基于单片机的楼道内声控灯及报警系统--毕业论文.doc

摘 要本课题设计一款基于单片机的楼道内声控灯及报警系统，主要由声控灯和意外紧急报警两部分组成。声控灯部分是通过声音传感器进行声音检测，然后经单片机进行处理，实现灯的开关智能控制。报警部分主要由蜂鸣器和按键组成，当声控灯出现故障时，通过触动按键实现蜂鸣器报警进行维修提示。硬件电路包括单片机最小系统电路、声音传感器检测模块、按键模块、LED显示模块、蜂鸣器报警电路模块；软件部分主要通过C程序的编程实现等灯的亮灭，然后通过发光二极管显示出来，通过按键操作实现报警功能。设计中结合硬件、软件的分步调试，达到要求的控制效果。当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明。当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。当出现故障时，可触动按钮，进行报警维修。声控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。关键词:单片机；声控灯；报警系统；声音传感器；蜂鸣器 AbstractThis project is based on single-chip design a voice-activated light and alarm system in the building, by voice-activated lights and emergency alarm which two key components.Voice-activated light partly through sound sensors for sound detection, and then single-chip processing, realization of intelligent control for the light switch.Alarm part consists mainly of beeper and keys, when voice-activated lights fail, through touches the pressed key realization light buzzer alarms for maintenance tips.The hardware circuit consists of single chip microcomputer minimum system circuit, sound sensors module, keys module, LED display module, a buzzer alarm circuit module;Software part mainly accomplished by programming of C programs such as destroy the light of lights, and then through the led display,Alarm functions are realized by key operation.In the design of combination of hardware and software debugging step by step, meet the requirements of control effect.When people walk through the stairs, when making footsteps or other sound, stair lights will automatically light up and lighting.When people enter the House or get out of the apartment, corridor lamp delay automatically turns off after a few minutes.When a failure occurs, you can touch a button and alarm servicing.Voice-activated inertia switch applies not only to the residential area of the building, but also to factories, office buildings, school buildings and other public places, it is of small size, pleasing in appearance, making easy, reliable and so on.Keywords:microcontroller; voice-activated light and alarm system; sound sensors; buzzer 目 录 第1章 概述11.1 选题的目的11.2 声控灯的研究背景及发展意义11.3 