城市居民楼防盗报警系统的设计与研究毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）城市居民楼防盗报警系统的设计与研究毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 城市居民楼防盗报警系统的产品发展现状11.2 系统的主要特点及功能1第2章 系统设计方案论证22.1 设计方案22.2 系统工作原理32.3系统经济可行性3第3章 系统硬件设计43.1 单片机最小系统设计43.1.1 单片机的选择43.1.2 单片机扩展电路的设计73.1.3 看门狗电路的设计123.2 传感器原理及特性123.2.1 冲击传感器123.2.2 热释电红外传感器133.2.3 指纹识别传感器143.3 人机接口设计203.3.1 键盘原理及接口203.3.2 显示原理及接口213.4 电源电路设计243.5 报警电路设计243.6 主从机通信设计25第4章 系统软件设计274.1 系统软件设计思想274.2 主机主程序流程图284.3 主机通信子程序流程图294.4 从机主程序流程图304.5 从机中断服务程序流程图314.6 盗情报警程序流程图324.7 读数子程序流程图344.8 核对子程序流程图354.9 查找报警点子程序流程图364.10 显示及报警子程序流程图38第5章 结论39参考文献40致 谢42附 录43附 录53附 录54II第1章 绪 论1.1 城市居民楼防盗报警系统的产品发展现状目前，随着社会经济的飞速发展，电子信息技术的进步和各种电子产品的研发更是日新月异、突飞猛进。因此，人们在众多的需求中对居住环境的要求也在不断的提高，特别是对信息服务和安全防范的要求尤为突出。随着近几年计算机和信息产业的发展，将智能化引入住宅小区已经成为一种趋势，在智能化住宅的家庭智能管理系统中对住宅家庭水表、电表、煤气表的自动抄表，以及火灾、煤气泄漏、入室盗窃等报警监控已经成为民用建筑领域向信息化和网络化发展的一个重要组成部分。由于人们对保安设备的需求量大为增加，为了满足用户的需求，许多科研人员用国内和国外器材研制了许多功能先进、实用、成本低廉的智能防盗报警器。这些报警器可以实现防开启、防接近、防玻璃破碎、防火灾等全面的保安功能。1.2 系统的主要特点及功能防盗报警系统中主要应用了单片机技术和现代化电子技术，具有多项功能。因为电子信息技术的发展，单片机已经成为现代电子系统中最重要的智能化工具之一。单片机是在一块超大规模的集成电路芯片上，集成了处理器、存储器、定时器和多种输入、输出接口电路。单片机以其芯片体积小和极低的成本，广泛应用于玩具、仪器仪表、工业控制单元、船舶及通信等产品中。由于此系统计划应用于居民住宅小区，因此该系统通过主-从机通讯来实现对每个用户的单独控制和监测。对于每个用户而言，系统中设置了多项传感器阵列来实现对住宅的多点检测功能，由此提供了更多更好的安全保障。此系统的主控制器采用了单片机 AT89C51进行控制，系统的电路组成包括：电源电路提供低压电源；存储器扩展电路实现数据及程序的存储；报警电路实现案发报警；显示电路实现居民用户房号显示；键盘电路实现选通用户复位；A/D转换电路实现信号转换；主-从机通讯电路实现统一管理、集中报警等。这些电路的设计方案、所用芯片介绍及其所实现的功能等将在以下章节中进行详细介绍。第2章 系统设计方案论证 针对过去居民住户经常出现的各种入室盗窃现象，目前在电子产品市场上各种智能防盗报警器粉墨登场。这些防盗报警产品都分别具有不同的功能及其相应的适应场合，各具其特殊的针对性。依照此次设计的要求设计一个城市居民楼的防盗报警系统，其设计思想如下：2.1 设计方案如图2.1所示，对某小区一居民楼（设8层楼，共计80户）住户进行每户3点监控防盗报警设计。系统中用5个从机控制器控制80个用户的检测信号（每台从机控制16户），并对检测点进行巡回检测。然后通过主-从机通讯实现统一管理、集中报警。其中控制器采用单片机AT89C51，检测信号由三项传感器阵列实现，采用传感器分别为：指纹识别传感器实现指纹识别鉴定；冲击传感器实现防冲击、防撬动；热释电红外传感器实现防接近。TXD RXDAT89C515# #1 电源电路时钟电路扩展电路显示电路AT89C51TXDRXD TXD RXD键盘电路报警电路TXD RXDAT89C511# #1扩展电路电源电路扩展电路电源电路传感器检测电路传感器检测电路图2.1 系统结构框2.2 系统工作原理本系统的功能是进行家居防盗报警，要对多点信号进行检测，采用主-从机通讯方式。系统中采用单片机AT89C51为主控制器，主机外围电路还设有电源电路、时钟电路、存储器扩展电路、报警电路、显示器接口电路、键盘复位电路、主-从机通讯电路等。