毕业设计（论文）-基于单片机的电动自行车无线防盗报警器设计.doc

郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) xxxxxxxx 毕 业 论 文（设 计） 2012 届 电子信息工程 专业 0813082 班级 题 目 可控电动车防盗报警器设计 姓 名 xxx 学号 xxxxxx 指导教师 王义琴 职称 讲师 二 一 二 年 五 月 十 日 内 容 摘 要 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) i 电动车具有环保，快捷，方便的优良特点。随着电动车的普及，防盗问题 越来越突出。为了很好地解决防盗问题，应用新技术对防盗系统的设计非常 必要。 本论文课题是开发设计一款基于单片机的电动自行车无线防盗报警器。 通过市场调研和查阅相关资料，论证了本设计的必要性和可行性。文中主要 论述了该无线防盗报警器各个模块的详细设计过程。设计从总体方案的设 计入手，对无线收发模块、信号触发模块、报警电路模块等进行了相关的分 析、选择及最终方案的确定；使用 protel 软件绘制出该设计的最终方案的电 路图，通过 protel 电路图清晰地表达出该设计各个工作模块电器元件的连 接情况。 关 键 词 单片机;无线收发；弹簧开关；防盗报警；扬声 abstract 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) ii the fine features of electric bicycle are environmentally friendly, efficient, convenient.with the popularity of electric bicycle, security issues become more grave. in order to solve security issues, application of new technologies on the design of anti-theft system has become very necessary. this thesis focuses on the development and design of the electric bicycle scm of wireless anti-theft alarm based on monolithic integrated circuit. through market research and access to relevant information, demonstrated the necessity and feasibility of the design . in the major expositions of the wireless anti-theft alarm for the detailed design of each module process . design from starting with the design of the overall plan, carrying out the relevant analysis about the radio transceiver modules, signal trigger module, alarm circuit module , selection and exterminating the final package; protel software is used to map out the final design of the circuit, through the protel clearly show the work of various electrical components connecting module. keywords scm wireless transceiver module spring switch anti-theft alarm system loudspeakers 目目 录录 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) iii 1 绪论.1 1.1 电动车无线防盗报警器研究背景 .1 1.2 电动车无线防盗报警器的研究现状 .1 2 系统方案设计.3 2.1 框架结构体系设计 .3 2.2 各功能模块方案设计 .3 2.2.1.1 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块.4 2.2.2 信号触发模块4 2.2.2.1 振动传感器.4 2.2.3 报警电路模块5 2.2.3.2 扬声器.5 2.2.3.3 音乐集成电路.6 2.3 本章小结 .6 3 无线收发模块设计.7 3.1 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块介绍7 3.1.1 主要特性.7 3.1.2 工作原理方框图9 3.1.3 外部应用电路.10 3.1.4 光电特性11 3.2 无线收发模块设计 .14 3.3 本章小结 .14 4 音乐集成电路模块设计.15 4.1 音乐集成电路 .15 4.1.1 音乐集成电路内部结构及其工作原理.15 4.1.2 音乐集成电路使用过程中应注意的问题.16 4.2 音乐集成电路报警模块设计 .17 4.2.1 整流二极管的选用17 4.2.1.1 整流二极管的工作原理.17 4.2.1.2 整流二极管的导电特性.17 4.2.2 晶体三极管的选用.18 4.2.2.1 三极管放大电路的基本原理.18 4.2.2.2 三极管的工作状态的判断方法.19 4.2.3 电磁继电器的选用.20 4.2.4 音乐集成电路报警模块的设计20 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) iv 4.3 本章小结 .21 5 电路与编程.22 5.1 硬件安装 .22 5.1.1 at89c51 单片机相关特性及参数介绍.22 5.1.1.1 主要特性.22 5.1.1.2 