2017毕业论文-基于GSM模块的单片机红外防盗报警系统.doc

毕业论文 题题 目：目： 基于基于 GSM 模块的单片机红外防盗报警系统模块的单片机红外防盗报警系统 英文题目：英文题目： Based on GSM module single-chip infrared security alarm system 二二 零零 一一一一 年年 六六 月月 东华理工大学长江学院毕业论文 摘要 I 摘 要 本系统采用了热释电红外传感器以及 GSM 模块。热释电红外传感器具有制作简 单、成本低、安装方便、防盗性能稳定等特点，它的信号易于处理并经单片机系统 处理后方便和 PC 机通信；TC35 型 GSM 模块自带 RS232 通信端口，能够方便的与 单片机和 PC 机相连，可实现报警信号的无线快速传递，同时能直接将报警信息传 送到客户手机终端上，方便及时报警，通过 GSM 模块也能使该系统与 PC 终端相连， 方便多系统的协调统一管理。本设计包括硬件和软件两部分。硬件部分包括单片机 控制电路、红外检测电路、报警电路、串口模块等部分组成。处理器采用 51 系列单 片机 AT89C51，整个系统是在系统软件下控制工作的。 关键词：单片机；红外传感器；GSM 模块；报警电路 东华理工大学长江学院毕业论文 ABSTRACT II ABSTRACT The system uses a pyroelectric infrared sensorand GSM module. Pyroelectric infrared sensor has produced a simple, low cost, easy installation, security and stable performance. It is easy to handle and the signal processed by the MCU system and PC, to facilitate communication. Type TC35 GSM module comes with RS232 communication port and can be easily connected with the microcontroller and PC machines, enabling rapid transmission of the wireless alarm signal. At the same time alarm information can be transmitted directly to the client mobile terminal, to facilitate the timely warning. Through the GSM module also allows the system is connected with the PC terminal to facilitate the harmonization of multi-system management. The design includes both hardware and software parts. Hardware includes single chip control circuit, infrared detection circuits, alarm circuits, serial modules and other components. 51 series processor AT89C51, the whole system is under the control of the system software to work. Key words: MCU; Infrared sensor; GSM module; Alarm circuit 东华理工大学长江学院毕业论文 目录 III 目 录 1 1 引言引言1 1.1 设计任务与要求.1 2 2 基础知识介绍基础知识介绍2 2.1 热释电红外传感器（PIR）原理简介.2 2.2 PIR 性能及检测范围2 2.3 AT89C51 单片机简单概述.3 2.3.1 AT89C51 单片机的结构3 2.3.2 AT89C51 单片机管脚说明4 3 3 方案设计方案设计6 3.1 总体设计思路.6 3.2 具体电路模块设计.6 3.2.1 电源电路.6 3.2.2 热释电红外传感器原理7 3.2.3 时钟电路的设计9 3.2.4 复位电路的设计9 3.2.5 报警电路设计10 3.2.6 串口模块设计11 3.3 系统硬件电路元件的选择及说明.12 3.4 软件的程序实现.15 3.4.1 主程序工作流程15 3.4.2 中断服务程序工作流程16 4 4 系统仿真及测试系统仿真及测试17 4.1 仿真条件及预期效果.17 4.2 系统仿真各步骤的具体过程及数据记录.18 4.2.1 硬件仿真及测试记录18 4.2.2 软件测试及记录23 4.2.3 硬件与软件连调测试及记录23 4.2.4 GSM 模块的模拟测试及记录26 4.3 系统仿真评估及技术展望.29 5 5 总结总结30 参考文献参考文献31 致致 谢谢32 附附 录录33 东华理工大学长江学院毕业论文 引言 1 1 引言 我国工业化的快速发展带动了无数企业茁壮成长，随之而来的是仓库的不断扩建 以及储存物品价值不断升高，不论是工业还是物流业，对于仓库的管理和防盗面临 着很大的压力，在高科技时代下，技术不断革新，我国目前的传统防盗报警系统已 无法满足市场的需要，因此根据国际安防业的主流技术发展方向，迫切的希望研究 出适合用于工业、物流业的仓库防盗报警系统。 