【电气工程及其自动化】基于单片机的防盗报警系统的设计

本科生毕业论文（设计）基于单片机的防盗报警系统的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录11防盗报警系统的发展与现状112选题的目的和意义113设计研究内容和实现功能221单片机应用系统开发流程222系统整体设计323各模块功能的简单介绍431单片机的选型432STC12C5A60S2单片机介绍533单片机主控制电路734STC12C5A60S2单片机复位电路选择835振荡器和时钟电路1036电源模块1137声光报警模块1238红外传感器模块1339GSM模块1441程序流程图1642各子程序功能介绍1851相关软件介绍18511KEILUVISION3IDE软件操作步骤18512PROTEUSISIS软件绘制原理图操作步骤18513PROTELDXP软件基本操作1952印板设计思路1953注意事项1954硬件的焊接与调试20541硬件的焊接20542硬件的调试2055软硬件联调201绪论12系统总体设计方案23硬件设计44软件设计165软硬件系统的实现与调试18结论与展望21参考文献22附录23附录A程序23附录B系统原理图37附录CPCB板图38致谢基于单片机的防盗报警系统的设计摘要本设计以STC12C5A60S2单片机为核心，运用单片机技术、红外线技术和GSM技术等技术来实现防盗报警，保护人们的财产安全。根据硬件线路的搭建，编写程序，实现通过多路红外线检测、声光报警和GSM短信报警和远程控制来实现一个或多个地方的防盗。调用芯片LM7805及其它器件来为系统提供稳定的5V的电源供电等的功能。关键词STC12C5A60S2单片机；红外线技术；GSM；防盗报警；LM7805DESIGNOFALARMSYSTEMBASEDONMCUABSTRACTTHISDESIGNMAINLYINTRODUCEDTHATHOWTOACHIEVETHEANTITHEFTALARMINORDERTOPEOPLESPROPERTYSAFETYWITHTHEHELPOFSINGLECHIPTECHNOLOGY,INFRAREDTECHNOLOGYANDGSMTECHNOLOGYUSEDBYSTC12C5A60S2CHIPBYCONSTRUCTINGHARDWIREDCIRCUITANDWRITINGPROGRAMS,ITISTOACHIEVETHEONEORMORELOCALSECURITYTHROUGHTHEMULTICHANNELINFRAREDDETECTION,SOUNDANDLIGHTALARMANDGSMSMSALARMPROVIDING5VPOWERSUPPLYFORTHESYSTEMTHROUGHTHECALLINGTHELM7805CHIPANDOTHERCOMPONENTSKEYWORDSSTC12C5A60S2CHIP；INFRAREDTECHNOLOGY；GSM；THEBURGLARALARM；LM78051绪论自从单片机问世以来，单片机就迅速的得到发展，现在已广泛用于自动检测。智能仪表、工业控制及智能家居等各个方面。如今单片机家族越来越大，系列产品越来越多。技术上也越来越先进，其中最广泛运用的是51系列的单片机。本设计为基于单片机的防盗系统的设计，其设计的主要内容包括硬件设计和软件设计。11防盗报警系统的发展与现状1国内发展与现状国内的报警器基本都是以超声波、红外发射接收以及微波等技术为基础。从单一封闭式、被动型安全防范模式向多元化、综合化、电控化以及红外报警处理方向发展。防盗报警产品的发展趋势，产品技术将在数字化、无线化、集成化核心前提下力求突破。而在应用市场上，将朝更细化的方向前进，成长最快的住宅小区应用为例，有厂商表示，专为住宅小区设计的定向幕帘式和防宠物探测器，成本低、安装简单、适合家庭用的无线联网报警系统，以及小区智能化安防和报警集成系统产品都将是亮点。2国外发展与现状国外的红外报警器大多数都是采用先进技术，其功能也非常先进。其中包括被动式热释电型红外报警器，红外监控无线报警器，超声波防盗报警器，红外线防盗报警器，高灵敏红外报警器，触摸式防盗报警器等等。目前国际上应用最多的是主动红外对射总线制报警主机的方式，这种方式具有技术成熟、可靠性高、易扩展、操作简便、经济性好等优点。到目前为止，美国超过50左右的家庭已经安装了电子防盗产品来保护自身的安全。12选题的目的和意义本防盗报警系统的设计是为了解决人们对防盗的需要，由于单片机的应用范围很广，具有很多优点，因此本防盗报警系统具有高可靠性、强抗干扰能力、编程简单、维修方便、使用方便和低成本等诸多特点，能很好的满足人们日常对于防盗的需求，能广泛应用于家庭、博物馆、创库等的防盗。从而保证了个人财产、公共财产和企业财产等的安全，使人们的生活水平得到了保障，不再为了自身财产的安全而担心。同时也节约了人们对于防盗方面的资金投入。