单片机课程设计---基于RS-485通讯的报警系统设计.docx

单片机课程设计设计题目:基于rs-485通讯的报警系统设计 目录摘 要1第1章 绪论21.1 前言21.2 报警器的发展前景与趋势21.3设计任务与要求2第2章 系统方案设计32.1系统总体设计思路32.2 系统方案设计3第3章 硬件设计53.1 电源电路设计53.2 红外探测信号输入电路设计63.3 时钟电路的设计63.4复位电路的设计73.5 声光报警电路的设计73.6 max485电路设计8第4章 软件设计84.1 软件的程序实现84.1.1主机 pc 与从机 at89c52 单片机通信软件设计84.1.2从机 89c51 单片机软件设计94.2 主程序工作流程图94.3 中断服务程序工作流程图114.4 报警电路子程序流程图11第5章 可靠性措施125.1光耦125.2看门狗复位电路13第6章 设计总结13第7章 我的感受14参考文献14摘 要随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，人们对住宅的需求已从追求简单的生存空间向着追求质量、功能、服务等多重需求过渡。同时，随着人们的保护意识不断增强，防盗措施的紧迫性也逐渐被提上了日程，防盗报警系统应运而生。 本文设计了住宅智能化中的红外防盗报警系统。本系统以单片机89c51为核心，配以各种功能模块，来满足人们日常生活中的安全需求，本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，抗干扰力强、灵敏度高，而且安装较隐蔽，不易被发觉。该系统主要包括红外探测电路、lcd控制电路、声光报警电路及单片机控制电路等。自动检测功能由红外探测电路实现，当有盗贼穿过此装置时，红外传感器立即将检测到的信号经过信号处理后传送给主机电路，由主机来判断信号并驱动电路报警。报警功能由扬声器、蜂鸣器等发声装置实现，同时通过rs-485通信报警给小区警卫。本设计通过红外传感器探测人体红外线信号，从而达到报警的功能，满足了人们日常生活对防盗报警功能的需要。关键词：防盗报警，红外探测，rs-485通信，声光报警第1章 绪论1.1 前言随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的基于51单片机的报警系统。1.2 报警器的发展前景与趋势随着社会的发展，农村城镇化和人员流动性增大，社会治安状况更趋复杂，因此作为社会的基本单元“安全防范问题就显得尤为重要。传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些明显的问题，如：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供了便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险等。所以作为新一代的智能安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能小区的等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防范、信息管理、物业管理和信息网络等系统。因此，小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中。1.3设计任务与要求 (1)该设计包括硬件和软件设计两个部分。 (2)本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、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。终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。(3)系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，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89c51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声,并通过rs-485总线传送给主机。第2章 系统方案设计2.1系统总体设计思路本系统由四路热释电红外探测器采集四路（报警监测点）报警信号，将报警信号送入从机89c51控制芯片，触发声光报警，当从机有报警信号产生时,上位主机以查询的方式实现与从机的通信,同时判断从机信号的类型,如果是报警,从机通过串口通信将报警信号传给主机，主机则显示从机的当前状态并进行警情处理从而实现报警系统的功能。此外，cpu有一个全双工的串行通信口，可以实现1主100总线查询式管理,需要通过rs-485总线通信将报警区域的地址传送到主机上，监控中心可以及时的发现报警的具体地点，进行警情的处理。整个系统的连接框图如图1所示2.2 系统方案设计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、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、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。