功能特性概述.23 5.1.2 硬件电路.26 5.2.1 无线收发模块调试.26 5.2.2 音乐集成电路模块调试.26 5.2.3 复位电路及晶振电路调试.27 5.2.3.2 晶振电路设计.29 5.3 c 语言编程 30 5.3.1 at89c51 单片机软件编程的注意事项.30 5.3.1.1 at89c51 单片机软件编程的省电模式1330 5.3.1.2 编程方法31 5.3.2 c 语言编程.32 5.4 软件调试 .37 5.5 本章小结 .38 结论.39 致谢.40 参考文献.41 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 0 电动车防盗报警器 081308236 赵冰洋 指导老师 王义琴 讲师 1 绪论 1.1 电动车无线防盗报警器研究背景 随着我国市场经济制度的建立，科学技术的发展，我国安防产 业不断向前推进，安防市场己成为一个新兴的、潜力巨大的体现公共 安全与技防紧密结合的高新技术市场，为安防企业的发展提供了难得 的机遇。并且国内安防产业正快速与国际接轨我国有世界上最庞大的 安防产品市场，这是我们最大的优势。在欧美发达国家安防产业更是 在原有基础上飞速发展，在其他发展中国家，如亚洲、拉丁美洲、东欧、 非洲和中东，也能预见它的快速增长。这些地区还有很大的未曾开发 的安防市场，这些市场的特点是犯罪率在不断增加、经济正迅速发展， 因此，这些国家对安全措施和安保方法的需求也在逐渐增加。所以研 究报警系统具有很好的社会价值和经济价值。 1.2 电动车无线防盗报警器的研究现状 为了充分掌握电动车市场防盗报警类产品的现状及发展动态，我 深入开展了市场调研和文献搜索，从商家提供的电动车年销量和报警 器（包括报警锁）年销量数据不完全统计，现在购买电动车的用户同时 配备防盗报警装置的约占 95。 目前市场上出售的电动车防盗报警装置大致有如下几类： （1）防盗报警锁，将报警器与车锁集成，只要内部振动传感器感 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 1 知到车身振动，就会立即触发启动锁上报警喇叭报警。这种防盗报警 锁使用比较方便，售价也能为大家接受，一般在 50 元左右，如杰达 kl02、新奇特 fb8224。但是用户反映使用这种防盗报警锁，发生 误报的频率较高，而且发现是误报还得不到解除，同时在锁紧状态下 无法人为撤防，造成不必要的干扰。 （2）普通防盗报警器，与防盗报警锁相比，这类报警装置体积较 小，可独立安装在电动车上较为隐蔽的地方，不易被发现而拆卸。其 布防、撤防都是通过报警器外壳上的同一开关按钮实现，探测警情信 号的也是各种类型的振动传感器，电源一般使用两节 7 号电池，性能 比较稳定，价格在 60 元左右。但是一旦将其安装在车身较为隐蔽的 地方，如车身底部等，那么车主启动布防和撤防时要按开关就很困难， 不易操作；如果安装在方便车主启动开关的地方，此报警器又很容易 被盗贼发现而将其拆卸。 （3）无线智能数字报警器，如荣高 va-2 型、旭飞报警器。这类防 盗报警器一般采用微电脑技术，智能化程度较高，除了能遥控设防撤 防、强警寻车外，还具有遥控熄火、自动延时设防和智能记忆等功能。 这类产品设计合理、性能优越，但是作为电动车的附属配件，它们的 价格相对较高，一般要超过 150 元，普通用户不能接受，因而在电动 车市场也就得不到推广。 电动车之所以能走进千家万户，一个很重要的原因就是其价格 相对于摩托车和汽车要低得多。开发一种高性能、低价位防盗报警器 是适合市场的，也是用户这个消费群体给我们提出的一项任务。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 2 2 系统方案设计 电动车无线防盗报警器的总体方案设计是根据其功能和设计要 求，从全局的角度，以系统的观点而进行整体方面的设计，主要包括 无线收发模块设计，信号触发模块设计和报警电路模块设计等内容。 2.1 框架结构体系设计 本设计主要依据下列框架结构(如图 2-1)进行设计。 图 2-1 总体框架结构体系 其中单片机作为控制单元模块，弹簧开关作信号触发模块，采用 远距离无线收发装置作无线收发模块，扬声器（或蜂鸣器）作报警电路 模块。当单片机收到无线收发模块发出的预警信号后，进入预警状态， 并让弹簧开关在收到外界振动影响后，接通电路使报警器报警，以此 来威慑犯罪分子，达到保护电动自行车的目的。 at89c51 单片机单片机 无线接收模块无线接收模块无线发送模块无线发送模块 报警电路模块报警电路模块 信号触发模块信号触发模块 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 3 2.2 各功能模块方案设计 本设计各功能模块主要包括无线收发模块，信号触发模块和报警 电路模块等，下面将分模块讨论各个模块拟采用方案和最终方案的确 定。 2.2.1 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块 lr-t15ctm4-s 系列是红外遥控接收模块。该模块的最大优点就 是即使在很弱的光源下也能可靠运行、并保护、防止受到其他输出脉 冲的干扰。 lr-t15ctm4-s 系列所需的供电电压在 2.4v6.5v 之间，与本 设计所构想的 5v 供电电压很吻合；而其低电流消耗是 hf-15/hj-15 红外收发组件不可比拟的；其输出信号为 4.5v 高电压正好能被本设 计中采用的 at89c51 单片机所识别。 2.2.2 信号触发模块 2.2.2.1 振动传感器 振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机 械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转 换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。振动传感器并不 是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量作 为振动传感器的输入量 mi，然后由机械接收部分加以接收，形成另 一个适合于变换的机械量 mt，最后由机电变换部分再将 mt 变换为 电量 e，如图 2-4 所示。