创新的家用报警器课设

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 家用防盗报警器设计家用防盗报警器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气1111* * 学学 号：号： * 学生姓名：学生姓名： * 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2012014 4.06.16-201.06.16-2014 4.06.06.3030本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号*学生姓名*专业班级*课程设计（论文）题目家用防盗报警器设计课程设计（论文）任务该报警器可对仓库、商店、住宅门窗自动监测，当门窗被开、玻璃被砸碎时，报警器发出警报声，并显示位置。报警器可检测 8 点（门磁和振动监测） ，并有消音按键。设计任务：设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 门磁和振动传感器选择及接口电路设计3. 报警电路及消音电路设计4.程序流程图设计及程序清单编写技术参数：技术参数：1报警器可检测 8 点，自动检测门窗撬开以及玻璃破碎等情况2工作电源 220V设计要求设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，门窗状态检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。进度计划第 1 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 4 天 CPU 最小系统设计 第 5 天 门磁和振动传感器选择及接口电路设计 第 6 天报警电路及消音电路设计第 7 天 程序流程图设计第 8 天 软件编写与调试第 9 天 设计说明书完成第 10 天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）摘 要社会在不停的发展进步，人们的生活水平、标准也随之发生改变。人们已经不在简简单单的追求居住环境的良好了，同时也在重视居住环境的安全问题，注意家人的安全，财产的安全，人们的安全防护意识在不断的提高。因此，家庭防盗报警系统就应运而生。本设计针对家庭防盗报警系统进行设计，包括 CPU 最小系统设计、传感器选择和电路设计、报警电路、复位电路及消音电路等。其中 CPU 选择的是Intel 公司 MCS-51 系列的 89C51。复位回路是应用看门狗复位电路，这样可以能更加良好的保证了复位。时钟电路是采用晶振回路简单，可靠。传感器选择的是热式红外线传感器，此传感器可以根据温度的不同来检测入侵者，并且设置在门窗或户外等地，其发出的是不可见红外光，隐蔽性强，灵敏度高。整个报警系统是通过信号采集，数据处理，发出信号，复位等过程组成，通过编程的语句，在 89C51 的控制下运行。由于人们对安全防盗重要性看的越来越重，因此该系统在现实生活中得到了广泛的应用。关键词：单片机；传感器；报警电路；消音电路本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .11.1 报警器发展概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 CPU 最小系统设计.32.1 家用防盗报警器总体设计方案 .32.2 CPU 的选择 .32.3 数据存储器扩展 .52.4 复位电路设计 .62.5 时钟电路设计 .72.6 CPU 最小系统图 .8第 3 章 家用防盗报警器输入输出接口电路设计 .93.1 传感器的选择 .93.2 家用防盗报警器检测接口电路设计 .103.3 家用防盗报警器输出接口电路设计 .11第 4 章 家用防盗报警器软件设计 .134.1 软件实现功能综述 .134.2 流程图设计 .134.2.1 主程序流程图设计.134.3 程序清单 .14第 5 章 系统设计与分析 .165.1 系统原理图 .165.2 系统原理综述 .17第 6 章 课程设计总结 .18参考文献 .19本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 报警器发展概况家用防盗报警器是用物理方法或电子技术，自动发现在布防检测区域内的侵入行为，产生报警信号并提示相关人员报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。最初的家用报警器是采样感烟探测器，它采用的是氙气光灯作为探测光源，优点是客观猜到体积从小到大的各种颗粒，灵敏度高，编程简单和气流监控位于探测腔内；缺点是维修成本大，需要定期对氙气管进行更换，每两年更换一次过滤器，而且价格昂贵。第二代空气采样家用燃气报警器采用的是红外线激光装置进行探测光源，优点是维修成本较低，不需要对探测器进行整修，较低的成本，更广泛的灵敏度范围，体积更小；缺点是微小的颗粒的探测能力差，仍需要每两年更换过滤器，要求有计算机和专门软件来进行编程，气流监控位于探测器进气管内，使得对探测器内部气流的监控能力差，第三代采样感烟探测器采用的是短波长蓝光作为探测光源，可观察到体积从小到大的各种颗粒，更快速的萌芽期火灾探测，能把灰尘和水蒸气与燃烧产物区分开来，改善气流监控和简单编程，不需要由专门工具。目前家用防盗报警器主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。而此次实际中所用到的是红外光，它是一种是不可见光，并且具有很强的隐蔽性和保密性，所以此设备可以在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。1.2 本文研究内容本设计包括 CPU 最小系统设计， （其中有 CPU 的选择、数据存储器扩展、复位电路设计、时钟电路设计） ；传感器设计与选择；总体流程图的设计。该系统是经过传感器采集数据，通过 A/D 转换器交给 CPU 处理，再由 CPU 将处理结果输出到报警电路，发出报警信号，整个系统是在软件的控制下工作的。该系统在报警器处在工作状态时，通过红外探测器可以探测到人员闯入，并且通过设置在监测点上的红外探头将人体的辐射的信号转变成电信号，通过放大本科生课程设计（论文）2电路，比较电路，发送到门开关，最后传送到 CPU 处理，经处理后，CPU 控制报警电路发出报警信号。因为红外线在正常情况下不容易被发现，因此，可以在门口，窗口位置设置红外线这样可以检测到是否有人闯入房间。本科生课程设计（论文）3第 2 章 CPU 最小系统设计2.1 家用防盗报警器总体设计方案为了完成防盗报警的功能，需要选择和设计传感器和单片机控制电路组成防盗报警系统。系统组成框图如下:门磁与振荡电路是家用防盗报警器必备的检测电路，具有检测灵敏，体积小，安装方便等优点。显示电路采用的是 LED 显示，可以明确的显示发生事故的位置，便于及时处理。CPU 选择的是 51 系列的 89C51 单片机，P3 口接入门磁与振荡电路，P1 口与LED 数码显示相连接。报警电路接在 P3.7 口，晶振电路接 XTAL1 和 XTAL2 口，复位电路接在RESET 口。2.2 CPU 的选择本次设计所选用的单片机是 Intel 公司 MCS-51 系列的 85C51。89C51 的结构特点：1. 