单片机原理及应用课程设计-简易防盗报警系统.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 单片机原理及应用课程设计 题 目 简易防盗系统设计 院 系 电子科学学院 专业班级 电信075班 学生姓名 学生学号 指导教师 2011年3月 18 日东北石油大学课程设计任务书课程 单片机原理及应用课程设计题目 简易防盗系统设计 专业班级 电信07-5 姓名 学号 一、设计目的：训练学生综合运用己学课程的基本知识，独立进行单片机应用技术开发工作，掌握单片机程序设计、调试，应用电路设计、分析及调试检测。二、设计要求：1. 应用mcs-51单片机设计简易防盗系统（光电传感，蜂鸣器）；2. 采用光电式传感器检测入侵者，用蜂鸣器作为报警器的输出，报警距离大于2m；3. 硬件设计根据设计的任务选定合适的单片机，根据控制对象设计接口电路。设计的单元电路必须有工作原理，器件的作用，分析和计算过程；4. 软件设计根据电路工作过程，画出软件流程图，根据流程图编写相应的程序，进行调试并打印程序清单；5. 原理图设计根据所确定的设计电路，利用protel等有关工具软件绘制电路原理图、pcb板图、提供元器件清单。三、参考资料：1 单片微型计算机与接口技术，李群芳、黄建编著，电子工业出版社；2 单片机原理及应用，张毅刚编著，高等教育出版社；3 51系列单片机及c51程序设计，王建校，杨建国等编著，科学出版社；4 单片机原理及接口技术，李朝青编著，北京航空航天大学出版社；完成期限 2011.3.142011.3.18 指导教师 专业负责人 2011年 3 月 13 日第一章 概 述3第二章 mcs51单片机的基本原理42.1 mcs51单片机的内部结构42.2 mcs51的引脚说明62.3 输入输出引脚82.4 定时与中断11第三章 硬件电路设计133.1 电路总体框架133.2 复位电路153.3 光电式传感器163.4 报警电路19第四章 程序设计194.1程序设计总体思路194.2主程序代码设计214.3子程序设计22结束语23参考文献24致谢26附录一 系统电路图27附录二 主要源代码28第一章 概 述传感器技术是21世界人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，基于传感器技术的光电防盗报警系统也得到了高速的发展。最早的非可见光束入侵物探测器，有发射机将一个编码信号馈送到一只ir led中。此led的输出聚焦成一束很窄的光束，并使其对准远距离仿制的接收机中的一只匹配的ir光敏探测器。此系统是以针尖视线的原理来工作的，它可以被任何一个进入到发射机与接收机透镜之间瞄准直线上的大于针尖的物体所触发。随后又出现了给予被动是红外传感器技术的被动式红外入侵报警器，它能可靠的将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以却别，同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。本设计采用光电式传感器检测入侵者，其基本原理为:传感器感应到入侵者，将其转换成超低频信号，经电路放大，输出。同时由接收装置根据接收到的信号得到高低电平，输出。经判断，再将报警信号通过电路输入到单片机接口上，由单片机根据输入的信号来决定是否对报警电路进行触发。第二章 mcs51单片机的基本原理2.1 mcs51单片机的内部结构mcs51单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，如图所示：（1）中央处理器：中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(ram)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据。（3）程序存储器(rom)8051共有4096个8位掩膜rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器(rom)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。（5）并行输入输出(i/o)口：8051共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。（7）中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路：8051内置最高频率达12mhz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。2.2 mcs51的引脚说明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flash编程时，p0 口作为原码输入口，当flash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。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。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流。rst：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/：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。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。psen：外部程序存储器的选通信号端。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，这两次有效的/psen信号将不出现。/vp：当保持低电平时，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，将内部锁定为reset；当端保持高电平时，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。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。2.3 输入输出引脚8051 共有4 个8 位并行i/o 端口,共32 个引脚。所有4 个端口都是双向口，每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器p0p3，一个输出驱动器和输入缓冲器。 1、p0口8位双向i/o口 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展i/o 口)时，p0 口可用作双向i/o 口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展i/o 口)时，p0 口可用于分时传送低8 位地址(地址总线)和8 位数据信号(数据总线)。