1、聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）聊城大学东昌学院本科生毕业论文（设计）题 目：野外摄像机自动启停控制系统设计专业代码： 080251 作者姓名： 闫怀杰 学 号： 200900203344 单 位： 聊城大学东昌学院 指导教师： 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）2012 年 5 月 10 日聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文
2、中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）目 录前言 .11 野外摄像机自动启停控制系统设计原则 .11.1 野外摄像机自动启停控制系统设计的可行性 .11.1.1 可扩展性和兼容性 .11.1.2 可用性 .1l.1.3 易用性 .11.2 野外摄像机自动启停控制系统设计思路 .12.野外摄像机自动启停控制系统设计论证实例 .22.1 传感器的选择 .22.2 单片机的选择 .23.元件的介绍及使用 .33.1 热释电红外传感器 .33.1.1 热释电红外传感器原理 33.1.2 热释电红外传感器
3、的使用 43.2 BISS0001 芯片介绍和典型电路 53.3 单片机简介及使用 .73.3.1.AT89C51 单片机简介 73.3.2.管脚说明 .73.3.3 振荡器特性 .93.3.4 芯片擦除 .93.4 继电器的介绍及使用 103.4.1 继电器介绍 .10聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）2结论 11参考文献 12致谢 13聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）1摘 要单片机即是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计机。主要包括了微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出口(1/0 口)和定时器/计数器、中断系统等功能部件。单片机自 20 世纪 70
4、 年代问世以来 以其极高的性能价格比 受到人们的重视和关注 应用很广、发展很快。而 51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本次设计方案是热释红外感应器感应动物，通过单片机控制继电器进而开关电源，并且系统做出反应进行摄像机自动开关，在没有动物时则摄像机处于停滞状态，节省人力与成本。关键词：热释红外感应器；单片机；继电器聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）2聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）1野外摄像机自动启停控制系统前言, 与本次设计方案是红外线自动门控制系统，使用红外线传感器作为感应器，检测到动物靠近时红外线能量变化，将其转化为电信号，传给单片机。通过单片机控制电路实现实时自动
5、开关电路。1.野外摄像机自动启停控制系统设计原则1.1 野外摄像机自动启停控制系统设计的可行性1.1.1 可扩展性和兼容性由于野外摄像机采集动物信息的应用越来越广泛，系统建设的数量将随之扩大，在设计上，要使系统更加简单方便。1.1.2 可用性我们所研究的方案在充分考虑到野外的实际情况，针对动物的流动性，设计出可满足即时采集动物信息的方案，并且充分考虑了人为不可抗拒的其他因素造成的成本浪费与信息缺失。l.1.3 易用性系统设计合理，用户安装后，在野外生物靠近摄像机时野外摄像机能即时采集信息，在没有动物时摄像机停止工作。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）21.2 野外摄像机自动启停控制系统设计思
6、路根据方案能实现的基本功能，本系统大概分为信号的采集，处理，以及信号的控制响应等三大部分。1.信号的采集是通过光学系统检测附近是否有动物经过，并通过热释红外线传感器转换成电流或者是电压等模拟量的变化。2.处理部分是将得到的电流或者是电压转变成脉冲信号传送给单片机控制中心。3.信号的控制部分是通过单片机预定的控制方式实现对设计要求的具体的操作并输出给电路。2.野外摄像机自动启停控制系统设计论证实例2.1 传感器的选择红外感应器对动物的存在会产生反应，不论动物如何移动，只要能处在感应器的感应范围之内，他都会有反应的，红外摄像机的反应速度较热释红外感应器要慢，所以综合选择后还是选择热释红外感应器。2
7、.2 单片机的选择自20世纪80年代来，单片机的发展越来越多，我国使用最多的是INTER公司的MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机有3个基本类型：8031，8051，8751。8031内部包括一个8位CPU，128个字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O口，1个全双功串行口，2个16位定时器，但无程序储存器，8051在8031基础上又集成有4K ROM作为程序储存器，系统不超过4字节，综合成本等考虑决定采用8051单片机。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）33.元件的介绍及使用3.1 热释电红外传感器3.1.1 热释电红外传感器原理热释电红外传感器是一种能检测人体发射
8、的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。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，同时它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。热释电效应，自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（-273）总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。通常，电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。但是任何电介质毫无例外地都是
9、由带电粒子组成的，即自由电子和原子核组成的。在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然保留下来，这种现象被称为自发极化。自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。晶体自发极化所产生
10、的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，下图表示了热释电效应形成的原理。将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）4红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。由于系检知从物体放射出出来的红外线，所以不必直接接触就能够感知物体表面的温度，故人体
11、检知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得。热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，图 1热释电效应3.1.2 热释电红外传感器的使用热释红外线传感器内部结构与电路如图 2所示。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 T 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Q，即在两电极之间产生一微弱电压 V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Q 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测