随着 08 年奥运会的成功举办，带动了我国的安防业迅猛发展，嵌入式系统技术 的应用也越来越广泛，针对防盗报警系统的嵌入式技术也需快速更新，而基于 GSM 模块的防盗报警技术正是未来一段时间内的主要发展趋势，因此它的设计有着重要 的意义。 1.1 设计任务与要求 （1）根据市场需求及技术发展趋势，模拟为一工厂仓库设计基于模块的 被动式红外防盗报警系统。本设计分软件、硬件两部分，分别划分为检测模块、声 光报警模块、串口模块、GSM 模块。 （2）系统可实现功能。工厂仓库经常处于无人状态，需要不断监控是否有人入 侵。当有人入侵时，热释电红外传感器将探测到动作产生电信号，经信号处理电路 处理放大后送入单片机，人体的每一次移动都会产生电信号，当电信号累计到 5 次 时系统判定为有外人入侵，启动中断服务程序（报警功能），分别进行声光报警和 GSM 报警。 （3）被动式热释电红外传感器能探测出针对人的红外波段，能区别于其他红外 波段，尽量减少误报漏报，同时检测范围大，检测形式隐蔽，不易被外人察觉。 （4）通过 proteus 软件和 Keil 软件对所设计的系统进行模拟仿真，初步检测系 统的正确性。 东华理工大学长江学院毕业论文 基础知识介绍 2 2 基础知识介绍 2.1 热释电红外传感器（PIR）原理简介 本文主要采用的是 d203s 型热释电红外传感器。它主要是由一种高热电系数的 材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*1mm 的探测元件。 在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑 制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成 微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探 测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透 明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统 的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大 70 分贝以上，这样就可以测出 1020 米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区” 和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的 红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强 忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。 人体辐射的红外线中心波长为 910-um，而探测元件的波长灵敏度在 0.220- um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光 片可通过光的波长范围为 710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波 长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线 传感器。 PIR 内部电路图如下图所示： 2.2 PIR 性能及检测范围 PIR 抗干扰性能比较强： 东华理工大学长江学院毕业论文 基础知识介绍 3 (1)防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动 物，一般不产生报警。 (2)抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般 手机电磁干扰不会引起误报。 (3)抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃 照射，不产生报警。 PIR 对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径 向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.因此针 对这一特点和系统要求的检测范围，可将 PIR 安装在仓库顶棚，其检测范围如图所 示： 2.3 AT89C51 单片机简单概述 2.3.1 AT89C51 单片机的结构 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理 器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高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。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51 单片机的基本组成及功能方块图如下图所示： 东华理工大学长江学院毕业论文 基础知识介绍 4 2.3.2 AT89C51 单片机管脚说明 ATMEL 公司的 AT89C51 是一种高效微控制器。