位结构如图所示。 2、p1口8位双向i/o口 8 位准双向i/o 口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。p1 口既可以作为8 位并行输入输出口，又可以作为8 位输入/输出端。cpu 既可以对p1 口进行字操作，又可以进行位操作。位结构如图所示。 3、p2口8位准双向i/o口 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展i/o 口)时，p2 口可用作双向i/o 口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展i/o 口)时，p2 口可用于传送高8 位地址(属地址总线)，引脚上拉电阻同p1 口。 4、p3口8位准双向i/o口 p3 口具有多种功能。一方面与p1 口一样作为一般准双向输入/输出接口，具有字节操作和位操作二种工作方式；另一方面8 条输入/输出线可以独立地作为串行输入/输出口和其它控制信号线。2.4 定时与中断中断时一项重要的计算机技术，采用终中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。向cpu发出中断请求的来源称之为中断源。mcs51是一个多中断源的单片机，以8051为例有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个。1、外中断外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“0”和外部中断“1”。它们的中断请求信号分别由引脚into（p3.2）和int1（p3.3）引入。外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。2、定时中断定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。3、串行中断串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。4、中断控制中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用的寄存器。在mcs51单片机中用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。5、定时器控制寄存器（tcon）该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。寄存器地址88h，位地址8fh88h。位地址 8f 8e 8d 8c 8b 8a 89 88位符号 tf1 tr1 tf0 tr0 ie1 it1 ie0 it0这个寄存器既有定时器/计数器的功能又有中断控制功能，其中与终端有关的控制位共六位：ie1、it1、ie0、it0以及tf0和tf1。6、中断允许控制寄存器（ie）寄存器地址a8h，位地址afha8h。位地址 af ae ad ac ab aa a9 a8位符号 ea / / es et1 ex1 et0 ex0其中与中断有关的控制位共六位：ea、ex0和ex1、et0和et1、es。7、中断优先级控制寄存器（ip）mcs51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。各中断源的优先级由优先寄存器（ip）进行设定。ip寄存器地址b8h，位地址为bfhb8h。寄存器的内容及位地址表示如下：位地址 bf be bd bc bb ba b9 b8位符号 / / / ps pt1 px1 pt0 px0px0 外部中断0优先级设定位pt0 定时中断0优先级设定位px1 外部中断1优先级设定位pt1 定时中断1优先级设定位ps 串行中断优先级设定位8、定时器/计数器的控制寄存器与定时器/计数器应用有关的控制寄存器有：（1）定时器控制寄存器（tcon）tcon寄存器既参与中断控制又参与定时控制。其中有关定时的控制位共有四位：tf0和tf1、tr0和tr1.（2）工作方式控制寄存器（tmod）tmod寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器/计数器的工作方式。但tmod寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。第三章 硬件电路设计3.1 电路总体框架本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为：光电式传感器、报警器、单片机控制电路、led控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。 8051复位电路信号检测电路报警执行电路led发光显示放大处理器采用51系列单片机8051。整个系统是在系统软件控制下工作的。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8051单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。3.2 复位电路复位电路产生复位信号，复位信号送入rst后还要送至片内的施密特触发器，由片内复位电路在每个机器周期的s5p2时刻对触发器输出采样信号，然后由内部复位电路产生复位操作所要的信号。一般的复位电路信号可分为上电自动复位和按键复位，我们在此选用的是上电复位。上电自动复位原理：rst引脚是复位信号的输入端，只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效的时间，就可以使单片机上电复位。上电自动复位是通过电容充电实现的，上电瞬间，rst端电位与vcc相同，随充电电流的减少，rst的电位逐渐下降，直到复位信号无效。复位电路如图所示。3.3 光电式传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。（1） 光电检测电路的基本构成光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。（2）光电二极管的等效电路模型工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，il为二极管的漏电流；isc为二极管的电流；rpd为寄生电阻；cpd为光电二极管的寄生电容；epd为噪声源；rs为串联电阻。由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为cpd和rpd，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。cpd是由光电二极管的p型和n型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如pin光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pf到几千pf以上。