从机电路中同样采用AT89C51为控制器，也同时设有必要的存储器扩展电路、电源电路，还有传感器数据采集电路、I/O口扩展电路等。系统中的每片AT89C51都有必要的存储器扩展，是为了使其能够存放更多的程序和数据；电源电路为系统提供正常的工作电压；报警电路采用声光报警设计，当发生案情时报警指示灯开始闪亮同时发出蜂鸣的报警声；每片从机控制器AT89C51外接三片8243并行I/O口，每片8243可检测16个被检测点，并通过软件对其进行巡回检测，检测点的信号由传感器给定，每户设置3个被检测点，分别为门、窗及室内贵重物品存储柜，三点分别由不同类型的传感器进行检测。传感器采用指纹识别传感器、冲击传感器、热释电红外传感器来检测，检测到的信号经转换电路传送给8243，再由8243传送给AT89C51，AT89C51接到信号后再传给主控制器AT89C51，最后由报警电路发出声光报警，工作人员可从显示电路中看到发生盗情的房间号，显示电路采用三位显示。系统的键盘复位电路可以在工作人员准确的记录下发生盗情的时间、地点后，用其进行复位，以完成整个系统的工作任务。2.3系统经济可行性分析该系统采用单片机AT89C51进行控制，目前单片机的广泛应用及其产生的效益令人瞩目，它以其价格便宜且应用领域广等诸多优点成为控制系统中采用最多的器件和芯片。另外，该系统在外围电路中所用到的并行I/O口芯片、译码器、显示器等器件都是单片机控制系统中常用的器件，便宜且可靠性能好。因此，该系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。第3章 系统硬件设计 3.1 单片机最小系统设计随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用计算机控制系统。由于大多数控制系统的任务都较专业化，并且执行的是直接数字控制任务，固基本采用单片机。单片机是目前控制系统采用最多的器件和芯片，它在军事、航空、航天、交通、工业、农业等领域都有大量的应用。单片微型计算机本身应该是一个最小应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，如晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的电路。另外，对于片内无ROM/EPROM的单片机，还应该配置片外程序存储器。对程序和数据存储器容量不够的系统应适当的进行扩展。3.1.1 单片机的选择本系统的主、从机控制器均选择单片机AT89C51，下面对其进行介绍：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CMOS 8位微处理器，俗称单片机。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，因此说ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51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。1AT89C51的管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0口输出原码，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，被内部上拉为高电平时，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。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。 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（TTL），这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 /RXD（串行输入口） P3.1 /TXD（串行输出口） P3.2 /（外部中断0） P3.3 /（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 /（外部数据存储器写选通） P3.7 /（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。当振荡器接复位器件时，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低位字节。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的脉冲。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指令时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禁止时，置位无效。 ：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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /VPP：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，此期间为内部程序存储器。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。2振荡器特性： 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。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平所要求的宽度。如图3.1所示，图中外接晶体以及电容XTAL1和XTAL2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈电路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，此时对应的时钟频率为12MHz。CX2CX1图3.1 内部时钟方式的电路AT89C51XTAL1XTAL2Vss晶体或陶瓷谐振器3芯片擦除： 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平，用10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM、定时器、计数器、串行口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.2 单片机扩展电路的设计本设计中单片机的芯片内集成了CPU、ROM、RAM、定时/计数器和并行I/O接口，已经具备了很强的功能，一片单片机基本上就是一台计算机。但是，单片机内部的ROM、RAM的容量、定时器、I/O接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源进行扩展。首先需要扩展的是程序和数据存储器。单片机内部虽然有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此需要从外部进行扩展。其次需要扩展的是输入/输出接口。单片机的主要用途是控制，因此它必须与外部设备打交道，也就是说它需要与外部的输入/输出设备连接。单片机内部虽然设置了4个并行I/O口，用来与外围设备连接，但当外围设备较多时，I/O口就显得不够用，在大多数情况下，单片机都需要扩展输入/输出接口。1程序存储器的扩展程序存储器（Read Only Memory , ROM）也称只读存储器。所谓只读存储器是指ROM中的信息，一旦写入以后，就不能随意更改，特别是不能在程序运行过程中再写入新的内容，只能在程序执行过程中读出其中的内容。2716的EPROM是2K8位紫外线擦除电可编程只读存储器，单一 +5V 电源供电，运行时最大功耗为252mW，读出时间最大为450ms，为24脚双列直插式封装，其引脚图如图3.1所示，部分引脚说明如表3.1所示，2716的5种工作方式如表3.2所示。 表3.1引脚说明A0A10地址线O0O7数据线片选线数据输出选通线VPP编程电源VCC主电源 A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND1 242 233 224 215 206 197 188 179 1610 1511 1412 13图3.1 2716引脚图VCCA8A9VPPA10O7O6O5O4O3 表3.2 2716工作方式选择 引脚方式（18）（20）VPP（21）VCC（24）输出（911，1317）读LL5V5VDOUT维持H任意5V5V高阻编程正脉冲H21V5VDIN编程检验LL21V5VDOUT编程禁止LH21V5V高阻原理图（附录II）中2716扩展电路的8D锁存器74LS373的三态控制端接地，以保持输出常通。其三态输出还有一定的驱动能力，G端与ALE相连接，每当ALE下跳变时，74LS373锁存低8位地址线A0A7。2716是2K8位的EPROM芯片，有11根地址线A0A10，其中低8位地址线通过锁存器与AT89C51的P0口相连，高三位地址线与AT89C51的P2.0P2.2口相连。当AT89C51发出11位地址信息时，分别选中2716片内2KB锁存器中各单元。2716的8根数据线直接与AT89C51的P0口相连。2716的端是输出使能端，与单片机的端相连，当有效时，把2716中的指令或数据送入P0口线。2716的引脚为片选信号输入端，低电平有效，当有效时，表示选中该芯片。