面向控制的 8 位 CPU；2. 一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为 0-24MHZ；门磁振荡检测89C51报警回路LED 显示及按键电路图 2.1 总体框图本科生课程设计（论文）43. 片内 4KB Flash ROM 程序存储器；4. 128B 的片内数据存储器；5. 可寻址 64KB 的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；6. 2 个 16 位定时/计数器；7. 4 个并行 I/O 口，共 32 条可单独编程的 I/O 线；8. 5 个中断源，2 个中断优先级；9. 一个全双工的异步串行口；10.21 个特殊功能寄存器；11.具有节电工作方式，即休闲方式和掉电保护方式。89C51 的结构引脚如图 2.2 所示：其引脚功能为：GND：接地端。VCC：电源端。正常操作及对 Flash ROM 编程和验证时接+5V 电源。XTAL1：接外部晶体和微调电容的一端。在 89C51 片内，它是振荡电路反响放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。当采用外部振荡器时，此引脚输入外部时钟脉冲。图 2.2 89C51 单片机引脚结构本科生课程设计（论文）5XTAL2：接外部晶体和微调电容的另一端。在 89C51 片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。再接外部振荡器时，此引脚应悬浮。RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机械周期以上的高电平，就可以使单片机复位。ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地PROG址的地址字节。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， 。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。PSEN：外部程序存储器的选通信号端。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。/VP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，EAEA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EA施加 12V 编程电源。P0 口：时双向 8 位三态 I/O 口。在访问外部存储器时，可分别用作低 8 位地址线和 8 位数据线；在 Flash ROM 编程时，它输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节。P0 能驱动 8 个 LSTTL 门电路。P1 口：它是一个内部带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 Flash ROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。能驱动 4 个人 LSTTL 门电路。P2 口：P2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时，他能输出高 8 位地址。P3 口：P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 P3 口能驱动 4 个LSTTL 门电路。2.3 数据存储器扩展由于 89C51 片内只有 128B 的数据存储器，在现实生活中可能用到更多的数据存储，因此需要对单片机进行适当的扩展，并且 89C51 具有扩展功能。89C51片外最多可以扩展 64KB 的数据存储器。此次设计所用到的扩展模块是 6264。6264 是 8K*8 位静态随机存储器，采用CMOS 工艺制造，单一+5V 电源供电，额定功率为 200mW，典型存取时间 200ns，本科生课程设计（论文）6为 28 线双列直插式封装。89C51 与 6264 的硬件接线图如图 2.3 所示，6264 的片选线接 89C51 的1CEP2.7，第二片选线 CE2 接高电平，保持一直有效状态，6264 是 8KB 容量的 RAM，故使用了 13 根地址线。2.4 复位电路设计单片机复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RESET 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使 RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。当 RESET 从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H 地址开始执行程序。在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠的工作，常将 RC 电路接施密特电路后再接入单片机复位端；或采用专用的复位电路芯片。MAX813L 是一种体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片。MAX813L 与单片机连接电路如图 2.4 所示，该电路可以实现上电复位，程序运行出现死机时自动复位和手动复位。为实现单片机死机时自动复位功能，需要在软件设计中，P1.7 不断输出脉冲信号，如果因某种原因进入死循环，则 P1.7无脉冲输出。于是 1.6s 后在 MAX813L 的端输出低电平，该电平家到端，WDOMR图 2.3 数据存储器扩展接线图本科生课程设计（论文）7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。2.5 时钟电路设计89C51 内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图 2.5 所示。图 2.4 复位电路接线图图 2.5 振荡电路接线图本科生课程设计（论文）82.6 CPU 最小系统图CPU 最小系统如图 2.6 所示。XTAL1 与 XTAL2 分别为时钟电路的输入和输出。P1.7 和 RESET 分别接复位电路的输入和复位端。其中 C1、C2 都是 30。F图 2.6 CPU 最小系统接线图本科生课程设计（论文）9第 3 章 家用防盗报警器输入输出接口电路设计3.1 传感器的选择热释电红外线(PIR)传感器是 80 年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。 被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钦错酸铅P 的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化， 最终电荷变化将以电压或电流形式输出将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。热释电红外传感器的内部电路图如图 3.1所示。其中 R3、R5=10，R1、R2、R4=5。