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 4 图 2-4 振动传感器 分和机电变换部分的工作性能来决定的。振动传感器具有成本低、灵 敏度高、工作稳定可靠，振动检测可调节范围大的优点，器件的内部 均含有专用的控制芯片,应用非常方便,可直接带动小功率负载,用一 只三极管进行电流放大后,即可驱动继电器或报警被大量应用到汽车、 摩托车、电动车的防盗系统上，目前 80的车辆报警器都用这类传感 器。 mi mt e 振动传感器的性能特点符合本设计的需要，但在元件采购的过程 中发现徐州电子市场找不到振动传感器的销售，给本设计的实物制作 造成了困难。因此将在第 4 章音乐集成电路报警模块设计中对信号触 发模块的设计做详细介绍。 2.2.3 报警电路模块 2.2.3.2 扬声器 扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，扬声器的性能 机电 变换 部分 机械 接受 部分 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 5 优劣对音质的高低影响很大。扬声器的种类很多，按其换能原理可分 为电动式（即动圈式）、静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电 式（即晶体式）等几种；按其频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器、 高音扬声器。 电动式扬声器的结构和工作原理 电动式扬声器应用最广泛，它又分为纸盆式、号筒式3和球顶形 三种。而前两种应用比较广泛，因此这里只介绍前两种。 （1）纸盆式扬声器 纸盆式扬声器其结构如图 2-6 所示。它由三部分组成：振动系 统，包括锥形纸盆、音圈和定位支片等；磁路系统，包括永久磁铁、 导磁板和场心柱等；辅助系统，包括盆架、接线板、压边和防尘罩 等。当处于磁场中的音圈有音频电流通过时，就产生随音频电流变化 的磁场，这一磁场和永久磁铁的磁场发生相互作用，使音圈沿着轴向 振动，由于扬声器结构简单、低音丰满、音质柔和、频带宽，但效率较 低。 （2）号筒式扬声器 号筒式扬声器其结构如图 2-7 所示，它由振动系统（高音头）和号 筒两部分构成。振动系统与纸盆扬声器相似，不同的是它的振膜不是 纸盆，而是一球顶形膜片。振膜的振动通过号筒（经过两次反射）向空 气中辐射声波。它的频率高、音量大，常用于室外及广场扩声。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 6 2.2.3.3 音乐集成电路 通过比较扬声器和音乐集成电路的外接元件数量、价格、功能全 面性及使用方便等特点决定采用音乐集成电路作为本设计的报警电 路模块，该模块将在第 4 章音乐集成电路报警模块设计中做详细介绍。 2.3 本章小结 本章对该设计的总体框架结构体系设计进行了论述，并对该设计 的各功能模块拟采用和最终采用的方案进行了详细的介绍；通过比较 扬声器和音乐集成电路确定了本论文的报警电路模块，而被选定的模 块元件将在下面几章做详细的介绍。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 7 3 无线收发模块设计 lr-t15ctm4-s 系列是红外遥控接收模块。它已转移成型、体积 小、重量轻和低电流消耗。该模块的最大优点就是即使在很弱的光源 下也能可靠运行、并保护、防止不受控制的输出脉冲的干扰。 3.1 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块介绍 本小节将详细介绍 lr-t15ctm4-s 红外遥控接收模块（见图 3-1） 的主要特性、引脚特征、光电特性、极限参数、材料配置，外部尺寸等 物理特性。 3.1.1 主要特性 （1）供电电压 2.4 v6.5v 之间 ； （2）光电检测器及前置放大器封装在一起； （3）pcm 频率的内部过滤器； （4）对不同种干扰光源的免疫力较强； （5）低效输出 （6）低功率消耗； 图 3-1 lr-t15ctm4-s 因 lr-t15ctm4-s 红外遥控接收模块具有上述的主要特性，所以 其应用范围也是比较广泛的。大致有av 设备（如：电视，dvd 播放 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 8 机，音响，cd 播放机，机顶盒等）；家电（如：电脑，空调，照相机等）； 红外遥控器控制玩具。 lr 系列红外遥控接收模块的引脚配置和载波频率如表 3-1 所示。 表 3-1 lr 系列引脚配置和载波频率 在本设计中该元件要与单片机连接使用，完成报警系统的上锁和 解锁过程，因此要选择合适的工作电压和输入频率，焊接电路板时应 考虑该电子元件的焊锡温度，以免过高烧坏元件。lr-t15ctm4-s 红 外遥控接收模块的建议操作条件和极限参数见表 3-2 和表 3-3。 表 3-2 建议操作条件 参数符号数值单位 运行电压vcc2.46.5v 输入频率fin3060khz 表 3-3 极限参数 (温度=25) 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 9 参数符号数值单位 供电电压vcc7v 输出电流iout2.5ma 运行温度topr-20+80 存储温度tstg-30+85 焊锡温度tsd270 3.1.2 工作原理方框图 图 3-2 方框图 发射装置输出波形 红外模块输出波形 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 10 图 3-3 输出波形 lr-t15ctm4-s红外遥控接收模块工作原理方框图如图3-1所示。 当无线发射装置有信号输入后，通过自动增益控制器保证通道内的信 号同步放大稳定动态工作点,以达到更高的传输效率。通过限制器将 突发的信号、过强的信号、误操作所产生的大信号和声反馈，按一定 的比例进行压缩或限幅，解决了功率放大器过载问题，从而保护了昂 贵的功率放大器和扬声器。通过滤波器过滤掉不理想的信号，得到单 一频段的理想信号，保证了信号传输的正确。