采用 40 引脚双列直插封装形式， 因为受引脚数目的限制，所以不少引脚具有第二功能。 VCC：供电电压。 GND：接地。 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 P0 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。 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 口作为低八位地址接收。 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，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。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据 存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校 验时接收高八位地址信号和控制信号。 东华理工大学长江学院毕业论文 基础知识介绍 5 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（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） 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 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。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。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过 一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有 在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微 处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。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。 /EA/VPP：当/EA 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，/EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 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（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 6 3 方案设计 3.1 总体设计思路 本设计包括硬件、软件两部分。模块可划分为检测模块、报警模块和控制模块。 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。软件结构有循环 检测、中断报警两个功能。 就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心元件，所以次系统也是单片 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系统功能分析、硬件设计、软件设计等几个阶段。 处理器采用 51 系列单片机 AT89C51。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，经放大电路等最终 输入单片机内，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，利 用控制信号进行报警等，当报警解除时可以人工手动接触报警 。 系统结构图如下： AT89 C51 复位电路 红外检测电路 声光报警电路 GSM报警电路 3.2 具体电路模块设计 3.2.1 电源电路 电源电路如下图所示，220V 交流市电可由市场上典型 220V 转 12V 变压器降压， 经桥式整流器 D1 整流，电解电容 C1 滤波，三端稳压器 78L05 稳压，C2 改善稳定 电源波动最后得到整机要求的+5V 稳定直流电源。 其中 7805 的 VI 管脚可接受 8-25V 电压，VO 管脚能够稳定输出 5V 电压，只要 输入电压在 8-25V，7805 都能为单片机系统提供恒定的 5V 电压。 C1 起滤波作用在电路中一般为几千 uF C2：用来改善负载的瞬态效应，减少高频噪声，就是减小电源不规则的波动量 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 7 提高电源性能。 说明：因为软件所限，无法直接模拟出 12V 交流电，故在 Proteus 中模拟电源电 路时，采用激励源模式模拟出 12V 交流电，如图，AC2 输入+12V 正弦交流源， AC1 输入-12V 正弦交流源，组成一个 24V 的正弦交流电源。 3.2.2 热释电红外传感器原理 （1）传感器组成及检测电路框图 热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电 压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、 可流动安装等特点。