除此之外还有利于单片机技术、红外线技术和通信技术的发展和应用。进一步地推进了防盗报警系统的发展。13设计研究内容和实现功能1设计研究内容本防盗报警系统的设计包括硬件设计和软件设计两个部分。硬件电路设计主要包含的内容一是电路的设计，电路的设计包括设计电路图、器件的选择、PCB版的印制、元件的焊接/硬件的调试等等。其中单片机的选择，包括性能、存储器、运行速度、IO口、定时计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式抗干扰性能、保密性等内容；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如开关、时钟电路、电源电路等等。软件设计主要是程序的编写和调试。本防盗报警系统用的是C语言编程。C语言编程相对于汇编语言来说具有编程调试灵活方便、生成的代码编译效率高、完全模块化、可移植性好、便于项目维护管理。模块可以划分为单片机模块、电源模块、红外模块、GSM模块、声光报警模块、按键模块等子模块。就此设计的核心模块来说，单片机是设计的中心单元，所以此系统是单片机应用系统的一种应用。2实现功能本防盗报警系统能实现的功能包括多路红外信号的检测、无线通信报警即短信报警、声光报警、手动控制或远程控制系统等。总的来说本系统能实现同时对一个地方或多个地方的防盗报警。2系统总体设计方案21单片机应用系统开发流程单片机的应用系统随其用途不同，硬件和软件均不相同。单片机最初的选型很重要，原则上是选择高性价比的单片机。硬件软件化是提供高系统性价比的有效方法，尽量减少硬件成本，多用软件实现相同的功能，这样也可以大大提高系统的可靠性。虽然单片机的硬件选型不尽相同，软件编写也千差万别，但系统的研制步骤和方法是基本一致的，一般部分为总体设计、硬件电路的构想设计、软件的编写和仿真调试几个阶段。单片机应用系统的研制流程图如图1。确立任务机型选择硬件设计图1单片机应用系统的开发流程图22系统整体设计本系统整体设计框架如图2所示，由电源电路模块、红外模块、GSM模块、声光报警等子模块组成。修改电路完成研制项目开始软件仿真联机调试程序排错固化程序脱机工作软件设计图2基于单片机的防盗报警系统设计框架图23各模块功能的简单介绍1单片机模块高速稳定的进行运算和控制功能,系统的核心；2电源模块能为电路提供稳定的5V电压供电满足系统的供电要求；3红外模块探测信号，并转化为单片机的输入信号；4GSM模块实现无线通信报警和远程控制报警系统；5声光报警模块通过声音和光实现报警功能；6按键模块通过手动控制报警系统一些相关的功能；3硬件设计31单片机的选型方案1采用数字电路芯片进行控制，无需编程，只要设计好逻辑图就可以进行电路的设计，缺点在于电路复杂，扩展性差；方案2采用八位的51单片机进行控制，电路运行通过编程实现，具有操作简单，系统扩展性能好等优点。但是产品已经面世很多年了，在市场化方面备受ARM的打压，价格和性能上明显比不上新生的CORTEX系列的单片机，由于51单片机内部的晶振一般都是12MHZ的工作频率，所以内部还要进行分频，运行执行速度就不是很理想了。其片内的资源也相对比较少，只有简单的IO口、数据存储器、定时器、单片机GSM模块LED1报警口红外模块25V稳压电源供电外围电路红外模块1LED2报警口按键声音报警口中断、通用异步串行口等片上资源。但STC单片机为增强型8051芯片，支持在线下载功能，还有其他具有更多的功能优势。方案3CORTEXM3内核的STM32单片机。STM32是32位的单片机，具有强大的内部资源，功能的强大是51单片机远远不能及的，但是价格昂贵，而且芯片控制复杂。综上所述方案1的数字电路控制方案需要复杂的外部电路，可靠性也比较低；方案3的STM32在性能上上明显高于51的单片机，但是价格比较贵。51单片机的执行速度已经能达到系统所要的要求了，因此采用方案2，即采用八位的51单片机进行控制。本设计具体用到的单片机型号为STC12C5A60S2。32STC12C5A60S2单片机介绍STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（FLASH）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振动器和外部晶体振荡电路等,可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写，无须编程器/仿真器，单片机就可在用户系统上下载/烧录用户程序。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短对开发者带来很大方便。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了开发者的劳动成果。STC12C5A60S2管脚如图3所示。