通过高峰活塞和比较器 比较电压，然后根据比较结果，把输出电压设定在数字高态。通过积 分器将前后信号叠加。最后通过施密特触发器对脉冲边缘进行整形和 产生输出方波脉冲，如图3-3所示。 3.1.3 外部应用电路 （1）该元件的外部应用电路如图 3-4 所示。 防止电压包括任何噪音因素的影响，请将 rc 滤波器放在顶端. rc 滤波器应和 vcc 引脚和 gnd 引脚紧密联接 on/off 脉冲宽度最好是小于 0.3 米 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 11 *光照强度检查检测表面的红外模块是 0 lux（照度单位） 图 3-5 抵达物距离试验条件 lr-t15ctm4-s 红外遥控接收头与红外发射装置的夹角 直接 影响传输的距离，夹角越小传输距离越远，当夹角 =0时传输距离最 远为 28 m ；当夹角 =45时传输距离为 15m。抵达物距离试验条件见 图 3-5。 （2）当 lr-t15ctm4-s 系列受到一些干扰信号抑制时，它仍然可 以接收数据信号。不过灵敏度降低到不能产生理想脉冲的水平。 一些抑制 lr-t15ctm4-s 系列干扰信号的例子： 荧光灯信号电子镇流器（参照图 3-6，图 3-7 ） 频率为 38khz 的连续信号或在其他任何频率 直流灯（钨灯泡或节能灯） 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 12 图 3-6 和图 3-7 显示的信号来自一个用 60hz 电子镇流器作用的荧光 灯。 一种荧光灯电子镇流器造成的不同类型的干扰信号。如果灯的频 率在 50khz-100khz 之间，那么通常的振荡频率是光学干扰信号，这 个频率是电气振荡驱动电路镇流器频率的两倍。所有 lr-t15ctm4- s 系列的红外接收机模块都可以制止这种干扰信号如图 3-6 和图 3-7 所示。 所以这些灯将不会产生不理想的输出脉冲。不过敏感性会根据干 扰信号的强弱而有所降低，更重要的是电子镇流器的高调制的振荡幅 度。 3.1.4 光电特性 lr-t15ctm4-s 红外接收模块的光电特性见表 3-4。 表 3-4 光电特性 参数符号条件最小典型最大单位 供电电压vcc- 2.456.5v 供电电流icc无信号输 入 0.811.3ma 包过滤器中心频 率 fo- -3fo3% 峰值波长p- -940-nm 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 13 高层次的输出电 压 voh 图 3.5 vcc-0.5-v 低层次的输出电 压 vol 图 3.5 -0.20.4v 高层次输出脉冲 宽度 twh 图 3.5 450600750s 低层次输出脉冲 宽度 twl 图 3.5 450600750s 图 3.5 0-28m 图 3.6 30-22m 到达物距离 l 图 3.7 45-15m 通过下表可以看出当 lr-t15ctm4-s 红外遥控接收模块的供电 电压为 5v 时，其灵敏度最高；供电电压和电流是成正比关系，即供电 电压越大电源电流越大，反之越小；距离和输出脉冲宽度近似成反比 例关系，即距离越远输出脉冲宽度越窄，反之越宽。测试条件如表 3-9 所示。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 14 表 3-5 灵敏度供电电压 表 3-6 电源电流电 压 表 3-7 输出脉冲宽度与距离 表 3-8 方向性（水平/垂直） 表 3-9 测试条件 参数试验条件备注 高温ta=+75,vcc=5.0v t=500h ， 低温ta=-25, vcc=5.0v t=500h ， 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 15 高气温/高湿度ta=+80 90%rh, vcc=5.0v t=500h ， 热循环ta=-30(0.5h)-+85(0.5h) 20 圈， 属性测试高度=75cm 3 次 负载测试的供电电压是 5v 光电学特性正常条件下应在停止 2 小时后恢复正常 加热周期测试应在无负载条件下重复 20 次 3.2 无线收发模块设计 本设计无线接收模块的设计如图 3-10 所示，lr-t15ctm4-s 红 外接收远程控制系统模块的 vcc 脚接+5v 电压，gnd 脚接地，vout 脚接 at89c51 单片机的 p00 口。当 lr-t15ctm4-s 红外接收头收到 彩色电视遥控器的脉冲信号后，就能通过其内部电路给单片机 p00 口一个 4.5v 高电平，完成无线收发模块的工作环节。 图 3-10 无线收发模块 3.3 本章小结 本章介绍了作为本设计无线收发模块的lr-t15ctm4-s电子元 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 16 件的一般特性外部尺寸等物理特性，并根据其特性设计无线收发模块。 4 音乐集成电路模块设计 音乐集成电路报警模块是该设计的信号触发模块和报警电路模 块的组合模块，将弹簧开关作为信号触发模块，音乐集成电路作为报 警电路模块。下面将对该部分的设计做详细的介绍。 4.1 音乐集成电路 音乐集成电路是一种乐曲发生器，它可以向外发送固定存储的乐 曲。它具有声音悦耳、外接元件少、价格低、功能全面及使用方便等特 点，因而音乐集成电路在家用电器，时钟，玩具等方面得到了广泛的 应用。 4.1.1 音乐集成电路内部结构及其工作原理 音乐集成电路的内部结构如下图 4-1 所示，它由振荡电路、音调 发生器、包络发生器、驱动电路、速度控制、节奏发生器、存储器 （rom）和前置放大器等组成。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 17 图 4-1 音乐集成电路的内部结构框图 下面将图中各电路的功能作以简要介绍。 （1）振荡电路 振荡电路与外接电阻 r 构成完整的振荡器，其振荡频率与 r 阻 值的大小有关，一般振荡频率为 5okhz 或 10okhz，振荡频率是音调 发生器和节奏发生器的时间基准，该频率用作音调、节奏、速度的时 间基础，它直接影响乐曲的质量。 （2）音调发生器 音调发生器按存储器（rom）的数据分配产生不同音调的代码。 音调频率范围一般包括两个八度音音阶。 （3）包络发生器 包络发生器的功能是产生包络信号，包络信号的形状决定着乐曲 的音色。音调信号和节奏信号经包络发生器形成合成音乐信号后输送 给驱动电路。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 18 （4）驱动电路 不同的集成电路驱动电路各不相同，有的在输出端输出电流，可 直接驱动压电蜂鸣器，有的集成电路内还设置有前置放大器。 （5）速度控制 速度控制可提供与放音速度相匹配的速度，这种速度已按编好的 程序固化在集成电路内，不能由外部选择。 （6）节奏发生器 节奏发生器按存储器（rom）的数据分配，可提供八种节拍去控 制 rom 地址时钟，如 1/4、1/3、3/4、3/2、2、3、4 拍。 4.1.2 音乐集成电路使用过程中应注意的问题 （1）音乐集成电路种类很多，每一个系列的集成电路的外形和接 线方式一样，但乐曲不同。因此选购时最好临时搭接外围元件视听一 下曲调是否满意。 （2）不同系列的音乐集成电路，它们的工作电压差异较大，如 2830 系列最大工作电压为 1.65v，若大于这个电压音调就会失真，而 2850 系列的工作电压为 1.255v。使用时应注意正确选择工作电压， 才能保证集成电路的正确工作。 （3）外接电阻阻值大小与输出乐曲的音调有关，阻值小时音调高， 阻值大时音调低，调试时应注意阻值的选取。 （4）有的系列电路虽能驱动压电蜂鸣器，但输出的电流极小，对 于这类集成电路在外接功放时要注意。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 19 4.2 音乐集成电路报警模块设计 该模块用到了整流二极管、晶体三极管、直流继电器及音乐集成 电路等电器元件，下面将对各个元件的工作原理及型号的选用做详细 的介绍。 4.2.1 整流二极管的选用 4.2.1.1 整流二极管的工作原理 晶体二极管为一个由 p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在 其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压 时，由于 p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起 的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外 界电场和自建电场的互相抑制作用使载流子的扩散电流增加引起了 正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加 强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电 流 i0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电 场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产 生了数值很大的反向击穿电流，称为整流二极管的击穿现象。 4.2.1.2 整流二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单向导电性。在电路中，电流只能从二 极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向 特性和反向特性。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 20 （1）正向特性 在电子电路中，将整流二极管的正极接在高电位端，负极接在低 电位端，二极管就会导通，这种连接方式称为正向偏置。当加在二极 管两端的正向电压很小时，整流二极管仍然不能导通，流过二极管的 正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门 槛电压”，锗管约为 0.2v，硅管约为 0.6v）以后，整流二极管才能直正 导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3v，硅 管约为 0.7v），称为二极管的“正向压降”。 （2）反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端， 此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连 接方式，称为反向偏置。整流二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱 的反向电流流过二极管，称为漏电流。当整流二极管两端的反向电压 增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单向导电特性， 这种状态称为二极管的击穿。 在本设计中对整流二极管并没有太多的性能要求，只要具备了二 极管的单向导电性就可以了，在电路中起到保护电子元件的作用。所 以本设计将采用 in4007 型锗二极管。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 21 4.2.2 晶体三极管的选用 4.2.2.1 三极管放大电路的基本原理 晶体三极管是一种电流放大器件，有集电极 c，基极 b，发射极 e 三个极。晶体三极管按材料分常见的有两种：锗管和硅管。而每一 种又有 npn 和 pnp 两种结构形式，使用最多的是硅 npn 和 pnp 两 种，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。我们仅以 npn 型硅三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电 路的基本原理。 图 4-2 npn 型硅三极管引脚图 如上图 4-2 所示，我们把从基极 b 流至发射极 e 的电流叫做基 极电流 ib；把从集电极 c 流至发射极 e 的电流叫做集电极电流 ic。