而光电二极管的寄生电阻rpd(也称作分流电阻或暗电阻)，则与光电二极管的偏置有关。与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容cpd的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流il和线性误差。下图为完整的光电传感器检测电路。3.4 报警电路当有单片机经过判断确认有入侵者时，发出报警的信号，信号经过放大后发出报警信号，同时通过无线传感器收发电路回传信号通知主人。从而可以采取措施。第四章 程序设计4.1程序设计总体思路（1）按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如下图所示：系统初始化声光报警结束检测外部有无信号输入声光报警是否持续10秒开始启动声光报警电路开始报警是否还有检测信号等待下次报警结束ynnyy驱动（2）中断服务程序工作流程图本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部光电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图所示； 中断源发出中断申请关中断、保护现场into端有输入信号关闭报警恢复现场、开中断中断返回4.2主程序代码设计main: mov ie,#81h ;cpu开放中断，int0允许中断 setb it0 ;外部中断为边沿触发方式 mov sp,#30h ;指针入口地址 setb p3.0 clr p3.1 mov p1,#0ffh ;使p1口全部置1 mov p2,#00h ;p2口清零 clr p1.2 lp: jnb p1.0,la ;监测输入信号，是否有输入信号 la: acall delay ;延时消抖 jnb p1.0,alarm ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序 ajmp lpdelay:mov r1,0aah ld2:mov r2,0bbh ld1:nop djnz r2,ld1 djnz r1,ld2 ret 4.3子程序设计pint0: clr ex0 ;外部中断0服务程序开始，屏蔽外部中断 push psw push acc jnb p3.2,ln ;监测是否有中断输入 ln: lcall delay ;延时消抖 jnb p3.2,ln1 ajmp ln2 ;无中断输入,中断返回 ln1: setb p3.0 clr p3.1 clr p1.2 ;使报警结束，绿指示灯亮 pop acc pop psw setb ex0 ;开放外部中断0 lcall lp ;在中断继续检测是否有输入信号 ln2: reti end 结束语本设计研究了一种基于单片机技术的光电式传感器防盗报警器。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵中都学到了不少知识，我想归纳起来，主要有以下四个方面： 1、经过这次毕业设计，它让我接触更多平时没有接触过的科学仪器设备、元器件以及获得相关的仪器调试经验，同时我也发现自己在这方面很多不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用。 2、学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料，各种参数都需要自己去调整。偶而还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。 3、在毕业设计中，我们应当注意重点与细节的关系。 4、失败不可怕，只要不趴下，昂首向前走，希望总会有。 5、同组同学相互包容，彼此合作，取长补短，才能铸就最后的成功。 可以这样说毕业设计是对大学四年所学知识的一次运用和检阅，同时对自学能力提出很高的要求，所以平时的学习离开思考，就是严重的错误，我们学习不应该有偏科现象，各方面的知识都应该要接触，这样做才能为毕业设计打下基础。参考文献1 单片微型计算机与接口技术，李群芳、黄建编著，电子工业出版社；2 单片机原理及应用，张毅刚编著，高等教育出版社；3 51系列单片机及c51程序设计，王建校，杨建国等编著，科学出版社；4 单片机原理及接口技术，李朝青编著，北京航空航天大学出版社；5 赵晶prote199高级应用m北京：人民邮电出版社，20006 郑步生，吴渭multisim200l电路设计及仿真入门与应用m北京：电子工业出版社，20027 沈美明，温冬婵ibmpc汇编语言程序设计m北京：清华大学出版社，20018 张友德，赵志英，涂时亮单片微型机原理、应用与实验m上海：复旦大学出版社，20009 楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例m北京：北京航空航天大学出版社，2003致谢在本次设计过程中得到了指导老师的大力支持，在此表示感谢！在本次课程设计的过程中，本系的各位老师和领导也给予了诸多帮助和支持，在此作者也表示感谢！感谢各位老师多年来的教诲与帮助。另外，我还要特别感谢我所有的搭档，是他们给了我巨大的勇气和战胜困难的信心，在本次设计中我们合作的很愉快，当我们遇到困难时我们一起去探讨和研究，一起去战胜它，大家也一起分享排除问题和困难后的喜悦。 同时大家也发扬我们慷慨激扬精神：特别能吃苦，特别能攻关，特别能战斗，特别能奉献。在此我表示真诚的感谢！ 附录一 系统电路图附录二 主要源代码org 0000h ljmp main org 0003h ljmp pint0 org 0200hmain: mov ie,#81h ;cpu开放中断，int0允许中断 setb it0 ;外部中断为边沿触发方式 mov sp,#30h ;指针入口地址 setb p3.0 clr p3.1 mov p1,#0ffh ;使p1口全部置1 mov p2,#00h ;p2口清零 clr p1.2 lp: jnb p1.0,la ;监测输入信号，是否有输入信号 la: acall delay ;延时消抖 jnb p1.0,alarm ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序;-串口中断处理-uarti:pushacc ;保存寄存器pushpswjnb ri, exit ;接收标志不为真，则退出clr es ;关中断mova, sbuf ;接收数据mova,#led_dataadda, r5movr0,amova,r2movr0,aincr5movr5,#00hu1:;反馈接收成功标志clrtimovsbuf,a;返回接收成功标志，oxffloop:jnbti,loopclrri ;清除接收标志 setb es ;开中断exit: poppswpopacc ;恢复寄存器reti ;-串口中断处理结束- ajmp lpdelay:mov r1,0aah ld2:mov r2,0bb