn)品的質(zhì)量密切相關(guān)，要設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)用的產(chǎn) 品，還必須遵守以下設(shè)計(jì)原則和抗干擾設(shè)計(jì)。 1、電路板的選用、電路板的選用 選用環(huán)氧樹(shù)脂板, 環(huán)氧樹(shù)脂與銅箔有極好的粘合力,同箔的附著強(qiáng)度與工作溫度 高,可以在 260 度的焊錫熔中不起泡。也可使用覆銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板。不同 的材料有不同的特點(diǎn)，由于調(diào)試中可能多次更換元件，所以要考慮到銅箔的粘合力。 2、走線、走線應(yīng)應(yīng)注意的問(wèn)題注意的問(wèn)題 線路板

16、的好壞直接影響著放大器的性能，不好的線路板，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生歧變，產(chǎn) 生本底噪音生尖峰脈沖干擾等，為了盡避免上述影響，線路板在線出盡量做到：接 照信號(hào)的傳輸路徑由小到大的順序在電路板上各路的布置各元器的位置，盡量縮短 各元器件之間的距離，以減少外部干擾的引入和不必要的干擾。在供電線路中，大 電流通過(guò)的路徑應(yīng)盡量設(shè)計(jì)得實(shí)一些，以降低電源內(nèi)阻，使電流能順利通過(guò)。在供 電線路中，應(yīng)盡量避免大電流的印刷電路式導(dǎo)線交布置在小電流通路的中間式附近， 以免造成對(duì)小電流的干擾。走線時(shí)，應(yīng)盡量走大于 90 度直角的線以防止產(chǎn)生尖峰脈 沖造成干擾。在焊接的時(shí)候都是通過(guò)手工完成，在打孔時(shí)也是通過(guò)手工操作電鉆完 成，而我

17、們并不是這方面的技工，這將在打孔的時(shí)候無(wú)法避免一些技術(shù)失誤。如果 焊盤(pán)的直徑過(guò)小，在打孔時(shí)，孔稍微大了一點(diǎn)，焊盤(pán)便沒(méi)有了。所以在設(shè)計(jì)旱盤(pán)大 小是都設(shè)置為大于 2 毫米。線的寬度問(wèn)題很重要，由于在學(xué)校的條件是手工腐蝕銅 板，考慮到熱轉(zhuǎn)印中，炭粉的吸附與脫落問(wèn)題，防止出現(xiàn)斷線的情況，布線寬為 1.5-2.5 毫米。地線則盡可能的加寬，設(shè)置為環(huán)繞在板的邊緣。大功率元件與小功率 元件盡量分開(kāi)布線。 在焊接的過(guò)程中要先將體形小的元器件比如電阻、瓷片電容先焊接好，然后再焊 接芯片的插腳和其他體積較大的元器件。焊接好后用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)電路是否有短 路和斷路以及虛焊現(xiàn)象。 6.2調(diào)試 在調(diào)試的過(guò)程中，我先調(diào)試

18、紅外對(duì)射部分的電路，接通電源后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極 管不亮，我對(duì)照原理圖和 PCB 板用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)每個(gè)元器件引腳的電壓值，發(fā)現(xiàn) 原來(lái)在畫(huà)圖的時(shí)候三極管的三個(gè)引腳接反了，我將三極管重新焊接后，發(fā)光二極管 點(diǎn)亮。然后我將寫(xiě)好的程序燒錄進(jìn)單片機(jī)調(diào)試整個(gè)電路的工作情況。由于我事先在 仿真器上已經(jīng)將程序的調(diào)試成功，所以當(dāng)單片機(jī)放入電路后用手阻擋了其中一個(gè)紅 外對(duì)射的通路，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)并且數(shù)碼管顯示“1” 。當(dāng)我按下解除警報(bào)的按鈕后， 蜂鳴器不發(fā)出聲響。整個(gè)電路完成。 7.結(jié)論 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，不但增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力，將以前在書(shū)本上學(xué)到的理論的知識(shí) 用于實(shí)踐中。大學(xué)三年的學(xué)習(xí)使我積累了較多電子方面的理論知識(shí)

19、，為本次設(shè)計(jì)奠 定一定的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)階段，查閱了大量相關(guān)的資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行篩選、歸 納、分析、總結(jié)，最后確定了自己的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師給了我大量的 幫助，不斷的指點(diǎn)我，糾正我的錯(cuò)誤，使我在完成設(shè)計(jì)途中避免了很多的彎路，設(shè) 計(jì)最終獲得成功。在此期間真地學(xué)到了很多東西。 參考文獻(xiàn) 1 徐瑋，徐富軍，沈建良 C51 單片機(jī)高效入門(mén) M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007，177-187 2 裴彥純，陳志超基于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外遙控器應(yīng)用J 現(xiàn)代儀器，2004(3)，46- 48 3 朱純益，路建華單片機(jī)用作通用紅外遙控接收器的設(shè)計(jì)M北京：華錄信息技術(shù)研 究所，1997 4 趙瑛琪用 80

20、51 單片機(jī)接收紅外遙控的實(shí)現(xiàn)J電腦知識(shí)，2006(2)，193-194. 5 樓然苗，李光飛51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例(第二版)M北京：北京航空航天大學(xué)出版 社，,2001 6 李廣弟，朱月秀，王秀山MCS-51 單片機(jī)基礎(chǔ)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2001 7 楊恢先，王子菡，楊穗，陶霞一種基于單片機(jī)的紅外遙控軟件解碼方法J自動(dòng)化 與儀器儀表，2004 (2)，16-32 8 嚴(yán)天峰A/D 轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用J電子世界，2003 (11) 9 傅揚(yáng)烈單片機(jī)原理與應(yīng)用教程M北京：電子工業(yè)出版社，2002 10 姚福安電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐M濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2001 11 張海洋，高成

21、，高澤溪多路溫度采集系統(tǒng)J電子測(cè)量技術(shù)，2005 (4) 謝辭 經(jīng)過(guò)一個(gè)多學(xué)期的努力，這篇畢業(yè)論文終于完成了，學(xué)校的圖書(shū)館在我做 畢業(yè)設(shè)計(jì)和寫(xiě)論文中起了非常大的作用。在圖書(shū)管里我找到了大量的資料，為 我這次設(shè)計(jì)提供了很大的幫助，最后我要感謝我的指導(dǎo)老師，沒(méi)有他的悉心指 導(dǎo)，幫我解決程序調(diào)試上的難題和硬件上的問(wèn)題，我是不可能這么快的完成我 的設(shè)計(jì)，在此我衷心感謝他們的幫助。 tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tg