这 两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极 e 上就用了一个箭 头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流 ic 受基极 电流 ib 的控制，并且基极电流 ib 很小的变化，会引起集电极电流 ic 很大的变化，ic 的变化量与 ib 变化量之比称作三极管的放大倍数 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 22 。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引 起基极电流 ib 的变化，ib 的变化被放大后，导致了 ic 很大的变化。 如果集电极电流 ic 是流过一个电阻 r 的，那么根据电压计算公式可 以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电 压取出来，就得到了放大后的电压信号了。 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。 首先是由于三极管 be 结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必 须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取 0.7v）。当基 极与发射极之间的电压小于 0.7v 时，基极电流 ib 就可以认为是 0。 但实际中要放大的信号往往远比 0.7v 要小，如果不加偏置的话，这 么小的信号就不足以引起基极电流 ib 的改变（因为小于 0.7v 时，基 极电流都是 0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电 流（叫做偏置电流，上图中那个电阻 rb 就是用来提供这个电流的，所 以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加 在一起时，小信号就会导致基极电流 ib 的变化，而基极电流 ib 的变 化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的 要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小 的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为 0，不能再减小了）。而加 上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流 ib 变小时， 集电极电流 ic 就可以减小；当输入的基极电流 ib 增大时，集电极电 流 ic 就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。 对于 pnp 型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 23 跟 npn 的刚好相反。 4.2.2.2 三极管的工作状态的判断方法 三极管的工作状态可以分为三个区域：截止区、放大区和饱和区， 根据三极管发射极和集电极偏置情况，可以判别其工作状态： （1）对于 npn 三极管来说，当 ube0 时，三极管发射极处于反向 偏置，ib0，三极管工作在截止区； （2）当晶体三极管发射极处于正向偏置而集电极处于反向偏置时， 三极管工作在放大区，ic 随 ib 近似作线性变化； （3）当发射极和集电极均处于正向偏置状态时，三极管工作在饱 和区，ic 基本上不随 ib 而变化，失去了放大功能。 在本设计中三极管选用型号为 s9014 npn 型硅三极管。 4.2.3 电磁继电器的选用 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和 被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上 是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自 动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要 在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生 电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向 铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 24 后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的 位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从 而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭” 触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点， 称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 在本设计中为了安全保护须在音乐集成电路中接入电磁继电器， 而继电器的选用为了达到供电电压的一致从而选用 5v 直流继电器。 4.2.4 音乐集成电路报警模块的设计 本设计中音乐集成电路的设计如图 4-3 所示。当无线接收模块 （lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块）收到无线发射模块（彩 色电视遥控器）的脉冲信号后，其 vout 脚输出 4.5v 高脉冲信号，单 片机接收到该脉冲信号后让 p27 口上电，当 p27 口有高电平输出时， 通过基极偏置电阻 r1 给三极管加一偏置电流，三极管 q1 正向偏置， 直流继电器 ka 吸合，音乐集成电路发出报警信号，播放一遍音乐后 便处在预警状态，当弹簧开关 km1 受到外界振动信号触发后将会再 次接通音乐集成电路，达到电动车防盗报警的目的。