该片选信号决定了2716的2KB存储器在整个64KB程序存储器空间的位置。外部程序存储器采用单片电路时，其片选端可直接接地。根据上述电路接法，2716占有的程序存储器地址空间为0000H07FFH。2数据存储器的扩展在实际应用中仅靠单片机内部的数据存储器是不够的，在这种情况下需要扩展外部数据存储器。数据存储器空间地址同程序存储器一样，由P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据线。数据存储器的读和写由和信号控制，而程序存储器由读选通信号控制，两者虽然共处同一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生总线冲突。6116是2K8位静态随机存储器，采用CMOS工艺制造，单一+5V电源供电，额定功耗160mW，典型存取时间200ms，为24线双列直插式封装，其引脚图如图3.2所示，部分引脚说明如表3.3所示，工作方式选择如表3.4所示。原理图（附录II）中6116的地址线、数据线的接法同程序存储器的接法一样，6116的写允许和读允许分别于AT89C51的（P3.6）和（P3.7）连接，以实现写/读控制，6116的片选控制端接地常选通。表3.3引脚说明A0A10地址线O0O7数据线片选线数据输出选通线VPP编程电源VCC图3.2 6116引脚图主电源表3.4 6116工作方式选择方式D0D7H未选中高阻LLH读DOUTLHL写DINLLL写DIN3并行I/O接口的扩展计算机通过输入/输出设备和外界进行通信。计算机所用的程序、数据及现场采集的各种信息都要通过输入设备输入计算机，而计算的结果和计算机产生的各种控制信号要输出到各种输出装置或受控部件。但一般来讲，计算机的三条总线并不直接和外部设备相连接，而是通过各种接口电路再接到外部设备。接口电路也叫做输入/输出接口电路，简称I/O接口电路。本系统中主控制器I/O口扩展采用8155可编程并行I/O接口，从机控制器I/O口扩展采用8243并行I/O接口。下面分别对8155和8243进行简单说明：(1)8155原理及接口介绍8155有3个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中，A口和B口是8位，C口是6位；1个14位可编程定时/计数器和256B的静态RAM，能方便地进行I/O口扩展和RAM扩展。8155的工作方式与基本操作：8155作为扩展I/O口时，IO/引脚必须为高电平，这时PA、PB、PC的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0时）。8155的I/O口工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器送命令字来实现的。命令寄存器由8位锁存器组成，只能写入不能读出。8155的工作状态由状态寄存器指出，与命令寄存器用同一个地址，只能读出不能写入。端口操作：A口寄存器和B口寄存器有完全相同的功能，可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。C口可工作于基本I/O方式，也可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。当8155设定为方式1和方式2时，A口、B口、C口均工作于基本输入/输出方式，由“MOVX”类指令进行输入/输出操作；设定为方式3时，A口定义为选通输入/输出，由C口低3位作为A口联络线，C口其余位作为I/O线；设定为方式4时，A口、B口均定义为选通输入/输出方式，由C口作为A口、B口的联络线，其逻辑组态如图所示。C口工作方式及各位的关系见表3.5。表3.5 C口的工作方式C口方式1方式2方式3方式4PCOPC1PC2PC3PC4PC5输入输入输入输入输入输入输出输出输出输出输出输出A口中断请求A口缓冲器满A口选通输出输出输出A口中断请求A口缓冲器满A口选通B口中断请求B口缓冲器满B口选通8155与AT89C51的连接见附录II。(2)8243原理及接口介绍8243原是专用于MCS-48系统中扩展I/O口的，它的输入线和8048芯片的相应输入引线有一一对应的兼容关系，故可以直接应用于8048系统。当用于AT89C51系统时则要作一些处理，但仍然是相当方便的。8243有24条引出线，除了+5V电源和地之外，有6条输入线和16条I/O接口线，6条输入线用来和AT89C51芯片相连。其中P20P23为4条信号线，PROG和为控制线。16条I/O线分为四组，即P4.0P4.3，P5.0P5.3，P6.0P6.3，P7.0P7.3。因此，一片8243芯片可以扩展四组4位I/O口。8243的整个工作受控制线PROG的控制。