实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这样可大 大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲 涅尔透镜，则其检测距离仅为 2m 作用；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加 到 10m 以上。 由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小（小于 1mv） ，不能直接作为照 明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使 得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。根据功能要求， 人体热释电检测电路组成框图如下所示： 检测对象菲涅尔透镜 热释电红外 传感器 信号 处理 电路 Vi 热释电检测电路组成框图 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 8 其中 V0为控制信号，接到单片机的中断端口。 （2）信号处理电路 本设计采用 BIS0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理。 1）BIS0001 简介及工作原理 BIS0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感 器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器 等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和 自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏 感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 BIS0001 芯片管脚如下图所示: BIS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁 时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它通过放大器将传感器信号进行放大， 通过比较器等使信号能够稳定的输出到单片机中。 2）信号处理电路 热释电传感器信号处理电路 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 9 热释电传感器 S 极输出信号送入 BIS0001 的 14 脚，经内部第一级运算放大器放 大后，由 C3 耦合从 12 脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比较器构成 的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从 12 脚输出信号 （V0）送入单片机中断 0 端口以实现系统的控制。 BIS0001 的 1 脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。输出 V0（高电平） 的延迟时间 Tx 由外部 R8 和 C7 的大小调整；触发封锁时间 Ti 由外部 R9 和 C6 的 大小调整。和组成电路，将在节中详细介绍。 在信号处理电路中经常用到放大电路，它可以将微弱信号通过晶体管效应放大 从而方便对输入的信号进行各种处理，本文将在节中详细介绍。 3.2.3 时钟电路的设计 时钟电路是为单片机提供机器振荡周期的电路，是单片机的重要组成部分。其 中振荡源对于石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 因为一个机器周期含有个状态周期，而每个状态周期为个振荡周期，所以 机器周期共有个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 ，一个振荡周期为，故本单片机系统的一个机器周期为 ，时钟电路如图所示： 3.2.4 复位电路的设计 复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以 后，在端持续给出个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。使用 晶振频率为时，则复位信号持续时间应不小于。本设计采用的是 外部手动按键复位电路。如图： 因为电容具有通交流阻直流的特性，因此当开关没有按下时+5V 的直流电压无 法加到单片机的 RST 端口上，因此系统并不执行复位功能；而当开关持续按下时， 电源电压直接加到复位端口，在 2 个机器周期即 2us 后系统自动复位，松开开关， 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 10 系统初始化后正常运行。 电路中和组成延时电路，将在中详细介绍。 3.2.5 报警电路设计 如图所示，报警电路由一个蜂鸣器接到单片机的 P1。0 接口， 而 LED 报警灯接单片机 P1。