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 25 图 4-3 音乐集成电路报警模块 4.3 本章小结 本章对音乐集成电路报警模块所采用的整流二极管、晶体三极管、 直流继电器及音乐集成电路等电器元件的工作原理进行了详细的介 绍，并设计了适合本设计所需的音乐集成电路报警模块，讲解了该模 块的工作原理。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 26 图 5-1 at89c51 单片机引脚图 5 电路与编程 5.1 硬件安装 本设计采用 at89c51 单片机作为本设计的核心，下面将介绍 at89c51 单片机的相关特性及参数。 5.1.1 at89c51 单片机相关特性及参数介绍 at89c51 是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos8 位单片机，片内含 4k 字节的可反复擦写 flash 只读存储器和 128 字 节的随机存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技 术生产，兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元。 5.1.1.1 主要特性 与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节可反复擦写 flash 只读存储器 1000 次擦写周期 数据保留时间：10 年 全静态工作：0hz24hz 三级加密程序存储器 1288 位内部 ram 32 可编程 i/o 线 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 27 两个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 可编程串行通道 低功耗空闲和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 5.1.1.2 功能特性概述 at89c51 单片机提供以下标准功能：4k 字节 flash 闪存，128 字 节内部 ram，32 个 i/o 口线，两个 16 位定时/计数器，一个向量两极 中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， ay89c51 单片机还可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可 选的节电工作模式：空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram、定时/ 计数器、串行通信口及中断系统继续工作；掉电方式保存 ram 中的 内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复 位。 1、引脚功能说明 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口口：p0 口为一个 8 位漏极开路双向 i/o 口，即地址/数据总线复用 口。作为输出口用时，每脚可吸收 8 个 ttl 逻辑门电路。当端口写 1 可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 28 组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指 令字节，校验时要求外接上拉电阻。 p1 口口：p1 口为一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口输出 缓冲器能驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。对端口写“1”， 通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口使用，并当某 个引脚被外部信号拉低时回输出一个电流。 在 flash 编程和程序校验期间，p1 口接收低 8 位地址。 p2 口口：p2 口为一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口的输 出缓冲器能驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路，对端口写 “1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口使用，并 当某个引脚被外部信号拉低时回输出一个电流。在访问外部程序存储 器或 16 位地址的外部数据存储器，p2 口送出高 8 位地址数据；在访 问 8 位地址的外部数据存储器时，p2 口线上的内容在整个访问期间 不改变。 在 flash 编程和程序检验时，p2 口也接收高位地址和其他控制信 号。 表 5-1 p3 口特殊功能 端口引 脚 第二功能 p3.0rxd(串行输入口） 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 29 p3.1txd(串行输出口） p3.2int0(外部中断 0） p3.3int1(外部中断 1） p3.4t0(定时计数器） p3.5t1(定时计数器） 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 口口：p3 口为一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口的输 出缓冲器能驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路，对端口写 “1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口使用，并 当某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。p3 口还接收一些用 于 flash 闪存编程和程序检验的控制信号。 p3 口也可作为特殊功能口，其功能见表 5-1。 rst：复位输入。当振荡器工作时，要保持 rst 脚出现两个机器周期 以上高电平将使单片机复位。 