在PROG由高到低变化时（下降沿），8243认为四条输入线P20P23上是两位地址信息和两位控制信息。地址信息用来选择四个I/O通道（P4P7）中的一个；控制信息用来选择数据传送的方式，共有三种写方式和一种读方式。8243功能表和时序如图3.3所示。在PROG的下降沿，P20P23上的信号被当作地址和操作码送入8243内部的地址译码器和指令译码器，以决定下一步数据交换在哪一个扩展I/O口（P4P7）进行，以及如何完成数据交换。数据传送有四种方式，写入方式有三种。8243内部有输入锁存器，写入操作就是将数据写入到内部锁存器，并一直保持到新的数据写入。三种写入方式是：l 直接写入，即将新的数据代替原有锁存器的内容；l 先与再写，即将新的数据与原有数据与之后再写入；l 先或再写，即将新的数据与原有锁存器内容相或之后，再存入锁存器。所有的写操作都是在PROG由低到高变化时完成。读操作只是一种方式，在读操作和通道地址译码后，相应的输出变为三态，而输入缓冲器接通。也就是所选中的I/O口（P4P7）和P20P23接通，用一条指令就可以将数据读入到累加器A。读操作在PROG上有一个从低到高的跳变时结束。控制线中还有一条片选线，这是一般芯片接口都有的控制端，只有当=0时，该接口芯片才被选中，才能工作。要使=0可以由硬件电路产生信号，也可以由软件来模拟。从以上介绍可见，8243是一种可编程的接口芯片。在工作之前，先要写入控制信息，根据写入的控制信息，可以选择不同的I/O通道和不同的传送操作。用8243扩展AT89C51的I/O接口如图3.3所示。PROGP2.0P2.3地址和操作码（4位）数据（4位）位3.2 00011011READ（读）往日特（写）OR（或）AND（写）00011000位1.0口地址图3.3 8243功能表和时序图3.1.3 看门狗电路的设计复位操作可使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。由MAX813L与单片机连接的带手动复位的看门狗复位电路（如图3.4所示），该电路可以实现上电复位，程序运行出现死机时的自动复位和随时的手动复位。为实现单片机死机时的自动复位功能，需要在软件设计中，不断输出脉冲信号（时间间断小于1.6s），如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.7无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的端输出低电平，该电平加到端，使MAX813L产生一个200ms的复位脉冲输出，使单片机有效复位，系统重新开始工作。+5V AT89C51RESETP1.7 VCC RESETGND WDIPF1 /PFOP51KK73HC08图3.4 带手动复位的看门狗复位电路3.2 传感器原理及特性本系统依据毕业设计的要求应具有多点检测的功能，并且不同的检测点要有不同的检测方式，因此，在此系统中设计了三个不同的检测点，并应用了三种不同的传感器对检测点进行检测。在此将对三种传感器的原理和功能进行详细的介绍。3.2.1 冲击传感器冲击传感器（如图3.5所示）可以用来粘贴在门窗的玻璃上，当有人敲击或击碎玻璃时，传感器可以传输信号。冲击传感器的结构如图所示，在其外壳的基板上固定一个螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，它们都是良导体。外壳也使用良导体制成。在静止状态时，不论传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球在加速度作用下产生运动和外壳接通，便可输出报警信号，使系统工作。这个传感器在此系统中将被安放在每个用户的窗户上。 图3.5 冲击传感器3.2.2 热释电红外传感器系统中应用了热释电红外线防盗探测器来检测监测区内的安全信号。其中的检测元件是BISS0001，该器件是CMOS数模混合专用集成电路，多用为红外专用芯片，它具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。另外它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。热释电红外线防盗探测器工作原理如图3.6所示。图3.6 热释电红外线防盗探测器原理图专用芯片BISS0001经多级放大,双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，输出信号U0送MCU单片机处理并报警。当A端等于“0”时，为不可重复触发状态，即在TX时间内，任何V2的变化都被忽略，直至TX时间结束。当TX时间结束时，U0下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器进入封锁周期Ti。