本章小结2第2章 总体方案设计32.1系统设计的思路32.2 系统硬件描述32.3 系统软件描述32.4 本章小结4第3章 硬件的设计53.1 硬件芯片介绍53.2系统硬件架构123.3 原理图的绘制163.4 本章小结18第4章 系统软件设计194.1 Keil C51开发环境简介194.2 程序的编写224.3 主程序流程图264.4 本章小结27第5章 实物焊接与调试285.1 实物焊接285.2 调试硬件28结 论30参考文献31致 谢32附 录33 东北石油大学本科生毕业设计（论文）第1章 概述1.1 选题的目的声控灯的制作目的是通过声控灯的制作，提高学习电路知识的兴趣及提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；学习晶体管电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试并掌握元器件的测试方法；使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图，掌握自己制作印制电路板的方法，锻炼实际动手操作能力。 1.2 声控灯的研究背景及发展意义1.2.1声控灯研究背景随着社会的发展，国家“十一五”规划把节能和环保作为两个主题，而且国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国电量的13%，可见照明节能显得非常重要。这就要求更加节能和环保的声控延时开关照明灯的出现，以满足人们对高质量生活的要求。当今世界在以电子信息技术为前提下推动社会跨越式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得极为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。只要在一定范围内有声音发出且达到一定响度电路就会导通工作，又由延时部件控制其工作时间。该电路的设计较完备，在电能节约方面处理的较好，但该电路也存在一定的缺陷，如果要使灯只在灯光昏暗的时候亮则该电路无法实现，为此要对该电路进行升级，所谓升级就是对电路的功能进行进一步完善。我们可以为其添加一些硬件如光敏电阻，使在不影响电路正常智能化实现的前提下，电路能受人为所控制以至更好的为人们服务。发展半导体照明对节能、环保和建设节约型社会都有重要的战略意义，正逐渐成为人们的共识，世界各国均加大投入，将LED通用照明作为未来国家能源战略的重点。我国也把半导体照明作为一个重大工程进行推动。LED（半导体发光二极管）是目前各国科学家和照明领域技术工作者公认的一种最节能、环保的新型光源，具有优越的经济效益和社会效益，它的应用前景非常广阔。1.2.2 声控灯的发展意义目前，我国半导体照明产业发展形势看好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。在产业规模迅速增长的同时，国内产业结构也有了较大提升，中高端产品份额逐步增加，如显示屏芯片、SMD和大功率封装产品、路灯等照明产品都有明显进步。2007年我国LED封装产值达到168亿元，较2006年的148亿元增长15%；产量则由2006年的660亿只增加24%,达到820亿只，其中高亮LED产值达到120亿元，占LED总销售额的71%。同时从产品和企业结构来看国内也有较大改善，SMD和大功率LED封装增长较快,目前全国大功率封装产能已达到10K/月左右。目前，我国上游产业参与单位多，但与国际先进水平比较，技术差距大，能满足市场需要且规模化生产的企业少，封装所需芯片尤其高档芯片主要靠进口。中游封装产业从上个世纪六七十年代开始发展，一个LED的综合质量是由芯片质量和封装质量所决定的，二者各占50%的比重.因此，中游的封装技术在整个LED产业中占据重要地位。而我国目前在LED中游产业技术上和国外差距不大，但规模与国外大公司比，差距较大。传统引线型LED封装技术已相对成熟，但新型LED包括Chip LED、Top LED、Power LED的封装刚刚起步，仍面临一些设备和技术问题需要克服。我国的优势在于应用技术产品开发创新能力走在全球前例，与产业配套的能力强，市场已启动且潜力巨大。LED产业在我国已初具规模，已初步形成从外延片生产、芯片制造、器件封装到集成应用比较完整的产业链。但目前大多是低端产品，高端产品方面国内的研发和产业水平与国外相比有一定的差距，因此国内LED产业的发展重心，就是强化可持续发展的、以企业为主体的产业创新研发能力和以政府、企业联动的产业创新平台。在中国国家产业扶持、台商加入及国际巨头三方推进下，中国的上海、大连、南昌、厦门、深圳这5大LED产业基地产能有了全面提升,中国已成为继日本、台湾、韩国之后又一个国际LED产业基地。1.3 本章小结声控电路有着广泛的应用。该照明灯在有突发声响（如拍手声、脚步声等）出现时即可点亮，延时点亮一段时间后又能自动熄灭，可做夜间起身照明用。又比如楼道照明等一般都是由人工操作的,如果采用声控电路，根据有无声音来自动开启和关闭照明灯，做到无人自动控制，可以减轻工人的劳动强度，有效的节约能源。