KK图 3.1 热释传感器内部接线图本科生课程设计（论文）10热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体(如墙壁、家具等)在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号 U，送往报警器，发出报警信号。红外探测器的探测波长为814um，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。在 VCC 电源端利用 C1和 R3 来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过 FET 放大后，经过 C2，R2 的稳压后使输出变为高电位，再经过 NPN 的转化，输出 OUT 为低电平。3.2 家用防盗报警器检测接口电路设计ADC 0809 系列为多通道 8 位逐次比较式 CMOS A/D 转换器，它是美国公司制造的产品，是目前最流行的中速廉价型产品之一。其结构、性能与 ADC 0801 等相似。片内有多路模拟开关及通道地址译码及锁存电路，可对多路模拟信号进行分时采集与转换；片内配置了三态输出数据缓冲器，提供了与微处理器兼容的接口；ADC 0809 的最大不可调误差小于 0.5-0.5LSB。ADC 0809 典型的时钟频率为 60kHz，每一通道的转换时间需要 6673 个始终脉冲，约为 100ms。在启动 ADC 0809 后，EOC 大约在10后才变为低电平。0809s与 89C51 接线如图 3.2 所示。本科生课程设计（论文）113.3 家用防盗报警器输出接口电路设计此次课程设计显示电路是采用芯片进行译码输出，可显示不同的数字分别代表的不同的被监测的位置。通过 P0 口可以分别输送两路四位地址给译码器进行编译，显示不同的数字，以便用后了解。报警电路是采用蜂鸣报警电路，用 P2.7口输出脉冲控制 555 振荡器再利用 555 振荡器产生振荡，可以使蜂鸣器发出声响，达到报警的作用。当有外人入侵时会发出报警信号提醒主人，采取防盗措施。其接线图如图 3.3 所示。 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD1089C51D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE1174LS373IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9ST ART6ref(+)12CLOCK10ADC0809VCC图 3.2 A/D 转换接线电路本科生课程设计（论文）12图 3.3 输出接线图本科生课程设计（论文）13第 4 章 家用防盗报警器软件设计4.1 软件实现功能综述根据总体设计方案，防盗报警系统包括主程序、读数子程序、显示报警子程序主程序主要用来进行初始化，设置口地址和控制字，并对检测结果进行核对和控制读数子程序用来读取门磁振动检测电路的输入数据进行分析显示。显示报警子程序，利用芯片进行译码显示，转为 BCD 码后输出。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计YNY开始初始化延时 2S发出报警信号相同发出信号图 4.2 主程序流程图N本科生课程设计（论文）14主程序主要用来进行初始化，设置口地址及其控制字，并对检测结果进行核对，控制，其流程图如图 4.2。4.3 程序清单主程序代码设计：ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0003HLJMP PINT0ORG 0200HMAIN: MOV IE,#81H SETB IT0 MOV SP,#30H SETB P3.0 CLR P3.1MOV P1,#0FFH MOV P2,#00H CLR P1.2 LP: JNB P1.0,LA LA: ACALL DELAY JNB P1.0,ALARM AJMP LPDELAY:MOV R1,0AAHLD2:MOV R2,0BBHLD1:NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RET ALARM:SETB P1.2 CPL P3.0CPL P3.12S 钟定时: MOV 51H,#14H MOV TMOD,#01H MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH SETB TR0 L2:JBC TF0,L1 SJMP L2 L1:MOV TL0 #0B0H MOV TH0 #3CH DJNZ 51H,L2 ETB P3.0 CLR P3.1 CLR P1.2 LJMP LP 中断服务程序编写：PINT0: CLR EX0 PUSH PSW PUSH ACC JNB P3.2,LN LN: LCALL DELAY 本科生课程设计（论文）15 JNB P3.2,LN1 AJMP LN2 LN1: SETB P3.0 CLR P3.1 CLR P1.2 POP ACC POP PSW SETB EX0 LCALL LP LN2: RETI END本科生课程设计（论文）16第 5 章 系统设计与分析5.1 系统原理图1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:29-Jun-2014Sheet of File:C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign2.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1089C51P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.8DI01DO019DI12DO118DI23DO217DI34DO316DI45DO415DI56DO514DI67DO613DI78DO712OE9STB118282A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS120CS226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D7196264P0.8P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.11K+5V10F10F振振MRVCCGNDPFIWDORESETWDIPFOMAX813L&74HC08K51K+5V12345678abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEGabfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDPY_7-SEGD0D7D0D3D4D7TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGND555R15.1KR25.1KR35.1KSPEAKERC110FC210F图 5.1 总程序图本科生课程设计（论文）175.2 系统原理综述此设计的核心模块是单片机，所以此系统也是单片机引用系统的一种应用。单片机应用系统也是由硬件和软件组成。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