基于单片机STC90C516的超声波红外报警系统设计

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第20卷 第 5期2013年 1O月兰州工业学院学报Journal of Lanzhou Institute of TechnologyV01．20 No．50et．2013文章编号：1009—2269(2013)05—0001—04基于单片机 STC90 C51 6的超声波红外报警系统设计谢文蛲，谭 艺，王 磊(同济大学 中德学院，上海 200092)摘要：设计了一种基于51单片机的超声波红外报警器．通过超声波测量物体间距以及人体红外线感应原理，基于51单片机开发相应的设备驱动程序，设计超声波红外报警器．设定移动 目标为人，将标定物与人体之间的距离作为报警条件，当人体与标定物的距离小于报警距离时，报警器报警并向上位机发出无线信号．实验结果表明：采用嵌入式系统模块设计的51单片机超声波红外报警器性能稳定，具有较高的灵敏度．并可实现实时改变报警距离．模块化设计便于今后的升级和维护，为今后的报警器系统提供了一种切实的可行性方案，并对其他嵌入式应用系统而言有很好的参考价值.

关键词：超声波；人体红外线；51单片机；报警器中图分类号：TH165．4 文献标志码：AO 引言随着科学技术水平的日益提高，特别是信息技术的不断发展 ，报警器在人们的日常生活中的作用日益突出．当今社会报警器根据功能主要分为两类：1)用于对火灾，温度以及环境的监控 2)用于防盗探测系统．现代防盗报警器主要采用监控室报警器，利用远程图像传输将视频信号传输到监控室进行人工监测或利用单一的传感器，如温度传感器，红外传感器等，当有人员进入感应区时报警器报警 J¨．人工检测方法不可避免会出现遗漏或摄像机探测的视觉死角，而单一的红外报警器或声音报警器不能灵活的改变报警范围，以致无法避免由于周围环境变化而带来的误报现象．运用人体红外感应探测模块以及超声波传感器实现多传感器融合的报警系统，提高了报警精度并降低 了误报概率．同时可对报警范围进行实时改变，大大提高了报警器的使用范围．在本机报警的同时可将报警信号传递给上位机或上层监控室实现有目标的人工收稿日期：2013-06—21作者简介：谢文蛲(1988一)，女，甘肃兰州人，硕士生监控．本文基于超声波传感器和电红外传感器的工作原理，设计了以 STC90C516单片机为核心的超声波电红外报警系统.

1 总体设计方案本设计采用 3部分组成：传感器数据采集端，单片机控制端，报警终端 (见图 1).

控制器采用 STC90C516rd+单片机作为主控芯片，超声波传感器和红外传感器作为信号采集器(数据采集端)，无线收发模块以及嗡鸣器作为报警端.

1超声波传感器f温度传感器 st C90C 5l = >l嗡鸣器【红外线传感器 6rd 片 机 = >l无线发射装置 I
晶体振荡电路}=图 1 超声波红外报警器框图单片机驱动红外探测传感器工作．当红外探测· 2· 兰 州 工 业 学 院 学 报 第20卷传感器感应到有人员进入探测区域后，单片机驱动超声波传感器开始工作，进一步探测目标与报警器之间的距离，当探测 目标与报警器之间的距离小于安全范围时，单片机驱动嗡呜器报警，同时驱动无线收发模块工作，发送无线信号至上位机，通知保安室的值班人员，值班人员可从 Pc机中得知准确的报警端位置，做出准确判断和快速响应.

2 电路设计2．1 单片机控制电路采 用 STC90C516rd+单片机作为控制器，STC90C516rd+单片机是新一代超强抗干扰 、高速、低功耗单片机，其指令代码完全兼容传统 5 1单片机，为减少设计体积，选用 STC90C51RD 44引脚贴片式(PLCC)形式，单片机的6时钟周期和 12时钟周期可任选，用户可编程空间为40 K，这大大提高了单片机的应用范围和工作能力．ISP(在系统可编程)／IAP(在应用 可编程)可直接通过 串 口(RxD／P3．0，TxD／P3．1)直接下载程序，使用方便.