图3STC12C5A60S2单片机引脚图STC12C5A60S2单片机主要性能特点1增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2工作电压STC12C5A60S2系列工作电压33V55V；3工作频率范围035MHZ，本系统采用的外部晶振频率为110592MHZ。4片上集成1280字节RAM；5通用I/O口，复位后为准双向口/弱上拉普通8051传统I/O口，可设置成四种模式准双向口/弱上拉，强推挽输出/强上拉，高阻输入或开漏输出，每个I/O口驱动能力均可达到20MA，但整个芯片最大不要超过120MA；6ISP在系统可编程/IAP在应用可编程，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口P30/P31直接下载用户程序，数秒即可完成一片；擦写次数10万次以上；7有EEPROM功能；8内部集成MAX810专用复位电路外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地；9外部掉电检测电路在P46口有一个低压门槛比较器，5V单片机为132V，误差为/5,33V单片机为130V，误差为/3；10时钟源外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器温漂为/5到/10以内用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为50V单片机为11MHZ155MHZ，33V单片机为8MHZ12MHZ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；11共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；122个时钟输出口，可由T0的溢出在P34/T0输出时钟，可由T1的溢出在P35/T1输出时钟；13外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，POWERDOWN模式可由外部中断唤醒，INT0/P32、INT1/P33、T0/P34、T1/P35、RXD/P30、CCP0/P13也可通过寄存器设置到P42，CCP1/P14也可通过寄存器设置到P43；14PWM2路/PCA可编程计数器阵列,2路可用来当2路D/A使用；可用来再实现2个定时器；可用来再实现2个外部中断上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持；15A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S每秒钟25万次16通用全双工异步串行口UART，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；17STC12C5A60S2系列单片机有双串口，RXD2/P12可通过寄存器设置到P42，TXD2/P13可通过寄存器设置到P43；18工作温度范围4085工业级/075商业级；19封装PDIP40,LQFP44,LQFP48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595均可级联来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信。20单片机的40个引脚大致可分为4类电源、时钟、控制和I/O引脚。内部资源有中断系统、定时器/计数器和串行口，可以通过单片机片内RAM上的特殊功能寄存器来实现对全部内部资源的运行操作，除此之外单片机的P3口每条线还具有第二种功能，日如表1P3口的第二功能表1P3口的第二功能P30RXD串行输入口，输入P31TXD串行输出口，输出P32外部中断0，输入INTP33外部中断1，输入P34T0定时器/计算器0的外部输入，输入P35T1定时器/计算器1的外部输入，输入P36低电平有效，输出，片外存储器写选通WRP37低电平有效，输出，片外存储器读选通D33单片机主控制电路单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个微型计算机的4个基本组成部分即运算器、控制器、存储器、输入/输出接口集成到一个芯片上。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。为了进一步突出单片机的控制特性，许多半导体公司在单片机内部又集成了许多功能单元。如中断、定时器/计数器、串行通信、模数转换器（ADC）、脉冲宽度调制（PWM）等单元，我们把这些单片机内部的功能单元统称为单片机内部资源。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等机（也被称为微控制器）是一个集成的微处理器芯片。