1 接口，当红外传感器探测到有人入侵时会自动通过中 断程序使蜂鸣器发出报警声音，同时 LED 发出红光警示入侵者。 本设计仅为模拟声光报警系统，在实际应用中还需注意当报警器与单片机相隔 很远时，电路中会产生很大噪声等其他不稳定因素，极有可能产生蜂鸣器的工作不 正常，因此应根据实际情况，适当对电路进行修改，保证系统的稳定性、可靠性达 到最佳。 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 11 3.2.6 串口模块设计 （1）TC35 简介 TC35 是 Siemeils 公司推出的新一代无线通信 GSM 模块。自带 RS232 通讯接口, 可以方便地与 PC 机、单片机连机通讯。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中 的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。TC35 模块的工作电 压为 3.35.5V,可以工作在 900MHz 和 1800MHz 两个频段,所在频段功耗分别为 2w(900M)和 1w(1800M)。 （2）硬件设计及软件设计 本设计采用型号为 TC35 的 GSM 模块，该模块自带 RS232 端口，若想与单片机 连接，只需设计一个 TTL 转 RS232 电平电路,连接到 AT89C51 的 UART 口,另一端 直接连接到 TC35 即可。 如图所示，串口模块由一个芯片和一个 COMPIM 串口端组成， COMPIM 端口负责与 GSM 连接，MAX232 负责与单片机连接。 软件设计上，主要通过单片机串行通信端口向 TC35GSM 模块传输信息，令 TC35 工作。 单片机与 TC35i 的软件接口其实就是单片机通过 AT 指令控制手机的控制技术， 首先设置 TC35i 模块的工作模式：AT+CMGF=n，n=0 为 PDU 模式；n=1 为文本模 式；通常设置为 PDU 模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据（用户自定义数 据） 。AT+CMGR=n 为读 TC35i 模块短消息数据，n 为短消息号。AT+CMGL=n 为列 出 TC35i 模块内的短消息，n=0 是未读的短消息，n=1 位已读的短消息，n=2 位未发 送的短消息，n=3 为已发送的短消息 n=4 为所有短消息。AT+CMGD=n 为删除 TC35i 模块的短消息，n 为短消息编号。 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 12 TC35 中与 SMS 相关的若干 GSM AT 指令 基于 TC35 的短信的发送方法分成两步： 1）发送接收的手机号码,等待应答 ： AT+CMGS=回车(目的地址) 对方 TC35 回应： AT+CMGS= ） 输入短信息的内容(只能是英文)：Test 回车 3.3 系统硬件电路元件的选择及说明 硬件电路的设计见附图示，从以上分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89C51、热释电红外传感器模块、LED、电容电阻、蜂鸣器等一些单片机外围应 用电路，以及单片机手工复位电路等。 本设计主要目的在于探索基于 GSM 无线网络报警的红外防盗报警系统，因此 重点在于对 GSM 模块的应用的探索，其他模块则采用已经过实践检验的标准化模 块，所需元件均能在市场上找到且价格合理，根据各模块的参数值可以轻易得到所 需元件的型号，易于替换；这样不仅有利于节省本设计的开发成本，同时对于以后 产品有更好的维护性和替换性。 本系统中最常见的电路由最基本的电路和晶体管放大电路组成，其原理如 下： 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 13 （1）RC 电路 在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻 R 和电容 C 组成的 RC 电路，在这 些电路中，电阻 R 和电容 C 的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关 系，产生了 RC 电路的不同应用。RC 电路主要应用为微分电路、积分电路、耦合电 路、脉冲分压器以及滤波电路。在电路中起着重要作用。在本设计中主要用到了 RC 电路的滤波作用。 在模拟电路，由 RC 组成的无源滤波电路中，根据电容的接法及大小主要可分 为低通滤波电路和高通滤波电路，如下所示： 低通滤波电路 高通滤波 1)低通滤波电路中，他跟积分电路有些相似（电容 C 都是并在输出端），但他 们是应用在不同的电路功能上，积分电路主要是利用电容 C 充电时的积分作用，在 输入方波情形下，来产生周期性的锯齿波（三角波），因此电容 C 及电阻 R 是根据 方波的 tW 来选取，而低通滤波电路，是将较高频率的信号旁路掉（因 XC=1/（2fC），f 较大时，XC 较小，相当于短路），因而电容 C 的值是参照低频 点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理论上 C 值愈大愈好。 2)高通滤波电路与微分电路或耦合电路形式相同。在脉冲数字电路中，因 RC 与脉 宽 tW 的关系不同而区分为微分电路和耦合电路；在模拟电路，选择恰当的电 容 C 值，就可以有选择性地让较高频的信号通过，而阻断直流及低频信号，如高音 喇叭串接的电容，就是阻止中低音进入高音喇叭，以免烧坏。