毕业设计（论文）防盗与恒温系统的设计与制作

摘要本文较为全面、系统地叙述了以MCS51系列单片机为控制核心的防盗与恒温功能的实现。以及驱动芯片、三极管、汇编语言程序设计、输入输出技术的原理与应用。在恒温系统中，采用的是多点温度采集，不同位置的温度通过相应的数字温度传感器采集后传送给控制核心单片机。再经过单片机对传送来的各个温度值进行与我们设置的温度作比较来控制对应电机的工作。对于我们想要得要的温度值是通过我们手动来实现的，即通过按键的来执行增减的功能。在防盗系统中，采用热释电红外传感器方法，即通过目标与背景的温差来探测目标的，从而对控制核心单片机来产生中断。实现报警的功能。关键字单片机AT89C51红外对管DS18B20ABSTRACTTHISPAPERISMORECOMPREHENSIVESYSTEMATICALLYDESCRIBESTHEMCS51MICROCONTROLLERTOCONTROLTHECORETEMPERATUREANDSECURETYFUNCTIONSANDTHEDRIVERCHIP,TRANSISTOR,ASSEMBLYLANGUAGEPROGRAMMING,INPUTOUTPUTTECHNOLOGYANDAPPLICATIONOFTHEPRINCIPLEINTHETHERMOSTATSYSTEM,THEMULTIPOINTTEMPERATUREISCOLLECTING,DIFFERENTLOCATIONSTHROUGHTHETEMPERATURECORRESPONDINGDIGITALTEMPERATURESENSORSWERECOLLECTEDTRANSMITTEDTOTHECONTROLCENTERMCUAFTERMCURIGHTTOTRANSMITALLTHEVALUESOFTEMPERATUREANDTHETEMPERATUREWESETUPFORCOMPARISONTOTHECORRESPONDINGMOTORCONTROLWORKWEWANTTOBEINTHETEMPERATUREVALUETHROUGHOURMANUALTOACHIEVE,ANDTHATISTHROUGHTHEIMPLEMENTATIONOFKEYCHANGESINTHEFUNCTIONINTHEANTITHEFTSYSTEM,USINGTHEINFRARED,THROUGHINFRAREDDRADIATIONTOTHETRANSISTORTOCONTROLITSONORNOTACHIEVED,SOASTOCONTROLTHECOREMCUTOGENERATEINTERRUPT,IMPLEMENTATIONALARMFUNCTIONKEYWORDAT89C51INFRAREDDIODEDS18B20目录第1章概述111课题背景112恒温控制系统与防盗系统发展的概况1第2章方案的论证221设计任务及基本要求222方案及原理3221对于恒温控制的设计方案3231对于防盗控制系统设计方案4第3章主要元件器件的介绍631数字温度传感器DS18B206311DS18B20的特性6312外形和内部结构7313工作原理832驱动芯片74LS244833单片机AT89C519331基本结构9332单片机外观与引脚9333控制信号或与其他电源复用的引脚10334存储器结构12335单片机最小项系统电路1234热释电红外传感器的结构原理14341PIR的原理特性1635液晶显示电路（LCD12864）16351LCD12864基本特性17352LCD12864并行接口管脚图18353LCD12864控制器接口信号说明19354LCD12864的基本指令集1936BISS0001工作原理2137步进电机原理23371工作原理24372脉冲信号的产生27第4章系统的硬件设计2841总体设计方案2842红外防盗功能的实现29421放大电路的设计29422时钟电路的设计29433复位电路的设计30444发光二极管报警电路的设计31455声音报警电路的设计3143系统硬件电路的选择及说明32第5章系统的软件设计3351系统总程序流程图33511主程序工作流程图3352恒温功能的电路实现35521DS18B20温度采集实现程序3553显示子程序的设置36531数据转换子程序36532动态显示子程序37533温度控制执行子程序39534按键功能程序的设置4154软件的程序实现41总结42致谢43参考文献44附录1防盗与恒温系统设计原理图45附录2防盗与恒温系统程序清单46第1章概述11课题背景随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的舒适性和安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，人们为了拥有一个更舒适的生活环境，往往需要室内拥有一个合理的温度，可结合升温和降温设备，有效的应用到实际生活中。而且又不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。12恒温控制系统与防盗系统发展的概况温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件热释电红外传感器。这种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，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。第2章方案的论证21设计任务及基本要求1系统设计的基本要求该设计包括恒温控制和防盗控制两部分，模块划分为数据采集、键盘控制、报警等模块子函数。红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路。LED控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。终端由中央处理器。输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部门组成。（1）系统可实现功能。当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来，当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限开关送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。（2）红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点其一是能有效判断是否有人员进入其二是劲可能大地增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。2课题内容其工作量本设计从实际应用出发选取了体积小，精度相对高的数字式温度传感器元件DS18B20作为温度采集器，单片AT89C51作为主控芯片，液晶显示屏1602作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。在防盗控制系统方面，利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理，以热释电红外线为数据采集部件，经过比较放大之后，输入单片机进行数据判断及处理。当检测到有被测物体进入测量范围时，系统自动发出声光报警信号，等待一段延时时间后自动消除报警信号，并可手动解除报警信号。并把采集到的数据传输给计算机统一处理。22方案及原理221对于恒温控制的设计方案方案一利用单片机实现恒温控制利用单片机实现温度恒定的控制，系统主要包括现场温度的采集、实时温度显示。加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和控制核心AT89C51单片机作为微处理器。温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机，单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊奇偶那个值算法计算出实时控制量。以此控制量控制场效应管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。在温度达到设定的目标温度后，由于冷却温度降低，单片机通过检测到的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制开启加热片。方案二利用PLC实现恒温控制这用恒温控制，采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全段加热的自控式方式，来达到温度的恒定。智能型点偶温度表置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。对于方案一，采用单片机实现恒温控制，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，对于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常实用的。采用高精度的温度传感器数字温度传感器DS18B20这种数字温度传感器是DALLS公司生产的单总线。在这种前提下通过单片机对偏差进行模糊控制运算，对调节加热可达到控制温度恒定。对于方案二，采用的PLC实现恒温控制，由于其PLC成本高且PLC外围系统配置复杂，不利于我们的设计。