使用这种照明电路，人们就不必在黑暗中摸索开关，也不必再担心点长明灯费电和损坏灯泡了。只要有脚步声或其它较强的声响时，灯便自动点亮，延时一定时间后自动熄灭。特别适用自动控制路灯照明以及走廊和楼道等处的短时照明。 34东北石油大学本科生毕业设计（论文）第2章 总体方案设计2.1系统设计的思路本次设计是通过单片机控制声控灯及报警功能的实现。声控灯部分是通过声音传感器进行声音检测，然后经STC89C52单片机进行处理，实现灯的开关智能控制。报警部分主要由蜂鸣器和按键组成，当声控灯出现故障时，通过触动按键实现蜂鸣器报警进行维修提示。硬件电路包括单片机最小系统电路、声音传感器检测模块、按键模块、LED显示模块、蜂鸣器报警电路模块；软件部分主要通过C程序的编程实现等灯的亮灭，然后通过发光二极管显示出来，通过按键操作实现报警功能。设计中结合硬件、软件的分步调试，达到要求的控制效果。2.2 系统硬件描述基于单片机系统的声控灯及报警基本结构框图如图2-1所示：图2-1 系统设计框架该系统所需要的器件包括单片机STC89C52芯片一块，LM393比较器一个，声音传感器一块，发光二级管LED若干，滑动变阻器一个，蜂鸣器一个，12mHZ的晶振一个，排针排线若干组，电容电阻若干，导线若干，极性电容一个，三极管两个，按钮2个。2.3 系统软件描述系统程序实现两部分功能：声控灯部分实现声音信号的有无控制发光二极管的亮灭功能；报警部分实现按键控制蜂鸣器报警。整体功能程序流程框图如图2-2所示： 图2-2 整体功能流程框图2.4 本章小结该设计的主要流程如下：首先阅读大量参考文献，进行设计方案的确定，然后在Protel 99SE上进行原理图的绘制和修改，在电气检查无误的情况下，购买所需要的元器件(元器件应考虑裕量)。接着把元器件焊接到各个功能电路的模块上，并结合程序进行调试。最后将各个功能的电路程序组合起来，然后再进行总体调试直到成功。 东北石油大学本科生毕业设计（论文）第3章 硬件的设计3.1 硬件芯片介绍3.1.1 单片机STC89C521. STC89C52功能特点STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞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。表3-1给出了其主要功能。表3-1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.STC89C52各管脚介绍STC89C52各管脚如图3-1所示。图3-1 STC89C52管脚图(1) 主电源引脚(2根) VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线(2)外接晶振引脚(2根)XTAL0(Pin18)：片内振荡电路的输入端XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输出端(3)控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。(4)可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根。P0口(Pin39Pin32)：名称为P0.0P0.7。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平（晶体管-晶体管逻辑电平）。P1口(Pin1Pin8)：名称为P1.0P1.7。P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P1引脚第二功能：P1.0 ：T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 ：T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5： MOSI（在线系统编程时用到）P1.6 ：MISO（在线系统编程时用到）P1.7 ：SCK（在线系统编程时用到）P2口(Pin21Pin28)：名称为P2.0P2.7。P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口(Pin10Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)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)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。3.1.2 驻极体传声器1.咪头的定义： 咪头又名麦克风，话筒，传声器，咪胆等。咪头是一个声-电转换器件（也可以称为换能器或传感器），是和喇叭正好相反的一个器件（电声）。是声音设备的两个终端，咪头是输入，喇叭是输出。ECM（Electret Condenser Microphone）驻极体电容式麦克风的简称。