另一方面，在多级交 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 14 流放大电路中，他也是一种耦合电路。 (2)晶体管放大电路 红外传感器所发出信号均为低频小信号，因此需要放大电路对其进行放大处理 方可输入到单片机中。本设计采用低频小信号放大器，对电压进行放大，主要要求 是使负载得到不失真的电压信号，主要指标是：电压增益、输入输出阻抗。本设计 采用的是晶体三极管（BJT）放大器，根据输入和输出回路的共同端的不同接法， 可以组成三种连接方式： a共基极 b共射极 c共集极 综述三种接法的主要特点和应用，可以大致归纳如下： 1)共射电路同时具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，输入电阻和输出电阻 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 15 值比较适中，所以，一般只要对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的地 方，均常采用。因此，共射电路被广泛地用作低频电压放大电路的输入级、中间级 和输出级。 2)共集电路的特点是电压跟随，这就是电压放大倍数接近于 1 而小于 1，而且输 入电阻很高、输出电阻很低，由于具有这些特点，常被用作多级放大电路的输入级、 输出级或作为隔离用的中间级。 首先，可以利用它作为测量放大器的输入级，以减小对被测电路的影响，提高 测量的精度。 其次，如果放大电路输出端是一个变化的负载，那么为了在负载变化时保证放 大电路的输出电压比较稳定，要求放大电路具有很低的输出电阻。此时，可以用射 极输出器作为放大电路的输出级。 3)共基电路的突出特点在于它具有很低的输入电阻，使晶体管结电容的影响不显 著，因而频率响应得到很大改善，所以这种接法常常用于宽带放大器中。另外，由 于输出电阻高，共基电路还可以作为恒流源。 3.4 软件的程序实现 本系统的软件程序主要功能是循环检测中断端口有无信号，因为红外控制信号 由中断 0 端口输入。当有外人入侵时系统产生中断，自动进入中断程序，即进入防 盗报警程序。此时单片机会由串行通信端口（UART）向 TC35 发出指令，通过 TC35GSM 模块将报警信息传送指定手机上或者传送其他 GSM 模块后汇入 PC 控制 终端以便统一控制；同时单片机还会控制报警电路进行报警，通知附近工作人员尽 快赶到现场进行处理。 3.4.1 主程序工作流程 按上述工作原理和硬件结构分析可知，主要功能是对系统进行初始化并对系统进行 检测有无中断信号产生。程序流程图如下所示： 东华理工大学长江学院毕业论文 方案设计 16 由流程图可以看出，系统电源打开后进入初始化阶段，初始化主要由程序中初 始化函数模块来完成；程序初始化后将循环检测各端口的变化，当没有中断产生时 系统维持原状，当有中断产生时将进入中断服务程序模块。 初始化函数模块功能是将单片机 P1 端口全部置 0，可使红色灯亮，提示工作正 常，同时也使得蜂鸣器进入工作状态但不产生报警。在初始化阶段系统还要设置中 断模式令 TMOD 寄存器（工作方式寄存器）为 0x10，该模式允许定时器 1 和 外部中断 0 程序同时启用；同时关闭中断端口，即将寄存器 EA（中断允许控制位， 置 0 表示关中断）、EX0（外部中断 0 请求标志位，置 0 表示关闭请求）、 TR1（定时器 1 运行控制位，置 0 表示关闭）全部置 0。 3.4.2 中断服务程序工作流程 由于本设计是针对仓库的防盗报警系统设计，因此有别于家庭的防盗报警系统， 当检测有外人入侵时，管理人员必须到现场进行确认后手动复位电路，否则无法彻 底达到防盗效果。本主程序实现的功能是当单片机检测到外部检测模块送来的脉冲 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，启动中断服务程序， 进行声光报警和 GSM 报警。其中断工作流程如下图所示： 中断源发出中断申请 关中断、保护现场 启动报警模块、GSM模块 恢复现场、开中断 中断返回 中断报警程序主要靠两个函数模块来完成，报警函数模块负责进行声光报警， 而 GSM 模块负责 GSM 无线网络报警，当警报结束后对现场进行恢复。 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 17 4 系统仿真及测试 本设计是对基于 GSM 模块的防盗报警系统的网络化的探索，所以应尽可能的对 系统进行模拟以测试是否符合预期效果。 4.1 仿真条件及预期效果 本设计利用 Proteus 仿真，并将所编写的程序用 Keil 软件编译，同时将电路图及 程序结合模拟，仿真原理图和源程序请见附录。 说明：因为 Proteus 仿真能力有限，传感器电路无法仿真，因此虽然分别给出了 检测模块电路图和系统图，但是在进行仿真测试以验证系统时，为了方便所以将系 统进行简化，以开关信号代替检测模块发送的脉冲信号，如下图所示： AT89C51 的 P3.2 端口有两个功能，当接高电平时为 I/O 端口，可对外部元件进 行控制等操作，当接低电平时为中断 0 端口。因此 P3.2 端口直接接+5V 电源电压， 使其为高电平，此时无中断信号产生，开关接地，模拟红外传感器模块发送脉冲信 号，当开关按下时电源直接接地，P3.2 为低电平，产生一个中断信号，此过程即为 红外传感器发送控制信号到单片机中断 0 端口产生中断信号的过程。 