基于單片機(jī)的紅外感應(yīng)防盜報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)

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XX文理學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

需求。

圖2.2AT89S52引腳圖

主要功能特性：·兼容mcs-51指令系統(tǒng)

·4k可反復(fù)擦寫(>1000次）ispflashrom·32個(gè)雙向i/o口·4.5-5.5v工作電壓

·2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器·時(shí)鐘頻率0-33mhz·全雙工uart串行中斷口線·128x8bit內(nèi)部ram·2個(gè)外部中斷源·低功耗空閑和省電模式·中斷喚醒省電模式·3級(jí)加密位·看門狗（wdt）電路·軟件設(shè)置空閑和省電功能·靈活的isp字節(jié)和分頁(yè)編程

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·雙數(shù)據(jù)寄放器指針

依照功能，AT89S52的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O口、控制和復(fù)位等。

1.多功能I/O口

AT89S52共有四個(gè)8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O線。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。

①P0端口：該口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。在作為輸出口時(shí)，每根引腳可以帶動(dòng)8個(gè)TTL輸入負(fù)載。當(dāng)把“1〞寫入P0時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P0可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，P0用于接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。

②P1端口：該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫“1〞時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。P1口作輸入口使用時(shí)，由于有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì)Flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0與P1.1可以配置成定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入端（P1.0/T2）與定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入端（P1.0/T2EX），如表2.1所示。

表2.1P1口管腳復(fù)用功能

端口引腳P1.0P1.1P1.5P1.6P1.7復(fù)用功能T2（定時(shí)器/計(jì)算器2的外部輸入端）T2EX（定時(shí)器/計(jì)算器2的外部觸發(fā)端和雙向控制）MOSI（用于在線編程）MISO（用于在線編程）SCK（用于在線編程）③P2端口：該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫“1〞時(shí)，通過內(nèi)部的上拉

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電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。P2口作輸入口使用時(shí)，由于有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。

在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄放器（SFR）區(qū)中P2寄放器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。在對(duì)Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P2口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。

④P3端口：該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P3口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫“1〞時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。P3口作輸入口使用時(shí)，由于有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。

在AT89S52中，同樣P3口還用于一些復(fù)用功能，如表2.2所示。在對(duì)Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P3口還接收一些控制信號(hào)。

表2.2P3端口引腳與復(fù)用功能表

端口引腳P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7復(fù)用功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）INT0（外部中斷0）INT1（外部中斷1）T0（定時(shí)器0的外部輸入）T1（定時(shí)器1的外部輸入）WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）2.RST：復(fù)位輸入端。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗定時(shí)器（Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持98個(gè)振蕩周期的高電平。在SFRAUXR（地址8EH）寄放器中的DISRTO位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。

3.ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖

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存低字節(jié)地址。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳用于輸入編程脈沖PROG。一般狀況下，ALE是振蕩器頻率的6分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。但是，在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器每次存取中，會(huì)跳過一個(gè)ALE脈沖。在需要時(shí)，可以把地址8EH中的SFR寄放器的0位置為“1〞，從而屏蔽ALE的工作；而只有在MO或MOVC指令執(zhí)行時(shí)ALE才被激活。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì)ALE屏蔽位置“1〞并不起作用。

4.PSEN：程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)AT89S52在執(zhí)行來(lái)自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期PSEN被激活2次。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中，PSEN的2次激活會(huì)被跳過。

5.EA/Vpp：外部存取允許信號(hào)。為了確保單片機(jī)從地址為0000H～FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，故要把EA接到GND端，即地端。但是，假使鎖定位1被編程，則EA在復(fù)位時(shí)被鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)，EA應(yīng)接到Vcc。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收12V編程電壓Vpp。

6.XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。7.XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出。

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第3章熱釋電紅外技術(shù)概述

熱釋電紅外線(PIR)傳感器是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。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，它能組成防入侵報(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。如圖3.1示為熱釋電紅外傳感器的內(nèi)部電路框圖。

圖3.1熱釋電紅外傳感器的內(nèi)部電路框圖

3.1熱釋電傳感器的紅外輻射與紅外探測(cè)的原理結(jié)構(gòu)

熱釋電傳感器是利用紅外輻射與紅外測(cè)溫的原理來(lái)探測(cè)的，紅外測(cè)溫屬非接觸式測(cè)溫，是測(cè)溫技術(shù)中的主要手段，其特點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，響應(yīng)速度快和不明顯破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通等領(lǐng)域。

非接觸紅外測(cè)溫有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）測(cè)量不干擾被測(cè)溫場(chǎng)，不影響溫場(chǎng)分布，從而具有較高的測(cè)溫確鑿度。（2）測(cè)溫范圍寬。

（3）探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)速度快，易于快速與動(dòng)態(tài)測(cè)量。（4）不必接觸被測(cè)物體，操作便利。（5）可以確定微小目標(biāo)的溫度。

非接觸測(cè)溫技術(shù)的意義是顯而易見的。隨著工農(nóng)業(yè)、國(guó)防事業(yè)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)量越來(lái)越迫切。在某些場(chǎng)合，溫度測(cè)量逐步上升為主要矛盾，引起了各方面的普遍重視。

尋常將電磁波譜間隔在0.76～1000μm的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)，紅外傳感器是

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一種新型的傳感器，能夠探測(cè)物體輻射的紅外線。

熱釋電元件的工作原理是基于熱釋電效應(yīng)，即在強(qiáng)電介質(zhì)溫度變化ΔP的自然極化的存在，此時(shí)傳感器有電信號(hào)輸出，晶體的這種性質(zhì)被稱為熱釋電極或熱釋電效應(yīng)。