2.咪头的分类:从工作原理上分：炭精粒式，电磁式，电容式，驻极体电容式（以下介绍以驻极体式为主），压电晶体式，压电陶瓷式，二氧化硅式等。 从尺寸大小分，驻极体式又可分为若干种。9.7系列产品 、8系列产品 、6系列产品 、4.5系列产品、 4系列产品 、3系列产品每个系列中又有不同的高度。 从咪头的方向性，可分为全向（无向），单向，双向（又称为消噪式）。 从极化方式上分为振膜式，背极式，前极式。从结构上分又可以分为栅极点焊式，栅极压接式，极环连接式等。 从对外连接方式分为普通焊点式L型，带PIN脚式P型，同心圆式S/A型。 3.驻极体传声器的结构 以全向MIC振膜式极环连接式为例。如图3-2所示： 图3-2 MIC振膜式驻极体传声器结构图防尘网:保护咪头，防止灰尘落到振膜上，防止外部物体刺破振膜，还有短时间的防水作用。 外壳:整个咪头的支撑件，其它件封装在外壳之中，是传声器的接地点，还可以起到电磁屏蔽的作用。振膜是一个声-电转换的主要零件，是一个绷紧的特氟珑塑料薄膜（聚氯乙烯）粘在一个金属薄圆环上,薄膜与金属环接触的一面镀有一层很薄的金属层,薄膜可以充有电荷，也是组成一个可变电容的一个电极板，而且是可以振动的极板。 杜邦膜：FEP、PTFE、PFA、PET等，FEP是美国杜邦公司生产的一种特氟珑薄膜叫聚全氯乙丙烯，在驻极体传声器方面，主要用于电荷的存贮，因为内部有很多的势阱。PPS膜：是一种不能存贮电荷的薄膜叫聚苯硫醚，在驻极体传声器方面，主要用于背极式和前极式的振动膜片。垫片:支撑电容两极板之间的距离，留有间隙，为振膜振动提供一个空间，从而改变电容量。 背极板:电容的另一个电极，并且连接到了FET（场效应管）的G（栅）极上。 铜环:连接极板与FET（场效应管）的G（栅）极，并且起到支撑作用。 腔体:固定极板和极环，从而防止极板和极环对外壳短路（FET（场效应管）的S（源极），G（栅）极短路）。PCB组件:装有FET，电容等器件，同时也起到固定其它件的作用。 PIN：有的传声器在PCB上带有PIN（脚），可以通过PIN与其他PCB焊接在一起，起连接另外前极式，背极式在结构上也略有不同。4.驻极体咪头的工作原理： 由静电学可知，对于平行板电容器，有如下的关系式：C=S/L 即电容的容量与介质的介电常数成正比，与两个极板的面积成正比，与两个极板之间的距离成反比。另外，当一个电容器充有Q量的电荷，那么电容器两个极板要形成一定的电压，有如下关系式：C=Q/V 对于一个驻极体咪头，内部存在一个由振膜，垫片和极板组成的电容器，因为膜片上充有电荷，并且是一个塑料膜，因此当膜片受到声压强的作用，膜片要产生振动，从而改变了膜片与极板之间的距离，从而改变了电容器两个极板之间的距离，产生了一个d的变化，因此由公式可知，必然要产生一个C的变化，由公式又知，由于C的变化，充电电荷又是固定不变的，因此必然产生一个V的变化。这样初步完成了一个由声信号到电信号的转换。 由于这个信号非常微弱，内阻非常高，不能直接使用，因此还要进行阻抗变换和放大。FET场效应管是一个电压控制元件，漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。由于电容器的两个极是接到FET的S极和G极的，因此相当于FET的S极与G极之间加了一个v的变化量，FET的漏极电流I就产生一个ID的变化量，因此这个电流的变化量就在电阻RL上产生一个VD的变化量，这个电压的变化量就可以通过电容C0输出，这个电压的变化量是由声压引起的，因此整个咪头就完成了一个声电的转换过程4。 3.1.3 电压比较器LM393 LM393集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用，集电极开路输出，后面要加上拉电阻。LM393集成块采用C-14型封装，图3-3为外型及管脚排列图。由于LM393使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339，LM2901、LM393（两路的）等，它们的参数基本一致，可互换使用。 a) 外型 b）管脚排列图3-3 LM393结构图LM393类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM393输入共模范围（不超过电源电压的任意一点）的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路（输出高电平）。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM393用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM393的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。3.1.4 蜂鸣器1.蜂鸣器的介绍蜂鸣器的分类：蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 蜂鸣器的电路图形符号：蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 2.