这些组件包括一个中央处理单元，数据存储器和程序存储器，定时器计数器，字节的存储空间和32个输入输出的接口电路。STC12C5A60S2是8位的单片机控制器，工作的电压要求低，工作的能源消耗也很低。4000字节的片内擦除可编程只读存储器，采用高密度非易失性存储器技术的和爱特梅尔公司市场工艺技术，其输出引脚和指令与MCS兼容。所以STC12C5A60S2是一款功能强大，灵活性高和价格合理的单芯片，也可以在不同的控制区域可以很容易地使用。单片机的最小控制系统图4包含有复位电路、时钟振荡电路、电源电路。图4单片机的最小控制系统图34STC12C5A60S2单片机复位电路选择单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。1上电复位上电复位利用电容器的充电实现。图5所示是单片机的上电复位电路，图中给出了复位电路参数。上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚端为高电平，出现正脉冲，其持续时间取决于RC电路的时间常数。RST引脚要有足够长的时间才能保证单片机有效电复位。图5单片机的上电复位电路2上电按键复位图6所示是单片机的上电按键复位电路，复位按键按下后，复位端通过小电阻与VCC电源接通，迅速放电，是RST引脚为高电平，复位按键弹起后，电源VCC通过82K的电阻对10UF电容重新冲电，RST引脚端出现复位正脉冲，其持续时间取决于RC电路的时间常数。图6单片机的上电按键复位电路为保证单片机最小系统电路工作中的稳定和可靠，必须有复位电路，复位电路的第一个功能就是在开始接通电源的时候进行复位动作。单片机属于时序的数字集成电路，只有具备稳定的工作时钟电路才能正常的工作。而晶振在开始通电的时候，只有电源电压达到5V左右的时候才能稳定的工作，这时才能解除复位信号，单片机进入正常的工作状态。单片机要复位，本质上是在其RST脚上保持一定时间的高电平，单片机检测到这个电平保持时间大于它要求的时间就会自动复位。最简单的上电复位电路是用一个电容与一个电阻串联组成，电容接VCC，电阻接地，RST脚接在它们中间，当上电时，电容相当于短路，此时电阻上的电压等于VCC，经过一段时间后电阻电压逐渐变小直至为0，只要RC时间选择合适，就可以用来上电复位。但是这个电路要想起到重新复位的作用，只能先下电，再上电才行。如果在电容两端并联一个按键，就成了按键复位电路，只要按下这个按键，单片机就能复位而无需下电，这个就是两者的区别。所以本设计中采用第二种复位方式，即上电按键复位电路。35振荡器和时钟电路单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路【1】。单片机的时钟产生方法有两种。本设计系统用第一种方法，即内部时钟方式。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接接入内部时钟电路如图7。图7时钟电路接线图36电源模块由于本设计需要一个5V直流电源供电，而我们日常使用的一般都是220V的交流电，所以要设计一个5V的直流电源供电。将220V的电网电压降低后，再进行下一阶段的单相桥式整流、滤波、稳压得到所需要的稳定的5V直流电源。本电源模块中用到了三端稳压集成电路LM7805芯片。用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为正5V，LM7909表示输出电压为负9V。图8LM7805引脚图图9单相桥式整流电路图10滤波电路图115V直流电源原理图37声光报警模块本系统的声光报警模块电路原理图如图12，能实现通过声音和LED灯的亮灭来实现报警功能，所用到的蜂鸣器是有源蜂鸣器。由于有源蜂鸣器直接接上额定电源新的蜂鸣器在标签上都有注明就可连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。所以有源蜂鸣器使用起来更方便。图12声光报警原理图38红外传感器模块本系统所用到的红外传感器模块的传感器是热释电红外传感器模块。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电红外传感器模块的工作原理为当有人进入传感器探测区域，人体发出的红外线经由菲涅尔透镜吸收后，送入热释电红外传感器。经过一定的放大滤波电路进行处理后把信号输出传给单片机。用热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低工作情况稳定等优点。