在Ti周期内, 任何V2的变化都不能使U0为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。该设计输出为脉冲信号，当有移动物体进入探测范围以内时，输出端电平发生跳变，可实现检测并报警。探测器中热释电红外传感器工作原理是利用晶体热释电效应，监测人体特定波长的红外辐射，它广泛应用于防盗报警。当警戒范围内出现移动人体，传感器就可以检测出信号输送出去。热释电红外传感器是由PZT材料作为传感器的敏感元件，在它的上下两面制作电极，并在表面涂一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻Re上并联一个电容器的电压发生器。它的输出阻抗极高，而且输出电压也很微弱，故在器件内附有一个场效应管（FET）加以放大，并达到阻抗变换的目的。产生电压输出的原因是：PZT材料有红外线照射时，其表面温度发生变化，晶体内部原子排列也随之发生变化，因而引发极化电荷。为了探测移动人体，通常使用双元件型热释电红外传感器，在这种传感器内部，两个敏感元件反向相连，当人体静止时两元件极化程度相同，互相抵消。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为“0”，从而达到了探测移动人体的目的。等效电路如图3.7所示。图3.7 热释电红外传感器3.2.3 指纹识别传感器生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的技术，而指纹识别是生物识别的一种重要手段。目前，指纹传感器正朝着单片集成化、高性能、低成本的方向迅速发展，这些都为指纹识别技术的推广应用创造了良好条件。1生物识别技术的发展概况长期以来，人类一直在追求安全、可靠的身份识别方法。但以往普遍采用的签名、加密等方法很容易被模仿、盗用甚至被人们遗忘。人们经过大量的实践后终于发现，利用人体所固有的生物特征和行为特征来辨别与验证身份，才是最有效、最可靠的办法。在人类社会活动中需要验证个人身份时，传统的方法是验证人的物体，而不是验证其本人。只要“物”的有效性得到确认，则持有该“物”的人的身份也随之得到确认。这种以物认人的办法存在着明显的缺陷。因此人们开始寻找一种认人不认物的直接验证方法。这就是所谓的人体生物特征身份鉴别技术。它根据每个人自身具有的生物特征来鉴别其真实身份，为确保鉴别的准确性和可靠性，要求这些特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”这三大特征。现代科学技术发现同时具有这三个特点的人体生物特征，如面容、声音、行为动作（如签名、击键方式等）等。所有这些都为生物识别提供了基础条件。2指纹识别的基本原理指纹图像的获取：取像设备主要有以下四种类型：光学取像设备（例如微型三棱镜矩阵），压电式指纹传感器，半导体指纹传感器，超声波指纹扫描仪。此系统采用的是FPS100/110型指纹传感器：美国Veridicom公司是指纹传感器的专业生产厂家，该公司于1998年推出FPS100系列第一代CMOS固态指纹传感器，包括FPS100、FPS100A。2000年又推出了第二代产品FPS110和FPS110B，它们的工作原理相同，仅某些技术指标存在着差异。上述产品均属于由敏感阵列构成的集成化接触式指纹传感器，可广泛用于便携式指纹识别仪、网络、数据库及工作站的保护装置，自动柜员机(ATM)、智能卡、手机、计算机等的身份识别器，还可构成宾馆、家庭的门锁识别系统。FPS100型指纹传感器的性能特点：（1）它属于高分辨率、高可靠性、低成本的电容感应式CMOS固态指纹传感器。传感器敏感区域的面积为1.5cm*1.5cm，由300行*300列的电容器阵列组成，共有90000个像素。敏感元件的间隙为50um，分辨率为500dpi。（2）其电容阵列中具有二维的平面金属电极，每个电极作为电容器的一个极板，接触的手指作为另一个极板。芯片表面的钝化层在两极板间形成电介质。手指上凹凸不平的指纹经过敏感阵列便得到不同的电容量，最后转换成指纹图像。（3）内部有8位闪速（flash）模/数转换器和8位微处理器接口，适配各种微处理器。内部还集成了一个温度传感器和一个电阻监测器，分别用来测量指纹传感器的温度变化量和芯片外部的电阻值。（4）表面有一层高硬度、抗磨损和抗化学腐蚀的保护涂层，能承受2000V以上的静电放电电压。（5）模拟电源电压为+3.0V+5.5V，正常工作模式下功耗约为100mW，待机模式下低于5mW。工作温度范围是0+70。FPS100型指纹传感器的原理与应用：1. 工作原理FPS100的输入设备与计算机相连。FPS100的内部框图如图3.8所示。FPS100采用VSPA80/1封装，共有80个引脚，各引脚的功能见表3.6。