采用外部中断 4路，下降沿中断或低电平触发中断.

2．2 超声波探测及电路设计超声波测距的基本工作原理是基于声波在传播介质中质点运动而传播，故空气中的声波向正方向传播的质点位移运动方程 可表示为5(t)=A( )COS((ot+kx)=Ane一 COS(tot+)． (1)式中，S(t)表示质点的位移； 是振动初始条件决定的常数；to，t分别表示频率和传播时间； 为声波的传播距离； 为衰减系数； 称为波数.

由此可见，衰减系数 与传播介质和声波频率有关.

考虑到实际工况，在设计超声波报警器时，设定超声波频率f=40 kHz，STC90C516rd+单片机先将 P2．3口(超声波模块发射端)置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器 110开始计时.

由于采用的超声波传感器为收发一体型，所以在发送完 16个超声波后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后 1．5 ms才可以检测，这样就可以抑制输出信号引起的干扰.

当超声波信号碰到障碍物时，立刻发出信号，单片机不断读取 INT0引脚信号．如果 INT0由高电平变为低电平，表示信号已经返回，并进入中断子程序，将定时器的数据换算成为超声波传感器与障碍物之间的距离，将这个距离同预设好的报警距离进行比较，当测量距离小于报警距离时，单片机进入报警状态.

2．3 红外探测及处理电路红外探测及处理电路的结构框图 如图2所示 .

图 2 红外探测处理 电路结构采用 BISS0001作为红外信号处理芯片，当有人进入探测区域时，通过菲涅尔透镜聚焦，湿热红外传感器接收到人体的红外波，并将其转化为电信号．该信号通过低通滤波电路，排除高频干扰噪声后送人 BISS0001中的运算放大器 OP1，前置放大后，由电容耦合给运算放大器 OP2二级放大，经电压比较器双向鉴幅后，在第二管脚输入 1．6 s高电平．高电平触发51单片机2．8口，单片机驱动超声波探头工作．BISS0001在高电平由高变低后，进入5．8 S的“触发封锁时间”．即便有人进入探测区，BISSO001的第二管脚也不会输出高电平，从而避免了频繁重复报警，降低了系统功耗.

2．4 无线收发电路当报警器发出报警信号时，单片机 P3．5口高电平触发 nrf24101型无线收发器件发送信号，nrf24101设置为发射模式，将地址 TX—ADDR以及数据 TX—PLD按 时序 由单 片机 SPI口写 入nrf24U)l缓存区，而后 nrf24101的 CE置为高电平并保持 10 US，延迟 130 US后发送数据，并开启自动应答．若收到应答，说明发射信号成功，若没有收到应答，nrf24101重新发送信号，直到成功接收到应答 ．而后 CE变低，nrf24L01进入空闲模式，等待第 5期 谢文蛲等：基于单片机 STC90C516超声波红外报警系统的设计 ·3·单片机指令.

3 软件设计系统的软件由主程序、中断程序、环境温度采集程序、外部存储器程序组成．系统运行的流程如图3所示.

1蜂呜 响，发送报警信 lL___-___．____-__-_-_--_-_H__-_--_· _-_-_-__ _____·- - _-_J图3 红外报警系统流程图系统工作在进入初始化后，低频触发 51单片机 1．3口，发出红外线驱动信号，随后判断是否有人进入被测区域，当被测区域有人进入时，单片机发出无线收发驱动信号发送给 PC终端(不报警)，单片机3．1口发出超声波驱动信号，同时开启计数器捕捉计时，系统进人等待接收回波状态，当最大等待时间内接收到回波信号后，计数器停止计时，根据环境温度修正测量距离后，计算得出人体与报警器间距离，将测量距离同已设定的报警距离进行比较 ，若被测距离大于设定距离时，不报警．若被测距离小于设定距离时，蜂鸣器报警并通过无线收发模块发出报警信号.