由于数字调节和运算量大，相反对于AT89C51单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。综合以上意见，本设计采用单片机来实现文的的控制。231对于防盗控制系统设计方案方案一利用热释电红外线传感器实现防盗控制热释电红外线传感器（PYROELECTRICINFRAREDRADIALSENSOR）是由一种高热电系数的材料，制成的探测元件。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。由于人体辐射的红外线中心波长为910UM，而探测元件的波长灵敏度在0220UM范围内几乎稳定不变。而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710UM，正好适合于人体红外辐射的探测，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线的器件。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461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。方案二利用震动传感器实现防盗控制振动传感器（VIBRATIONTRANSDUCER）是将振动信号（加速度、速度及位移）转换成电信号的装置，振动传感器在测试技术中是最关键部件之一，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。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做为振动传感器的输入量M，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N，最后由机电变换部分再将N变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。在防盗系统中常用的是机械式振动传感器和压电式振动传感器。由于方案一本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。所以选择方案一。由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件和模块的选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。第3章主要元件器件的介绍31数字温度传感器DS18B20DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式温度范围为55125，可编程为912位A/D转换精度，测温分辨率可达00625被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出其工作电源即可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生多个DS18B20可以并联到3根或2根在线，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。311DS18B20的特性DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为05度。可选更小的封装方式，更宽的电压使用范围，分辨率的设定，及用户的设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的特性是新一代产品中最好的性能价格比也非常出色DS18B20的主要特性1适应电压范围更宽，电压范围3055V，在寄生电源方式下可由数据线供电。2独特的单线界面方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。3DB18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三在线，实现组网多点测温。4DB18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。5温度范围55度125度，在1085度时精度为05度。6可编程的分辨率为912位，对应的可分辨率温度分别为05度，025度和00625度，可实现高精度测温在9位分辨率时最多在9375MS内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750MS内把温度值转换成数字，速度更快。7测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传输CPU，同时可传送CRC校检码，具有极强的抗干扰纠错能力。8负压特性电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。312外形和内部结构DB18B20内部结构主要由四部分组成64位ROM，温度传感器，非挥发温度报警触发器TH和TL，配置寄存器，DB18B20的外形及管脚排列如下图图31DB18B20管脚图DB18B20引脚定义1DQ为数字信号输入/输出端2GND为电源地3VDD为外接电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）313工作原理低温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的存储器和控制器64位ROM和电线借口高速缓存存储器8位CR生成器温度灵敏元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器电源检测信号作为减法计数器2的脉冲输入，还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后计数，进而完成温度测量。计数门得开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55度所对应的基数分别置入减法技术器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在55度所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温系数晶振产生上网脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测的温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。32驱动芯片74LS24474LS244为3态8位缓冲器，一般用于总线驱动器。74LS244没有锁存的功能。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。8066/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线即传输数据又传输地址。当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。锁存器是一个很普通的时序电路。一般的，它在时钟上升沿或者下降沿来的时候锁存输入，然后产生输出，在其他的时候输出都不跟随输入变化，这就是所谓边缘出发的D触发器。当然也有电平触发的D触发器，具体使用哪种，得看你使用得总线配置。33单片机AT89C51331基本结构为使基于单片机控制的红外线遥控系统在实际使用中方便快捷，并且具有较高的性能比，所以对该系统的元器件做了精心挑选。按在实际工作中的作用，可分为以下几个部分AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他木块来完成各种复杂的操作红外线一体化接受头负责接受命令芯片DS1302负责时钟的运行及设置参数的存储。AT89C51是山ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。其主要特点为采用FLASH存储器技术，降低了制造成本其软件、硬件与MCS51完全兼容，且采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，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。332单片机外观与引脚AT89C51有很宽的工作电源电压，可为276V，当工作在3V时，电流相当于6V工作是的1/4。AT89C51工作于15HZ时，动态电流为55MA，空闲态为1MA，掉电状态仅为20MA。这样小的功耗很适合与电池供电的小型控制系统。AT89C51具有以下几个特点AT89C51与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容片内有4K字节在线可复杂编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围0HZ24MHZ；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；俩个十六位定时器/计数器；五个中断源，两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。