ENCLKXTAL2XTAL1TESTD7:0CE2A3:0SETCURRSENSECLK选择逻辑8位双向数据总线（带缓冲）振荡器DCR寄存器RAH寄存器RAL寄存器CAH寄存器CAL寄存器300300传感器阵列多路转换器选8位闪速A/D转换器温度传感器RSR寄存器控制逻辑时钟输出电阻检测器DTR寄存器图3.8 FPS100的内部框图FPS100内部主要包括以下16部分：300300传感器阵列，多路转换器（MUX），8位闪速A/D转换器，选择逻辑，8位双向数据总线（带缓冲器），放电电流寄存器（DCR），高位行地址寄存器（RAH），低位行地址寄存器（RAL）， 高位列地址寄存器（CAH），低位列地址寄存器（CAL），电阻检测寄存器（RSR），放电时间寄存器（DTR），温度传感器，电阻检测器，振荡器，时钟输出电路。它利用8位闪速A/D转换器将敏感元件阵列的输出转换成数字量，再通过8位双向数据总线接微处理器。表3.6 FPS100的引脚功能引脚序号引脚功能类型引脚功能3437A3A0输入地址输入38输入芯片使能（仅当为低电平、CE2为高电平时使能）39CE2输入40输入读使能17输入写使能18，19，20，22，2427D7D0双向数据总线32CLK输出时钟输出31ENCLK输入时钟输出使能15，14LED1，LED2输出LED驱动2RSENSE输出检测电阻3SETCUR输入设置放电电流13TEST输入仅供厂家测试芯片用20，33UDD电源接数字电源的正极1UDDA电源接模拟电源的正极16，23，28USS地数字地4USSA地模拟地5GNDSUB衬底第（仅FPS100-P2有）29XTAL1输入内部振荡器输入30XTAL2输出内部振荡器输出4180GNDSHLD地保护地612NC空脚电容器阵列的每一列与两个采样/保持电路相连。每次只能捕获一行指纹图像。捕获过程可分成两个阶段：在第一阶段，被选择行的各电容器被充电到UDD，利用第一个采样/保持电路将该行中每只电容器的充电电压储存下来；在第二阶段，上述电容器向电流源放电，放电速度与放电电流成正比，经过一段放电时间后，由第二个采样/保持电路把上述电容器的最终放电电压储存下来。通过改变放电电流和放电时间，可以调整FPS100的灵敏度。电流源的电流值由SETCUR脚与地之间的电阻来设定。放电时间由放电时间寄存器来设定。首先对传感器阵列进行逐行扫描，每次只能读出一行指纹图像。在对RAH寄存器和RAL寄存器编程后，即可选择所要捕获的行。在对RAL寄存器进行写操作后便开始捕获行。捕获时间由外部时钟和DTR寄存器来决定。在放电过程结束后，该行各传感单元的输出就以模拟信号的形式保存在采样/保持电路中。当行捕获结束后，在对CAH寄存器和CAL寄存器编程，并将已捕获各行中每个传感单元的输出进行数字化。然后，又从低位到高位逐列扫描，同时启动A/D转换器将被选列输出的差值电压转换成数字量。通过访问CAL寄存器可得到A/D转换的结果。实际上，FPS100允许按任意顺序访问行，但被选行必须在读列单元之前被捕获。同样，也可按任意顺序访问列。FPS100还有两个可编程的漏极开路输出端，可分别驱动发光二极管LED1和LED2。从CLK引脚可输出一个与振荡时钟频率相同的方波，可用来驱动外部电路。当ENCLK为高电平时，CLK引脚有时钟信号输出；当ENCLK为低电平或开路时，CLK引脚的输出就保持低电平。2. 典型应用1）引脚控制功能FPS100的引脚控制功能见表3.7：表3.7 FPS100的引脚控制功能CE2模式数据线接高电平芯片未被选中呈高阻态接低电平芯片未被选中呈高阻态接低电平接高电平接高电平接高电平等待呈高阻态接低电平接高电平接低电平接高电平读数据输出接低电平接高电平接高电平接低电平写数据输入2）寄存器的选择及控制功能FPS100内部有7个寄存器，各寄存器的地址见表3.8，各自的功能如下：表3.8各寄存器的地址A3A2A1A0特点符号名称0000只写RAL低位行地址寄存器0001只写RAH高位行地址寄存器0010可以读/写CAL低位列地址寄存器0011只写CAH高位列地址寄存器0100只写DTR放电时间寄存器0101只写DCR放电电流寄存器0110只写RSR电阻检测寄存器（1）低位行地址寄存器（RAL）该寄存器与RAH寄存器的第0位一起组成9位行地址寄存器，对捕获行进行寻址。9位行地址寄存器的寻址范围为0299。对RAL寄存器进行写操作时就开始了一行的捕获。只要RAH寄存器内容不变，就只对RAL寄存器进行写操作。否则，应先写RAH寄存器，再写RAL寄存器。（2）高位行地址寄存器（RAH）该寄存器的第0位和RAL寄存器一起组成9位行地址寄存器，对所要捕获的行进行寻址。该寄存器的第7位（L1）和第6位（L2）分别控制两个可驱动LED的开漏输出端。（3）低位列地址寄存器（CAL）CAL寄存器是一个读/写寄存器。