单片机的安全报警器如何设计

随着时代的进步，人们对环境的安全性提出更高的要求，于是设计一个行之有效的安全警报器有很大的必要，而这里所设计的安全报警器则采用了传感元件——热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。热释电红外传感器既可用于安全报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。它是结合单片机、电子基础、传感器为一体的新技术。

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李倩

2020-4-24 15:16:55

1 安全报警器的总体设计方案
1.1 设计概述
随着电子技术的发展，人们自身的安防意识也在逐渐增强。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有儿童接近窗户;其二是尽可能大地增加防护范围。利用热释电人体红外传感器和单片机的设计，对传感器微弱的信号进行放大的放大电路设计。当儿童接近窗子至0.5 m时，警报响起且防护网自动弹出。据儿童的身高体重标准表，我们设定1.2 m为我们的检测范围。
该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声。本设计是利用热释电红外线传感器探测人体辐射出的红外线信号原理设计出来的人体红外线感应报警器。
该报警器主要由热释电红外传感器及其检测电路、报警电路组成。热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，从而实现报警功能的灵活应用。
1.2 设计任务与要求
1)该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、单片机控制、报警等模块。
2)本安全报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路及相关的控制管理软件组成。用户完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。
3)系统可实现功能。当儿童接近窗子至0.5 m时，警报响起且防护网自动弹出。据儿童的身高体重标准表，我们设定1.2 m为我们的检测范围。
热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上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、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。并且防护网自动弹出，保护儿童安全，以防坠落。
当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。
4)该安全报警器的总体设计框图如图1。

2 安全报警器各功能模块简介
2.1 热释电红外传感器原理
热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。探测距离(实测)：0.1 m～10 m是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防人侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。
本设计所用的热释电红外线传感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如图2所示，在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。图2为热释电红外传感器原理图。

2.2 报警电路模块
所谓报警系统的主要目的是为了在出现危急时给人以警示和提醒，从而进行相应的应急处理，进而达到避免意外事件发生和减少发生意外情况而带来的各种损失。报警系统是整个系统的重要组成部分，所以本设计在报警方面用单片机程序来设计。触发可以用单片机触发，具体电路此处省略。
2.3 单片机控制模块
随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高，体积将更小，功能将更强，本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89C51，其片内含有4 kbytes的可系统编程的Flash只渎程序存储器。
2.4 电机驱动电路设计
L6203是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，其输出电流为2 A，最高电流5 A，最高工作电压48 V，最高频率100 kHz，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，尤其是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，借以控制防护网的开关。

3 安全报警器的软件设计介绍
3.1 主程序流程图
本系统的MCU使用了ATMEL公司的低功耗单片机AT89C51。主程序中仅完成了系统的初始化，然后就进入待机模式。其他功能模块都在中断服务子程序中完成。当产生中断时，MCU被唤醒并执行相应的中断服务子程序，从中断子程序返回后，系统又进入到待机模式。整个程序的设计使系统在绝大多数时间都处于最低功耗状态。整个程序用C语言编写，使用模块化的设计方法，把各个模块相关的程序放在一个文件中，便于分块调试和管理，缩短了调试周期。

在主程序中，首先关闭了看门狗和总中断，避免了在初始化过程中看门狗或其他中断导致单片机复位，使初始化无法完成。整个系统软件需要对热释电红外传感器、报警器、防护网控制系统进行管理。以上模块均在主程序中完成初始化过程，系统流程图如图4。
3.2 电机控制系统
当传感器检测出儿童信号时，电机正转，警报响起且防护网弹出;当警报解除，按下复位按钮，电机反转，防护网收回复位。
4 结束语
本设汁研究了一种基于单片机技术的智能安全报警器。该报警器通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红外传感器，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出。
该设计是作为贵州师范大学2012～2013年科研项目来进行的。笔者参与了整个科研项目的设计实施过程，所设计的安全报警器经过了现场使用实验，运行效果证明实用性很强。同时，该设计采用了模块化的设计思路，使该报警器设计进一步的市场化和系列化，具有较强的推广市场和应用价值。

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