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2总体设计框图所示：信号处理电路89c51单片机传感器1传感器4复位电路主机声光报警电路. . . . . .rs485总线时钟电路 处理器采用51系列单片机89c51。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、比较电路送出ttl 电平至51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。第3章 硬件设计3.1 电源电路设计此电源为直流稳压电源包括降压、整流、滤波、稳压三部分，最终将电网中220v的交流电压转换为5v的直流电压提供给后面的工作电路。（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220v交流电压变换成较低的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。变压器副边与原边的功率比为p2/ p1=，式中是变压器的效率。在本电源电路中取的数值为22，故降压后副边电压值为10v。（2）整流电路：利用d1d4 4个二极管组成的一个桥式整流电路，将50hz的正弦交流电转化成脉动的直流电。整流后的电压约为9v。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分通过c101加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：芯片7805稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压波动和负载电阻的变化而变化。本稳压电源可作为ttl电路或单片机电路的电源。lm7805是常用的三段稳压器，一般使用的是to-220封装，能提供dc 5v的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。图3.1 直流稳压电源电路3.2 红外探测信号输入电路设计红外探测信号输入部分由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、数字信号输入电路组成。u1b是电压比较器，二级放大信号out2由运放芯片u1b中5脚输入，r6、r7、r9、d1组成基准电压电路，输入信号与反向输入端基准电压比较，一旦有盗贼闯入监控的范围内，热释红外线传感器监测到信号后，发出一个微弱的交变信号，经两级交流放大后，与基准电压进行比较，此时，经过放大的信号大于基准电压。通过u1b的比较，其输出电平为运放工作电压高电平5v，三极管q2导通，j2输出为低电平；当out2端输入没有信号时，输出为0v，所以三极管q2截止，j2引脚输出为高电平。调试时，在红外线传感器前人走动，调整r9，直到j2引脚输出为低电平。r1是源极电阻，其阻值可以根据实际情况进行调整；产生的微弱信号由s9014进行放大。s9014是npn型三极管，其ic静态工作电流达100ma，放大倍数最大可达1000倍。r3给s9014提供静态基极电压。放大后的信号由c2耦合到下一级。用三极管s9013把out3的信号转换成单片机的入口电平信号。其主要原因是，当产生报警信号后，out3输出约为5v的工作电压，需要用三极管将其转换成低电平。这样，当有报警信号时，j2引脚输出低电平，将给单片机一个低电平，而这样一个低电平信号将使单片机退出低功耗状态，同时唤醒整个电路；而没有报警时，将输出持续的高电平。3.3 时钟电路的设计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。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12mhz，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。下图为时钟电路。图3.3 时钟电路图3.4复位电路的设计 本设计使用的是看门狗复位电路，x5045是一种集看门狗、电压监控和串行eeprom 三种功能于一身的可编程控制电路.特别适合应用在需要少量存储器,并对电路板空间需求较高场合,x5045具有电压监控功能,可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围(4.2v)以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。它的存储器与cpu 通过串行通信方式接口(spi)。由x5045引脚功能可知，wdi引脚为双功能看门狗定时器电路检测wdi的输入来判断微处理器是否工作正常。在设定的定时时间内，微处理器必须在wdi引脚上产生一个由高到低的电平变化，以清内部的定时器，即喂狗，否则x5045将产生一个复位信号。下图是x5045与具有手动复位的89c51微控制器的连接3.5 声光报警电路的设计如下图所示，报警电路控制端由单片机的p2.4和p2.5端来完成，高电平有效。当p2.4和p2.5输出高电平时，npn三极管导通，驱动扬声器产生声音报警信号，同时电路中的led导通，发光二极管被点亮，进行发光报警。 