12、区时，因人体温度与环境温度有差别，产生 T，则有信号输出，若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场应管FET 等组聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）5成。其中，滤光片设置在窗口处 组成红外线通过的窗。图 2 热释电红外传感器3.2 BISS0001 芯片介绍和典型电路BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。广泛用于安防、自控等领域能。BISS0001
13、是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路 它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域 或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配 而且也能和其他多种传感器进行匹配。它的内都是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）6图 3 BISS0001的热释电红外开关应用电路图上图 3 运算放大器OPl 将热释
14、电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3 耦合给运算放大器01：2 进行第二级放大，再经由电压比较器COPl 和ODP2 构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号vs 去启动延迟时间定时器，输出信号VO 经晶体管T1 放大驱动继电器去接通负载。图 4 BISS001 管脚图BISS0001 采用16 脚标准型塑料封装结构，如上图 4所示。脚（A）为触发方式控制端，当A=1时，电路可重复触发，当A=0时，电路不可重复触发。脚（V0）为控制信号输出端，当有传感信号输人时，V0 输出高电平。脚（RX）和脚（CX）为输出定时控制器T，的外接元件端，定时时间为：聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）
15、7TX=50103RXCX。脚（Ri）和脚Ci）为锁定时间控制器 i 的外接元件，锁定时间Ti=24RiCi。脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般接VDD，若按SS，可使定时器复位。脚(Vc)为触发禁止端,当VCVR时,允许触发,VR=0.2VDD.脚（IB）为偏置电流设置端 由外接电阻RB接SS端，RB一般取1M的电阻。12 脚（OUT2）和13 脚（IN2-）分别为第二级运放的输出端和反相输人端。14 脚（IN1+）和15 净(IN1-)分别为第一运放的同相和反相输入端。16 脚(OUT1)为第一运放的输出端。11 脚(VDD)和7 脚(VSS)分别为电源正、负端。3.3 单片机简介
16、及使用3.3.1.AT89C51 单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案图 5 单片机管脚3.3.2.管脚说明：VCC：供电电压。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设
17、计）8GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电
18、阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入
19、。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）9RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问
20、外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这
21、两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3.3 振荡器特性XTAL1 和XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部
22、时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.3.4 芯片擦除整个PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE 管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）10任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所
23、用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.4 继电器的介绍及使用3.4.1 继电器介绍本设计是用单片机控制继电器达到以弱控强的电路，下面再来介绍一下单片机和强电之间的桥梁-电磁继电器。电磁继电器是有触点电继电器是有触点电继电器的一种。它是利用电磁效应实现电路开、关控制作用的原件，广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。在各种自动设备中，都要求用一个低电压电路提控制一个高电压的电器电路。这样不仅可以为电子线路和电器电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全。图 6 继电器工作原理单片机是一个弱电器件，一般情况下他们大都工作在 5V 甚至更低。驱动电流在A 级以下。而要把它用于一些大
24、功率场合，比如控制电动机，显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动” 。继电器驱动就是一个典型的、的功率驱动环节。在这里，继电器驱动含有两个意思：一是对聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）11继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件：还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。结论本设计中采用AT89C51 单片机为控制器，用热释人体红外、光敏二极管和温度传感系统来检测室内有无人员、室内的光照强度及室内温度，设计了一个智能开关摄像机的系统。该系统可以根据动物靠近
25、来自动开关设备。聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）12参考文献1. 陈永甫编著，红外线探测与控制电路，北京 人民邮电出版社，2004 版2. 张金铎、金欢阳名编著，传感器及其应用，西安电子科技大学出版社，2002年3. 沈红卫编著，基于单片机的智能系统设计与实现，北京电子工业出版社，2005.4. 李朝青编著，单片机原理及接口技术，北京航空航天大学出版社.1996.5. 杨光友、朱宏辉，单片微型计算机原理及接El 技术，中国水利水电出版杜，2002.6. 陈玉宏编著，向凤红.自动控制原理，重庆大学出版社，2003 版7. 陈永甫编著，红外线探测与控制电路，北京 人民邮电出版社，2004 年8
26、. 孙涵芳编著，MCS-51/96 系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，19989. 何希才编著，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.10. 康华光、陈大钦编著，电子技术基础，高等教育出版社,1998 年聊城大学东昌学院本科毕业论文（设计）13致谢时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。在本次论文设计过程中，华兴潮老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这四年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！四年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰富的知识，更是重要的阅读，在实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。