蜂鸣器的结构原理压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 3.有源蜂鸣器和无源蜂鸣器区分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器 现在市场上出售的一种小型蜂鸣器因其体积小(直径只有11 mm)、重量轻、价格低、结构牢靠，而广泛地应用在各种需要发声的电器设备、电子制作和单片机等电路中。有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的外观如图3-4所示。 基于单片机的倾角测量仪以STC89C52单片机作为中心控制系统，组成一个包括角度感应，液晶显示，串口通信，蜂鸣器报警等子系统的角度测量系统。a)有源 b)无源 图3-4 有源和无源蜂鸣器外观从图3-5外观上看，两种蜂鸣器好像一样，但仔细看，两者的高度略有区别，有源蜂鸣器a），高度为9mm，而无源蜂鸣器b)的高度为8mm。如将两种蜂鸣器的引脚郡朝上放置时，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。 进一步判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，还可以用万用表电阻档Rxl档测试：用黑表笔接蜂鸣器“+”引脚，红表笔在另一引脚上来回碰触，如果触发出咔、咔声的且电阻只有8(或16)的是无源蜂鸣器；如果能发出持续声音的，且电阻在几百欧以上的，是有源蜂鸣器。 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。 4.蜂鸣器驱动电路由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。图3-5 蜂鸣器驱动电路图3.2系统硬件架构本设计以模块化的方式来进行硬件电路的设计和调试。单片机的模块化就是把系统分成各个具有独立功能又可以互相衔接的简单模块，将复杂难懂的指令、语法、编程及其电路分解，使设计简单化。本设计的电路模块可以分为单片机最小系统模块，检测模块，LED显示模块，按键模块，蜂鸣器报警模块。3.2.1 单片机最小系统本设计的单片机最小系统主要包括STC89C52芯片，晶振电路和复位电路。1. 晶振电路最小系统晶振电路如图3-6所示。图3-6 晶振电路图STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL0和XTAL1分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-7所示，在XTAL0和XTAL1引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。单片机晶振两个电容的作用：这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十pf。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。晶振的负载电容=(Cd*Cg)/(Cd+Cg)+Cic+C式中Cd，Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，Cic（集成电路内部电容）+C（PCB上电容）经验值为3至5pf。2.复位电路最小系统复位电路如图3-7所示。 图3-7 复位电路图无论使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。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，电源稳定后还要经过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。单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。单片机复位电路主要有四种类型：微分型复位电路；积分型复位电路；比较器型复位电路；看门狗型复位电路。3. 最小系统整体图最小系统整体电路如图3-8所示。图3-8 最小系統整体图3.2.2 检测模块检测模块的解法有点复杂，驻极体传声器通过与一个上拉电阻和一个电容相连，把驻极体传声器检测的声音信号转换成电压信号，电容上的电压加在三极管的基极，构成一个基本的运算放大电路，三极管将信号放大，加在比较器的正极输入端。比较器将正极输入端的电压和负极输入端的电压进行比较，当比较器的正极输入端电压小于负极输入端电压时，比较器输出一个低电平，当比较器的正极输入端电压大于负极输入端电压时，比较器输出一个高电平。当驻极体检测到声音时，三极管的基极电流增大，由于三极管的动态特性，集电极两端电压反而减小。这样，比较器正极输入电压小于负极输入电压，比较器输出一个低电平。