图3.5 声光报警电路图3.6 max485电路设计由于pc 机是系统的主控机，主机 pc 和单片机之间采用的是 rs-485 总线标准进行通信， 所以在电路设计时采用rs-485通信收发器芯片为 max485。本系统采用 max485转换器ttl标准电平转换为 rs-485电平。rs485 总线长距离通讯时易受强信号干扰，所以应加保护措施，可选择的方法如下隔离保护方法：采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离。将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。第4章 软件设计4.1 软件的程序实现4.1.1主机 pc 与从机 at89c52 单片机通信软件设计由于本系统是由主机 pc机与多个单片机系统构成的多机通信系统， 所以系统采用主从式方式通信， 主机 pc 处于主导和支配地位，从机处于被动的地位。主机发送的信息可以传送到所有的从机或指定的从机上， 而从机发送的信息只能为主机接收，从机之间不能直接通信。因此从机89c51单片机必须在方式2或方式3下工作， 其通信原理为： 从机在建立与主机通信之前所有分机的sm2都置1， 即随时处于对通信线路监听的状态， 只能收到主机发送来的机号信息。 主机向从机发送信息时， 每帧数据的第9位都为1，所有分机都接收到机号信息， 从机收到机号后判断主机是否呼叫本机。如果呼叫本机则进入正式通信状态， 清除sm2，并把本机号发送给主机作为应答， 然后才开始接收主机发送来的信息。 而其它从机由于机号不符他们的ms2仍然为1，仍处于监听状态， 无法接收主机发送来的数据信息。 主机收到从机发送来的回应信息后， 比较主机已发送的机号与刚接收的机号是否相符。 如果不符， 则发出错误信息； 如果相符，则正式发送数据信息， 这是发送的每帧的第9位都为0。只有sm2=0的从机才能接收到主机发送的信息。4.1.2从机 89c51 单片机软件设计下位机从机89c51处于前端测控系统， 在初始化时，设置状态标志为 0， 表示系统处于监听状态， 此时即使上位机发来正确的地址信号， 单片机也不予理睬， 对上位机来说是处于睡眠状态。在睡眠状态下单片机系统以不间断的查询方式判断p1是否报警， 如果判断为报警， 置状态标志为1， 单片机被唤醒， 并且按照通信方式， 向上位机发送报警信息。同时提供报警芯片的工作电压， 控制报警器发声。4.2 主程序工作流程图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4.2所示：结束是否还有检测信号等待下次报警声光报警结束声光报警是否持续10秒启动声光报警电路开始报警开始检测有无信号输入系统初始化q 图4.2 主程序工作流程图4.3 中断服务程序工作流程图主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释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4.3所示；中断源发出中断申请关中断、保护现场int0端有输入信号关闭报警恢复现场、开中断中断返回图4.3 中断服务程序工作流程图4.4 报警电路子程序流程图报警电路控制端由单片机的p2.4端来完成，高电平有效。当p2.4输出高电平时，npn三极管导通，驱动扬声器产生声音报警信号，同时电路中的led导通，发光二极管被点亮，进行发光报警。声光报警电路子程序流程图如下图4.4所示：开始初始化p2.4和p2.5是否为高电平电路启动声光报警报警结束图4.4 报警电路子程序流程图第5章 可靠性措施5.1光耦rs485 总线长距离通讯时易受强信号干扰，有共模电压，所以应加保护措施，可选择的方法如下隔离保护方法：采用高频变压器、光耦等元件实现接口的电气隔离。将瞬态高压转移到隔离接口中的电隔离层上，不会产生损害性的浪涌电流，起到保护接口的作用。电路设计中可以考虑采用高速光耦6n137芯片，也可以优化普通光耦电路参数的设计，使之能工作在最佳状态。以光为媒介,传输信号但不产生能量交换,器件左侧为发光二极管,右侧为管敏三极管,其基极没有连出,靠发光二极管是否发出足够的光来决定能否导通.要点:发光二极管工作时压降约为1.1v;电流传输比为2:1;隔离电压约为1000-2500v。 5.2看门狗复位电路任一款单片机，在使用时首先要考虑到其复位电路的设计。x5045芯片将上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的串行eeprom存储器集成在一个芯片内，不但降低系统的成本还减小电路板的空间，增加系统的可靠性。由x5045引脚功能可知，wdi引脚为双功能看门狗定时器电路检测wdi的输入来判断微处理器是否工作正常。在设定的定时时间内，微处理器必须在wdi引脚上产生一个由高到低的电平变化，以清内部的定时器，即喂狗，否则x5045将产生一个复位信号。x5045采用spi串行接口，应用较为广泛，使用看门狗还应注意它的复位门限电压，一定要确保使用的mcu在最小复位门限电压下也可以正常工作。第6章 设计总结本设计研究了一种基于51单片机的报警器。该防盗报警器通过以89c51单片机为工作处理器核心，外接红外传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为