4 实验结果1)为检验超声波报警器的准确性和精度，在空旷环境下，改变人体与报警器的距离为测量手段进行测量，无线接收模块连接 PC中断接收测量信号．并用钢卷尺测量实际距离．经过试验验证，所设计的报警器报警范围为500～2 000 mm，在此范围内对系统进行标定试验，并对实验数据进行分析和处理，试验数据如表 1～2所示.

表 1 温度为 1O℃时的试验结果表2 温度为 23℃时的实验结果2)测距系统的误差分析及修正.

超声波测距的误差可表示为 jor= l or +to" +or1． (2)式中， 为测量误差； 超声波在介质中的传播速度； 为测量时间误差；t为传播时问； 为测距速度的误差； 为其他误差，主要是噪音干扰带来的误差等.

由(2)式可看出，必须减少时间和波速的误差．并且进行有效的噪声干扰分析和处理.

· 4· 兰 州 工 业 学 院 学 报 第20卷3)不足与改进方案.

在实验过程中当有人员进入报警区域时，报警器报警有 1 S延时现象，主要原因是由于在程序设计过程中有延时程序，以及声波测距过程中的测量时间.

为提高报警准确度并降低误报概率，可通过加人其它传感器的方法来实现．例如加入振动传感器，光源传感器等，通过模糊控制理论实现多维度检测报警.

6 结语本文介绍了超声波红外报警器的工作原理，利用红外传感模块和超声波测距模块实现报警判断，通过无线收发模块实现了单个报警器和上位机的无线通信 ，为以后设计报警网络化奠定了基础．在电路设计上，本设计满足电路工作的可靠性、稳定性．经过试验和分析，基于 STC90C516rd+超声波红外报警器工作稳定，误报率低，具有简单、经济、可靠、稳定等特点.

参考文献：[1] 杨波，张兴敢．基于 PIC单片机的被动式红外报警系统的设计[J]．电子测量技术 ，2008，31(1)：53-55.

[2] 崔强 ，徐春荣，彭刚锋．基于 PXI及 GPIB总线的自动测试系统设计[J]．航空计算技术，2008(5)：85—87.

[3] 冯诺．超声手册[M]．南京：南京大学出版社，1999.

[4] 吴玉宝．红外检测 电路的设计和制作 [J]．电子制，2006(8)：51—52.

[5] 刘靖，陈在平，李其林．基于 Nrf24101的无线数字传输系统[J]．天津理工大学学报，2007，23(3)：3840.

[6] 苏炜，龚壁建，潘笑．超声波测距误差分析[J]．传感器技术，2004(6)：8一l1.

Design of the Ultrasonic& Infrared Alarm System Based on STC90 C5 1 6XIE Wen-yao，TAN Yi，WANG Lei(Chinesisch—Deutsches Hochschulkolleg of TonNi University，Shanghai 200092，China)Abstract：This paper proposes a kind of ultrasonic uhrared alarm based O13 CMS一5 1．Measuring the distance be—tween objects and adopting the principles of human body infrared induction，we developed related driver programsbased on CMS一5 1．This kind of alarm systam sets human body as moving target，the distance between humanbody and the marker as alarming condition．When the distance between human body and the mark falls within thealarming distance，the alarm will be activated and send wireless signal to host computer．As shown in the experi—ment，the CMS一5 1 ultrasonic& infrared alarm system，which Hses the embedded system module，is stable infunction and has feature of high sensitivity．Real—time adjustment can also be made on the alarming distance.

The modularization design of this alarm not only provides convenience for the future upgrade and maintenance，but also presents a feasible blueprint for the future alarming systems，which can serve as an example for otherembedded application system design.

Key words：ultrasonic wave；human body infrared；CMS一5 1；alarm(责任编辑：曾贤灏)