图32AT89C51结构图333控制信号或与其他电源复用的引脚口线P0，P1，P2，P3共四个八位口。P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。P1口是专门供用户使用得1/0口，是准双向口。P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户V0口线使用，P2口也是准双向口。P3口是双功能口，该口得每一位均可独立地定义为第一I/0功能或第二I/0功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口得第二功能如表31所示表31P3口第二功能端口引脚各个功能P30RXD串行口输入端P31TXD（串行口输出端）P32/INT0（外部中断0输入端，低电平有效）P33/INT1（外部中断1输入端，低电平有效）P34（定时器/数器0计数脉冲输入端）P35（定时器/数器1计数脉冲输入端）P36（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P37（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）RST复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR地址8EH上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在FLASH编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在FLASH编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。334存储器结构MCS51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为2000HFFFFH。数据存储器AT89S52有256字节片内数据存储器。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV0A0H,DATA使用间接寻址方式访问高128字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。335单片机最小项系统电路3351最小项电路设计1复位电路考虑到设计要求，本设计中的复位电路集手动复位及上电自动复位于一体。（1）上电自动复位是通过外部复位电路的电容C3的充电来实现的，这样只要电源VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位。（2）按键手动复位是通过使复位端经电阻与VCC接通而实现的。图33单片机最小系统图34热释电红外传感器的结构原理热释电效应自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（273），总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。假定物体发射红外辐射的峰值波长为M，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长M与物体温度T的乘积。这一乘积为一常数，即MT29983000（MK）。物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，受到红外辐射后其温度会升高，这种现象称为红外辐射的热效应。通常,电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的，即自由电子和原子核组成的。在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然保留下来，这种现象被称为自发极化。自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡。这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，如图1所示。因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为零。因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。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。它能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。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路2。本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如图34示,在VCC电源端利用C1和R2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，R1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。图34热释电红外传感器原理图热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104M，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。341PIR的原理特性热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，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。人体辐射的红外线中心波长为910UM，而探测元件的波长灵敏度在0220UM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710UM，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。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。35液晶显示电路（LCD12864）图35液晶显示电路原理图351LCD12864基本特性1低电源电压（VDD3055V）2显示分辨率12864点3内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字简繁体可选4内置128个168点阵字符52MHZ时钟频率6显示方式STN、半透、正显7驱动方式1/32DUTY，1/5BIAS8视角方向6点9背光方式侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/1010通讯方式串行、并口可选11内置DCDC转换电路，无需外加负压12无需片选信号，简化软件设计13工作温度055,存储温度2060352LCD12864并行接口管脚图表32LCD12864并行接口管脚图管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC305V电源正3V0对比度（亮度）调整4RSCS）H/LRS“H”,表示DB7DB0为显示数据RS“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/WSIDH/LR/W“H”,E“H”,数据被读到DB7DB0R/W“L”,E“HL”,DB7DB0的数据被写到IR或DR6ENSCLKH/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH8位或4位并口方式，L串口方式（见注释1）16NC空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2）18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（5V）（见注释3）20KVSS背光源负端（见注释3）注释1如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平，也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。注释2模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。注释3如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。