本系统仿真步骤和目标：（1）利用 Proteus 仿真系统电路，检测电路是否正确， 各端口电压是否符合要求。 （2）利用 Keil 编写源程序，运行程序查看编写是否正确， 查看各寄存器使用情况（3）将 Proteus 与 Keil 连调，加载程序到 Proteus 中，运行 系统，根据系统要求产生中断，看软件是否按照预期效果运行 （4）通过 GSM 端 口模拟软件，对 GSM 端口进行模拟测试，看是否能够在产生中断时有信息发送出 来。 本系统仿真后预期达到的效果：（1）对仿真电路，应在关键点设置电压检测点， 观察电压是否符合要求并记录数据；（2）对源程序，应记录 Keil 软件编译后的信 息，同时记录各寄存器的使用情况；（3）当连调时，应分别记录中断产生前的系统 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 18 状态和中断产生后的系统状态，同时判别是否达到了报警效果，对以后产品的实现 进行适当的评估；（4）对 GSM 模块的模拟，当中断产生后应记录软件模拟接收的 信息并记录，判断是否与预期相符合。 4.2 系统仿真各步骤的具体过程及数据记录 4.2.1 硬件仿真及测试记录 硬件的可靠性设计对于一个系统来说至关重要，因此在未设计出实物前对其模 拟进行检测是十分有必要的。针对设计时所考虑到可能存在的问题，对各个环节设 置检测点，以便实时观察电路电压电流变化情况，提前发现硬件故障或致命性错误 以便改正。 本步骤是利用 Proteus 仿真系统电路，检测电路是否正确，各端口电压是否符合 要求。针对仿真电路，应在关键点设置电压检测点，观察电压是否符合要求并记录 数据。 说明：用来表示逻辑 1 和逻辑 0 的电压值叫做逻辑电平。用一个电平表示 1，用 另一个电平表示 0。本系统采用的 AT89C51 单片机的电源电压 Vcc=5V，则输入低 电平为-0.5-0.9V 而输入高电平为 1.9-5.5V。所以单片机系统中逻辑 0 的上限为 0.9V，下线约为-0.5V；而逻辑 1 的最低电平为 1.9V，最高不高于 5.5V。其中的 0.9- 1.9V 则为一个电压分隔区域。如果信号的电平处于分隔区，系统将无法判断是 1 还 是 0，从而造成数字系统的逻辑混乱，所以应当避免。故实际中，输入高电平应尽 量保证接近单片机的供电电压 Vcc5，而低电平尽量保证接近 GND，即 0V。 （1）电路设置检测点 电路所设检测点主要检测电源电压是否稳定，不稳定的电源电压不仅会减少系 统寿命，极大损害各部位元器件的寿命，同时系统的不稳定性大大增加，电压的跳 动，电路中各种噪声都会使本系统失灵，针对可能出现的情况，如下图所示设置检 测点，并记录数据。 1）电源电路检测点 检测点设置如图所示： 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 19 单片机要想稳定工作，输入的电压至关重要，因此电源电路主要检测 7805 稳压 器的输入口 VI 和输出口 VO 是否在正常电压内，电压是否有跳变，并记录数据。当 启动模拟时如下所示： 可以看到检测点显示的电压数据，每隔 5s 暂停记录数据，测试数据如下： 电源电路测试数据 时间 VI（单位： V） VO（单位： V） 测试前数值00 模拟后 （5s）23.13975.0087 10s23.13995.0087 15s23.1885.0083 20s23.13985.0087 25s23.18765.0083 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 20 30s23.18765.0083 分析以上数据可知，输入电压为 23.1V，符合 7805 稳压器的输入电压；输出电 压为 5V 符合单片机的输入电压，并且输出电压起伏基本在 0.0010V，符合单片机系 统要求。但输入电压在 15s、25s、30s 时出现明显的跳动，说明电源的整流桥有不 稳定情况，会使电路中产生噪声，在以后的开发中应当给予改进。 2）复位电路检测点 因为复位电路是系统在需要时通过开关而作用的，因此在开关没按下之前，输 入电压应是低电平，而开关长时间按下后，输入到单片机端口的应是高电平；因此 主要检测当系统运行时，开关按下前后电路各处的电压变化是否在正常范围内。 检测点如下图所示： 每隔 5s 暂停系统记录数据，测试结果如下： 复位电路测试数据（单位：V） 时间 VCCR2 测试前数值00 5s50.8 10s50.8 15s50.8 20s50.8 25s50.8 开关按下后 0s54.99948 5s54.99948 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 21 10s54.99948 15s54.99948 20s54.99948 25s54.99948 30s54.99948 通过以上数据可知，所设计复位电路很稳定，基本无电压的变化，按下开关之 前，RES 端口输入电压始终为 0.8V 低电平；当按下开关后，RES 端口输入电压变 成 5V 高电平。 