有些熱釋電晶體，他們的自發(fā)極化方向能用外電場(chǎng)來(lái)改變，這些晶體稱作熱釋電——鐵電體。例如：LiTaO2(鉭酸鋰)、BaTiO2(鈦酸鋇)和TGS（硫酸三甘酞）等。為了使傳感器能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，提高靈敏度，加強(qiáng)抗干擾能力，這里選用了TGS晶體制作的雙型探測(cè)器。

3.2紅外測(cè)溫原理

紅外測(cè)溫是通過探測(cè)物體表面發(fā)射的能量來(lái)測(cè)量其溫度，由物理學(xué)可知，處于絕對(duì)溫度（－273.15℃）以上的任何物體，都要釋放熱能，而紅外輻射溫度計(jì)測(cè)量其中與溫度有關(guān)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的熱能，并將其轉(zhuǎn)換與溫度成比例的電信號(hào)，由此測(cè)出其溫度。

實(shí)際中大多數(shù)物體為非黑體，其熱輻射公式為：

E=εE0（式3.1）

其中：E為物體在一定溫度下的輻射能力；E0為與E在同一溫度下的黑體輻射能力;ε為黑度系數(shù)，表示物體的發(fā)射能力接近黑體的狀況，其值在0～1之間。

由上可知，任何物體只要溫度不是絕對(duì)零度都不斷地發(fā)射紅外輻射，物體的溫度越高，輻射的功率就越大，只要知道物體的溫度和它的比輻射率，就可算出它所發(fā)射的輻射功率。所以假使能量出物體的輻射功率，則可確定它的溫度。

3.3熱釋紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

紅外探測(cè)器是紅外熱釋傳感器的重要組成部分。它可以分成熱釋電探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類：其中，熱釋電探測(cè)器是電效應(yīng)工作的探測(cè)器，其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣，簡(jiǎn)單使用。常用的熱釋電探測(cè)器如：LiTaO2(鉭酸鋰)探測(cè)器、BaTiO2(鈦酸鋇)探測(cè)器和TGS（硫酸三甘酞）探測(cè)器等。

如圖3.2所示為熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖、電路圖。傳感器的敏感元為PZT，在上下兩面做上電極，并在表面加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)化效率。它的等效電路是一個(gè)在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓

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信號(hào)。又極其微弱，故在管內(nèi)附有JFET及厚膜電阻，以達(dá)到阻抗變大的目的。在管殼的頂部設(shè)有慮光鏡（TO－5封裝）。圖3.3為熱釋電傳感器的實(shí)物照片。

圖3.2熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖和電路圖

圖3.3熱釋電傳感器實(shí)物圖

熱釋電體的自發(fā)極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)。隨著溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度下降。溫度升高到Tc時(shí)，自極化消失，此溫度稱為居里溫度。溫度超過居里溫度，鐵電體發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強(qiáng)度變?yōu)榱恪?/p>

由于自發(fā)極化，在與極化軸相垂直的晶體兩外表面上出現(xiàn)正負(fù)極化強(qiáng)度。但是

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這些面束縛電荷往往被晶體內(nèi)部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來(lái)。因此不能在靜態(tài)條件下測(cè)量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需的時(shí)間很長(zhǎng)，因晶體自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約10－12s，因此當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時(shí)其體內(nèi)的自由電荷和外部雜散電荷便來(lái)不及中和變化著的面束縛電荷，因此可在動(dòng)態(tài)條件下測(cè)量自發(fā)極化。

假使在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應(yīng)的電荷量為：

Q=APS（式3.2）

當(dāng)紅外輻射照射時(shí)，熱釋電晶體溫度升高，自發(fā)極化電晶體溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度降低，因此電極表面上感應(yīng)電荷減少，這相當(dāng)于“釋放〞了一部分電荷，因此稱之為熱釋電現(xiàn)象。

如圖3.4所示的電路連接負(fù)載，則在紅外輻射時(shí)，就有電流流過負(fù)載經(jīng)放大后成為輸出信號(hào)。

圖3.4電路連接負(fù)載

若沒有經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個(gè)新的平衡值，那么電極表面的感應(yīng)電荷也變化到新的平衡值，不再“釋放〞電荷，也就不再輸出信號(hào)。因此，熱釋電探測(cè)器與其他熱釋探測(cè)器不同，它只存在溫度升降的過程中才有信號(hào)輸出。所以利用熱釋電探測(cè)器探測(cè)的紅外輻射必需經(jīng)過調(diào)制。

假使用調(diào)制頻率為f的紅外線照射熱釋電晶體，則晶體的溫度自發(fā)極化強(qiáng)度（PS）及其引起的面束縛作電荷密度均以頻率f作周期變化。假使1/f小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間，那么在垂直于PS的晶體的兩個(gè)端面之間就會(huì)產(chǎn)生開路電

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壓。假使用負(fù)載電阻Rg把兩個(gè)電極連接起來(lái)，就會(huì)有熱釋電電流Is通過負(fù)載。熱釋電晶體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化，使電極表面感應(yīng)電荷發(fā)生變化，其等效電路如圖3.5所示。

圖3.5熱釋電紅外等效圖

電流源的電流強(qiáng)度為Is為：

IS?APd(?T)dt（式3.3）

式中，P為自發(fā)極化強(qiáng)度對(duì)溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)。

3.4菲涅爾透鏡

目前人體驗(yàn)知系統(tǒng)中的光調(diào)制器一般都采用多元陣列式菲涅爾透鏡，它起到紅外輻射收集器和調(diào)制器的雙重作用。熱釋電傳感器只有與菲涅爾透鏡協(xié)同使用才能發(fā)揮最大作用。加