ea/vpp：外部访问允许。欲使 cpu 仅访问为部程序存储器（地址为 0000hffffh），ea 端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果 加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。当 ea 端为高电 平（接 vcc 端），cpu 则执行内部程序存储器总的指令。flash 存储器 编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 30 件是使用+12v 编程电压 vpp。 xtal1：振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器反向放大器的输出端。 时钟振荡器特性 at89c51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器， 引脚 xtal1 和 xtal2 分别为该反向放大器的输入端和输出端。该 反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成 自激振荡器。 at89c51 的极限参数 表 5-2 at89c51 单片机极限参数 参数数值单位 工作温度-65+125 任一引脚对地电压-1.0+7.0v 最高工作电压6.6v 直流输出电流15.0ma 5.1.2 硬件电路 经过上面对 at89c51 单片机相关特性及参数的介绍和前几章所 选用电器元件的论述，本设计的硬件电路见图 5-3。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 31 图 5-3 protel 电路图 5.2.1 无线收发模块调试 无线收发模块的调应将 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统 模块的 vcc 脚接示波器的 5v 直流电源，gnd 脚接地，vout 脚接示 波器的信号输入端。连接完成后用彩色电视机遥控器来对 lr- t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块的红外接收头发送脉冲信号， 用示波器来捕捉 lr-t15ctm4-s 红外接收远程控制系统模块所输出 的信号是否为 4.5v 高电平信号。若无信号显示，就检查电路的连接 问题，然后改变 vcc 脚的输入电压，再用示波器来捕捉输出信号；若 有 4.5v 高电平信号产生，就表示该无线收发模块已达到本设计的要 求。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 32 5.2.2 音乐集成电路模块调试 将所采用的玩具娃娃自带的音乐集成电路模块的 vcc 脚接 5v 直流电源，gnd 脚接地，并给直流继电器以 5v 电压使其处在吸合状 态接入电路。当电路接通时若扬声器发出音乐声，并在响完一遍音乐 后停止，当弹簧开关受到振动信号，而使音乐集成电路再次接通，扬 声器继续播放音乐，就表示该模块以达到了本设计要求。 5.2.3 复位电路及晶振电路调试 5.2.3.1 复位电路设计 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电 源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延 时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分/合过程中引起的抖 动而影响复位。下面介绍三种复位电路的设计： 1、 、rc 复位电路 图 5-4 所示的 rc 复位电路可以实现复位电路的基本功能，图 5- 6 上半部分为其输入-输出特性。但它解决不了电源毛刺（a 点）和电 源缓慢下降（电池电压不足）等问题，而且调整 rc 常数改变延时会 令驱动能力变差。左边的电路对高电平复位有效；右边的电路对低电 平复位有效。其中 sm 为手动复位开关，ch 可避免高频谐波对电路的 干扰。 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 33 2、增加放电回路的 rc 复位电路 图 5-5 所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使 电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位 图 5-6 所 示复位电路输入输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部无放电 回路的 rc 复位电路比较增加放电回路的效果。 图 5-6 复位电路输入-输出特性 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 34 图 5-7 上电自动复位电路 3、上电自动复位电路 在本设计中不需要考虑电源开关或电源插头分/合过程中引起的 抖动现象、电源毛刺（a 点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题， 而只要在单片机供电时给其复位信号就可以了，所以完全可以用上电 自动复位电路，见图 5-7。 5.2.3.2 晶振电路设计 1、晶振的选择 晶振就是晶体振荡器的简称，分为有源晶振和无源晶振。晶振在 单片机系统里的作用非常大，他结合单片机的内部电路，产生单片机 所必须的时钟频率，为系统提供基本的时钟信号，单片机的一切指令 的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单 片机的运行速度也就越快。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的 晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。 有源晶振不需要 dsp 的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而 郑州航空工业管理学院毕业设计(论文 ) 35 且