热释电红外传感器模块电气参数如表2表2热释电红外传感器模块电气参数工作电压范围直流电压4520V静态电流0TIMEI1500WHILEI/串口中断处理程序/VOIDSERIAL_INTINTERRUPT4ES0IFTITI0IFRIRI0REC_BUFISBUFIIFI100I0ES1/外部中断处理程序/VOIDEXINT0VOIDINTERRUPTNEA0INT0_FLAG1EA1INT0_FLAG0/初始化程序/VOIDSERIAL_INITVOIDSCON0X50TMOD0X20TH10XFDTL10XFDTR11ES1EA1/系统程序/INCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/DEFINEBUF_MAX72DEFINEKEY_PORTP0DEFINEMAXCHAR90UCHARAAMAXCHARUCHARAUCHARBUCHARMSUCHARPUNSIGNEDCHARI0UCHARKEY_VALUEUCHARREC_BUFMAXCHARDEFINETURE1SBITLED1P10/模式1指示灯SBITLED2P11/模式2指示灯SBITLED3P12/模式3指示灯SBITLED4P13/报警1指示灯SBITLED5P14/报警2指示灯SBITBELLP15/蜂鸣器报警BITINT0_FLAGSBITK1P20SBITK2P21CHARCODENUMUCHARCODESMS1_PDU“0891683108603605F011000B815118711163F50008A7084E0053F762A58B66“UCHARCODESMS2_PDU“0891683108603605F011000B815118711163F50008A70A8BF78F9351655BC67801“UCHARCODESMS3_PDU“0891683108603605F011000B815118711163F50008A7084E8C53F762A58B66“UCHARCODESMS4_PDU“0891683108603605F011000B815118711163F50008A70A4E004E8C53F762A58B66“UCHARCODESMS5_PDU“0891683108603605F011000B815118711163F50008A70A7CFB7EDF5DF25F00542F“CODEUCHARCMGF0“ATCMGF0RN“CODEUCHARSMS_SEND“ATCMGS24RN“CODEUCHARSMS1_SEND“ATCMGS22RN“VOIDSHOUDUANXINZHUNBEIVOIDSHOUDUANXINVOIDSERIAL_INITVOIDVOIDDELAY_MSUNSIGNEDINTTIMEVOIDSTART_GSMVOIDDELAY_MS1VIODVOIDSEND_PDU1VOIDSEND_PDU2VOIDSEND_PDU3VOIDSEND_PDU4VOIDSEND_PDU5VOIDCLEARBUFFVOIDVOIDPRINT_STRUCHARSTRVOIDPRINT_CHARUCHARCHBITHANDUNSIGNEDCHARAVOIDSEND_ASCIIUNSIGNEDCHARBVOIDSEND_HEXUNSIGNEDCHARBSFRP0M00X94SFRP0M10X93VOIDMAINVOIDBELL0P0M10XFFP0M00X00DELAY_MS6000A0X03INT0_FLAG0TCON0X55IE0X81SERIAL_INITTI1DELAY_MS500SEND_PDU1DELAY_MS500SHOUDUANXINZHUNBEISHOUDUANXINVOIDSERIAL_INITVOIDSCON0X50TMOD0X20TH10XFDTL10XFDTR11ES1/EA1VOIDSERIAL_INTINTERRUPT4ES0IFTITI0IFRIREC_BUFISBUFIIFI100I0RI0ES1VOIDDELAY_MSUNSIGNEDINTTIMEUNSIGNEDINTIFORTIME0TIMEI1500WHILEIVOIDEXINT0VOIDINTERRUPT0EA0INT0_FLAG1LED11LED21LED31LED41LED51BELL0P1DOIFK10WHILEK10WHILEK10IFK20DELAY_MS70IFK20MSIFMS2MS0SWITCHMSCASE0LED10LED21LED31A0X03P0BREAKCASE1LED11LED20LED31A0X01P0BREAKCASE2LED11LED21LED30A0X02P0BREAKDELAY_MS15WHILEPEA1VOIDSEND_PDU1CLEARBUFFPRINT_STRCMGF0DELAY_MS100PRINT_STRSMS_SENDDELAY_MS500PRINT_STRSMS2_PDUPRINT_CHAR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