比较器的输出端与单片机的P3.2口相接，单片机中断检测的是低电平。检测模块电路如图3-9所示。图3-9 检测模块图3.2.3 LED显示模块LED显示模块的接法比较简单，发光二极管的阳极接5V电源，阴极通过一个限流电阻接在单片机的P1.3口，单片机中断检测到低电平，控制P1.3口输出低电平，二极管发光。LED显示模块电路如图3-10所示。图3-10 LED模块电路图3.2.4 按键模块本设计中的按键一个引脚接在了单片机的P2.0接口，另一个引脚接电源。只有当声控灯出现故障时，手动触动按键，蜂鸣器报警。松开按键，蜂鸣器停止报警。 图3-11 按键模块电路图3.2.5 蜂鸣器报警模块蜂鸣器发生的原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声，因此，需要一定的电流才能驱动它。单片机I/0引脚输出电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器。因此，需要增加一个三极管放大电路。电流经三极管放大，驱动蜂鸣器发声。蜂鸣器报警模块的作用：当声控灯出现故障时，手动触动按键，蜂鸣器报警同时发光二极管也会发光。图3-12 蜂鸣器报警模块电路图3.3 原理图的绘制3.3.1 Protel软件介绍Protel是澳大利亚Protel公司在80年代末推出的EDA软件，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用。早期的Protel运行在DOS环境，功能也较少，现今的Protel已发展到Protel 99，是个庞大的EDA软件，工作在WINDOWS环境下。其中包含了电气原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成等功能，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现100布通率。3.3.2 原理图设计过程1. 原理图的设计可按下面过程来完成。（1）设计图纸大小（2） 设置Protel 99/Schematic设计环境（3）旋转零件（4） 有原理图布线（5） 调整线路（6） 报表输出（7）文件保存及打印输出原理图的设计流程图如下图3-13所示。图3-13 原理图设计流程2. 新建一个设计库3. 添加元件库4. 添加元件5. 编辑元件6. 放置电源与接地元件7. 连接线路 8. 放置接点 9. 保存文件电路图绘制完成后要保存起来，以供日后调出修改及使用。当打开一个旧的电路图文件并进行修改后，执行菜单File/Save可自动按原文件名将其保存，同时覆盖原先的旧文件。在保存文件时如果不希望覆盖原来的文件，可彩换名保存的。具体方法是执行File/Save As.菜单命令，打开如图3-14所示的Save As对话框，在对话框中指定新的存盘文件名就可以了。图3-14换名存盘对话框我们在“Save As”对话框中打开“Format”下拉列表框，就可以看到Schematic所能够处理的各种文件格式。在默认情况下，电路图文件的扩展名为.Sch。原理图绘制如图所示：图3-15原理图3.4 本章小结本章是本文的核心内容，其详细地介绍了该系统使用的硬件设计及硬件设计的具体方案，其中硬件设计方面包括单片机最小系统的设计、按键的设计、LED显示模块的设计、检测模块的设计及蜂鸣器报警设计等，为学习下一章打下了坚实的基础。 东北石油大学本科生毕业设计（论文） 第4章 系统软件设计4.1 Keil C51开发环境简介如果说硬件是一个系统的躯体，那么软件就是系统的灵魂。所谓软件设计当然包括软件的流程设计和具体程序的编写。流程的设计代表系统的一个大概的运行思路，而程序的编写当然涉及到编写程序的软件。本章将介绍编写程序的Keil软件及原理图设计，并且将最终的设计成果一一展现。本系统的程序采用C语言编写，为了便于修改和调试，系统软件采用模块化设计，程序的编写编译在Keil uVision3软件中完成。4.1.1 Keil uVision3环境介绍Keil C51是KEIL公司推出的51系列单片机C语言软件开发系统，对于多数单片机的应用开发，Keil C51是一款非常优秀的软件。Keil C51软件支持功能强大的集成开发调试工具和丰富的库函数，生成的目标代码效率很高，多数语句的汇编代码很紧凑，且容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势Keil uVision3是Keil C51 for Windows的集成开发环境，可以用开编译C源代码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等。它集编辑、编译、仿真于一体，并且支持汇编语言。Keil uVision3提供的多功能的文件操作环境，包括一个内藏式编辑室，它是标准的文件编辑器，具有十分强大的文件编辑功能，例如文件块的移动、剪切、复制、查找、删除等，它支持鼠标操作，也有快捷键。在Keil uVision3中，用户可以同时打开多个窗口对多个不同的文件进行处理，这一特性有利于使用C51进行结构化的多模块程序设计。