向该寄存器写地址，就写到9位列地址寄存器的低8位。9位列地址寄存器的寻址范围为0299。在写CAL寄存器时启动A/D转换器。A/D转换器的输入由CAH寄存器第6位和第7位寻址。只有在行捕获完成后，用户才可以写CAL寄存器。在对CAL寄存器进行写操作后，用户要等A/D转换完毕才可以读转换结果。（4）高位列地址寄存器（CAH）该寄存器的第0位和CAL寄存器一起组成9位列地址寄存器，用来选择当前行的一个单元并将其数字化。只有在行捕获完成后，用户才能写CAH寄存器。CAH寄存器的第7位和第6位用来选择A/D转换器的输入：1）当这两位的状态为“00”时，对行或列的单元进行寻址；2）为“01”时，选择电阻检测器的输出。（5）放电时间寄存器（DCR）将该寄存器的第7位置成“0”时选择正常工作模式，将它置成“1”时选择低功耗的待机模式。第6位第0位用来设定放电时间，放电时间等于DTR寄存器的第6位第0位的数值（n）乘以时钟周期（T0）。（6）放电时间寄存器（DCR）该寄存器的第7位（F2）和第6位（F1）用来设置时钟频率f0（即晶振频率），进而设定行捕获时间和A/D转换时间。（7）电阻检测寄存器（RSR）通过设置RSR寄存器的第3位第0位，可以控制电流源的输出电流，使外部电阻上的电压在01.2V范围内。该电压可通过内部A/D转换器转换成数字量。3）A/D转换器8位闪速A/D转换器具有缓冲功能。在对CAL寄存器进行首次写操作时，可产生以下结果：（1）锁存上次转换结果并使CAL寄存器可读；（2）开始A/D转换，把当前的输入转换为数字量。因此，为把每行中300个单元的输出进行数字化，需要对CAL寄存器写301次。同理，为了使温度传感器或电阻检测器的输出数字化，必须对CAL寄存器写两次，第一次是为数字化；第二次是为CAL寄存器可读。3.3 人机接口设计智能仪器通常要有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。这个功能有两方面的含义：一是人对智能仪器进行状态干预和数据输入；二是智能仪器向人报告运行状态与处理结果。实现智能仪器人机对话的部件有键盘、显示器和打印机等，这些部件同智能仪器主体电路的连接是由人机接口电路来完成的，因此人机接口技术是智能仪器设计的关键技术之一。3.3.1 键盘原理及接口键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。前者是用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘。因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等。键盘与微处理器的接口包括硬件与软件两部分。硬件是指键盘的组织，即键盘结构及其与主机的连接方式。软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。独立式键盘结构的特点是一键一线，即每一个按键单独占用一根检测线与主机相连。键盘中的上拉电阻保证按键断开时检测线上有稳定的高电平，当某一按键被按下时，对应的检测线就变成了低电平，而与其他键相对应的检测线仍为高电平，从而很容易地识别出被按下的键。这种连接方式的优点是键盘结构简单，各自实现相互独立，所以按键识别容易。缺点是占用较多的检测线，不便于组成大型键盘。键盘接口使用多少根I/O线，键盘中就有几个按键。这类键盘的按键比较少，且键盘中各个按键的工作互不干扰。因此，用户可以根据实际需要对键盘中的按键灵活的编码。最简单的编码方式就是根据I/O输入口所直接反应的相应键按下的状态进行编码，称按键直接状态码。对于这样编码的独立式键盘，CPU可以通过直接读取I/O口来获取按键的直接状态编码值，根据这个值直接进行按键识别。矩阵式键盘结构的特点是把检测线分成两组，一组为行线，另一组为列线，按键放在行线和列线的交叉点上，mn矩阵键盘与主机连接需要m+n条线，显然，键盘规模愈大，矩阵式键盘的优点愈显著。当需要的按键数目大于8时，一般都采用矩阵式键盘。由于本系统需要的键盘较少，所以采用独立式键盘。此系统用一个独立式键盘直接连接到I/O输入线上。如图3.9所示。图3.9 独立式键盘接口3.3.2 显示原理及接口在单片机系统中，经常用LED（发光二极管）数码显示器来显示单片机系统的工作状态、运算结果等各种信息。LED数码显示器是单片机与人机对话的一种重要输出设备。LED显示原理：LED即发光二极管，它是一种由某些特殊的半导体材料制作成的PN结，由于参杂浓度很高，当正向偏置时，会产生大量的电子-空穴复合，把多余的能释放变为光能。LED显示器具有工作电压低、体积小、寿命长（约十万小时）、响应速度快（小于1us），颜色丰富（红、黄、绿等）等特点，是智能仪器最常使用的显示器。LED的正向工作电压