3）报警电路检测点 报警电路主要检测控制端口输出电压的变化是否在要求之内，观察电路中的电 压是否有跳动，以防有过大噪声干扰；当外部中断产生后，观察报警电路的 检测点如下图所示： 每隔 5s 记录数据，测试结果如下所示： 报警电路测试数据（单位：V） 时间U2D1 0s00 5sSLO2.60973 10sSLO2.60973 15sSLO2.60973 20sSLO2.60973 触发中断后 0sWHI4.99503 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 22 5sSLO2.60973 10sWHI4.99503 15sWHI4.99503 20sSLO2.60973 分析以上数据可知，当系统初始化后电路处于很稳定的状态，电压基本不发生变 化，红灯一直保持常亮状态；蜂鸣器电路处于关闭状态；当按下模拟中断信号的开 关后，单片机启动中断程序，使得报警控制端口编程接近单片机电源电压的+5V， 蜂鸣器电路导通，此时报警电路会按照程序发出警笛声，同时红灯闪烁。通过数据 可以看出报警电路很稳定，但是在实际生产中同样也要考虑到实际环境带来的影响， 当报警电路远离单片机时，电路会因为线路过长而产生无法遏制的噪声或者纹波等 现象，会对信号的传输带来很大的干扰，因此应当予以重视。 4）GSM 模块检测点 GSM 模块电路较为简单，只需检测当系统运行时 P3.1 串行通信端口是否处于工 作状态即可，对检测点进行检测，当系统运行时其检测情况如图所示 由图可知 U3 出 V=WHI 表示电路处于工作状态，此时如有中断产生，系统会自 动发送信息通过串口到达 GSM，而 GSM 模块接到指令后会通过无线网络传送到用 户手机或其他终端，达到报警的效果。 5）红外模拟检测点 因软件所限，故热释电红外检测电路用一开关来模拟，通过开关的开启和关闭 所产生的脉冲信号来模拟红外检测电路产生的脉冲信号；故本检测主要查看开关按 下前后电路电压变化是否在合理范围内。检测点如下图所示 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 23 每隔 5s 记录一次数据，测试结果如下所示 红外模拟电路测试（单位：V） 时间 55 55 55 按下开关后50 50 50 50 通过分析上述数据可知，当开关没有按下时，P3.2 端口直接接单片机电源电压， 此时中断端口处于关闭状态，而当开关按下后，电源直接被接地，此时 P3.2 为低电 平，中断端口打开，当开关后恢复后 P3.2 端口又变成高电平，这一过程产生的脉冲 传入中断端口，继而使系统转入中断服务程序。 4.2.2 软件测试及记录 本步骤是利用 Keil 编写源程序，运行程序查看编写是否正确，查看各寄存器使 用情况。在测试时应记录 Keil 软件编译后的信息，同时记录各寄存器的使用情况。 本系统程序清单详见附录一，本系统程序调试利用 Keil uVision3.0 软件调试， 打开软件，新建工程后将编写好的程序清单输入到软件中，点击调试后观察编译信 息。编译信息如下： 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 24 通过编译信息可知，本程序已经通过编译可以运行，程序代码大小占程序寄存 器的大小分别是：data 寄存器占 14.0；xdata 占 0；code 占 360；。可见编译后产生 的二进制文件如果烧入单片机存储器中只占很小一部分空间。将编译后的程序生成 16 进制的 hex 文件并保存，以供电路图仿真模拟时调用。 4.2.3 硬件与软件连调测试及记录 本步骤是将 Proteus 与 Keil 连调，加载程序到 Proteus 中，运行系统，根据系统 要求产生中断，看软件是否按照预期效果运行。测试时应记录系统前后状态，看是 否符合预期。 具体实施步骤如下： 打开软件 Proteus，如图 将拼接好的电路系统图打开，初次仿真，先测试电路是否能正常运行，点击软 件左下角运行按钮，如图所示 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 25 此时系统已经完全运行起来没有任何故障，然后按下停止键；双击系统的核心 AT89C51 芯片，出现如下图所示的选项 单击 Program File 选项中的打开按钮，打开编译好的 16 进制的 hex 文件，即可 将程序载入系统中 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 26 此时再点击运行，系统可以正式运行。如下图所示，电路各处无异常，表现稳 定。 按下电路中代表红外感应信号的开关，测试有信号时系统有何反应. 按下后系统立刻启动按钮报警程序，此时红灯闪烁报警，蜂鸣器模拟播放警笛 声音。 东华理工大学长江学院毕业论文 系统仿真及测试 27 4.2.4 GSM 模块的模拟测试及记录 本步骤是通过 GSM 端口模拟软件，对 GSM 端口进行模拟测试，检测单片机串 行端口是否能够发出信息。同时检测当系统运行时，中断产生后单片机能否发送指 令到 GSM 模块从而将报警信息发送到对方手机上。 （1）检测单片机串行端口能否发送信息 GSM 模块工作是靠单片机向其传输指令，根据指令的不同进行收发信息，甚至 有拨号报警的功能，因此要检测单片机能否向 GSM 模块发送串行信息，其检测方 式为在 MAX232 芯片处旁接一个 Proteus 内置虚拟中断（Virtual Terminal） ，将虚拟 终端的 RXD 连接到单片机的 TXD 引脚，当单片机发送字符时，可以在虚拟中断中 显示出来。其电路图如下： 本测试单片机将向虚拟中断发送英文字母表，所发送的字母表应通过虚拟终端 显示出来。其程序代码详