在模块化编程时，如果同时打开多个不同文件，可以在Keil uVision3中分别进行编辑处理。Keil uVision3的主菜单栏涵盖了几乎所有的C51编辑、编译以及调试等功能方式，共有11个选项，分别是File、Edit、View、Project、Debug、Flash、Peripherals、Tool、SVCS、Windows和Help。下面分别对各菜单的列表项所指向的功能进行说明。 （1）文件（File）菜单 文件菜单命令主要用于对文件的一些操作，如新建、打开、关闭、输出等。文件菜单的“Device Database”选项用于修改Keil支持的51系列芯片的型号的设定。（2）编辑（Edit）菜单 编辑菜单命令主要包括剪切、复制、粘贴、查找、替换等编辑操作和书签管理命令。 （3）视图（View）菜单 视图菜单命令用于控制Keil的界面显示，使用视图菜单中的命令可以显示或隐藏Keil的各个窗口和工具栏。 （4）项目（Project）菜单 项目菜单命令包括项目的创建、打开、关闭、维护、目标环境设定、编译等命令。 （5）调试（Debug）菜单 调试菜单命令用于软件仿真环境下的调试，提供断点、单步、跟踪等操作指令。 （6）烧写（Flash）菜单 烧写菜单命令主要用于程序下载到EEPROM的控制。（7）外设（Perpherals）菜单 外设菜单是外围模块菜单命令，用于控制芯片的复位和片内功能模块的控制。 （8）工具（Tools）菜单 工具菜单主要用于支持第三方调试系统，包括Gimpel Software公司的PC-Lint和西门子公司的Easy-Case. （9）软件版本控制系统（SVCS）菜单 软件版本控制系统菜单命令用于设置和运行软件版本控制系统。 （10）窗口（Windows）菜单 窗口菜单命令用于设置窗口的排版方式，与Windows的窗口管理兼容。 （11）帮助（Help）菜单 帮助菜单用于提供软件帮助信息和版本说明。4.1.2 利用Keil uVision3创建新项目Keil uVision3中的项目是一个特殊结构的文件，它包含应用开发系统相关所以文件的相互关系，在Keil uVision3中，主要使用项目来进行应用系统的开发。创建一个新项目的详细步骤为： 1. 选择菜单命令Project|New Project，如图4-1所示，弹出“Creat New Project”对话框。4-1 project菜单2. 在对话框中选择新项目要保存的路径和文件名，单击“保存”按钮即可。Keil uVision3的项目文件扩展名为.uv2。如图4-2所示 4-2 Creat New Project对话框3. 单击“保存”按钮后，弹出“Select Device for Target”对话框。用户需要在左侧的芯片列表中选择调试使用的51系列单片机型号，使对话框右侧的“Descripion”文本框可以查看选中单片机型号的说明。如图4-3所示 4-3 Select Device for Target对话框4. 单击“Select Device for Target”对话框中的“确定”按钮，程序会询问是否将标准51初始化程序加入到项目中，选择“是”，程序会自动复制标准51初始化程序到项目所在目录并将其加入项目文件。如图4-4所示 4-4 询问窗口5. 下面需要向项目中添加文件。选中项目窗口中的文件组后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Add Files to Group”项添加所需文件。如图4-5所示 4-5 Add Files to Group6.如果没有现成的程序，就需要新建一个程序文件。单击新建文件的快捷按钮，屏幕中出现一个新的文字编辑窗口，这样就可以在新的窗口中输入需要的程序了。4.2 程序的编写4.2.1 中断服务程序设计中断服务程序(ISR)是嵌入式应用系统获取各种事件的基本手段，而“事件”是实时性 问题的讨论基础和时间计算的起点。ISR的设计质量直接影响到系统的实时性指标和操作系统的工作效率。只要没有关中断，中断服务程序可以中断任何任务的运行，可将中断服务程序可成比最高优先级（0级）还高的“任务”。1.中断优先级安排原则中断源是系统及时获取异步事件的主要手段，其优先级安排原则如下： 紧迫性：触发中断的事件允许耽误的时间越短，设定的中断优先级就越高。 l 关键性：触发中断的事件越关键（重要），设定的中断优先级就越高。 l频繁性：触发中断的事件发生越频繁，设定的中断优先级就越高。 l快捷性：ISR处理越快捷（耗时短），设定的中断优先级就越高。 中断服务程的功能应尽量简单，只要将获取的异步事件通信给关联任务，后续处理由关联任务完成。2. 5个中断源2个外部中断请求INT0和INT1、2个片内定时器/计数器T0和T1的溢出中断请求、串行口中断请求TI或RI(合为一个中断源)。3.中断控制（1）中断允许控制寄存器：IE 寄存器地址A8H，位地址AFHA8H表4-1 中断允许控制寄存器位地址AFAEADACABAAA9A8位符号EA/ESET1EX1ET0E