353LCD12864控制器接口信号说明1、RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式表33控制界面的4种模式RSR/W功能说明LLMPU写指令到指令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLMPU写入数据到数据暂存器（DR）HHMPU从数据暂存器（DR）中读出数据2、EN信号表34EN信号EN状态执行动作结果高低I/O缓冲DR配合/W进行写数据或指令高DRI/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低高无动作3忙标志位BF的作用BF标志提供内部工作情况BF1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数据BF0时,模块为准备状态,随时可接受外部指令和数据利用读指令,可以将BF读到DB7总线,从而检验模块之工作状态354LCD12864的基本指令集表35LCD12864的基本指令指指令码功能令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示0000000001将DDRAM填满“20H“,并且设定DDRAM的地址计数器AC到“00H“地址归位000000001X设定DDRAM的地址计数器AC到“00H“,并且将游标移到开头原点位置这个指令不改变DDRAM的内容显示状态开/关0000001DCBD1整体显示ONC1游标ONB1游标位置反白允许进入点设定00000001I/DS指定在数据的读取与写入时,设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或显示移位控制000001S/CR/LXX设定游标的移动与显示的移位控制位这个指令不改变DDRAM的内容功能设定00001DLXREXXDL0/14/8位数据RE1扩充指令操作RE0基本指令操作设定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定CGRAM地址设定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0设定DDRAM地址（显示位址）第一行80H87H第二行90H97H读取忙标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取忙标志BF可以确认内部动作是否完成,同时可以读出地址计数器AC的值写数据到RAM10数据将数据D7D0写入到内部的RAMDDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM读出RAM的值11数据从内部RAM读取数据D7D0DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM355LCD12864显示地址的选取规则FYD128640402B每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。FYD128640402B内部提供1282字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。三种不同字符/字型的选择编码范围为00000006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0HF7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。字符显示RAM在液晶模块中的地址80H9FH。字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系如下表所示。表36字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域对应关系80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH36BISS0001工作原理BISS0001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。以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。不可重复触发工作方式下的波形首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM05VDD后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号VS。由于VH07VDD、VL03VDD，所以，当VDD5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VCVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在TX时间内任何V2的变化都被忽略，直至TX时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当TX时间结束时，VO下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期TI。在TI时间内，任何V2的变化都不能使VO跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。1不可重复触发工作方式以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明工作过程。图37BISS0001不可重复触发工作方式以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在VC“0”、A“0”期间，信号VS不能触发VO为有效状态。在VC“1”、A“1”时，VS可重复触发VO为有效状态，并可促使VO在TX周期内一直保持有效状态。在TX时间内，只要VS发生上跳变，则VO将从VS上跳变时刻起继续延长一个TX周期；若VS保持为“1”状态，则VO一直保持有效状态；若VS保持为“0”状态，则在TX周期结束后VO恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间TI时间内，任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。2可重复触发工作方式以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明工作过程。图38BISS0001可重复触发工作方式当热释电红外传感器接收到人体红外辐射后输出检测信号，然后由14脚输入BISS0001,经地内部电路处理，由2脚输出探测信号（正向脉冲信号）。输出脉冲信号的宽度由外接电阻R9和电容C6来决定。当2脚输出控制脉冲后，电子开关被接通，数字编码电路和无线电发射电路由于得到电源而开始工作。电源变压器为5W/15V，E为12V免维护蓄电池，供停电使用。S1为锁控电源开关，可根据需要安装在适当处所，用来接通工作电源，无必要时可取消设置。SCR采用1A的单向可控硅。HFC9301为软封装发声电路，发声为“嘀、嘀”声。电路的调试主要是主机与各分机之间的统调。将发射电路和接收电路组装好后，先将发射机中C10的调至适当位置后固定不动，接着调整接收机中的C1，使接收机能收到发射机发出的信号。若为“一对多”或“多对一”报警系统，应先将主机“一”（可以是发射机，也可以是接收机）调好固定，然后调整各分机，使其与主机统调。37步进电机原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差精度为100的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。371工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。1感应子式步进电机工作原理反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。（1）结构电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）。（2）旋转如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（1/3）2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用AABBBCCCAA这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出电机定子上有M相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/M,2/MM1/M,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。（3）力矩电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（D/D）成正比其磁通量BRSBR为磁密，S为导磁面积F与LDBR成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径BRNI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩力半径力矩与电机有效体积安匝数磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2感应子式步进电机（1）特点感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如四相，八相运行（AABBBCCCDDDAA）完全可以采用二相八拍运行方式不难发现其条件为C,D一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。（2）分类感应子式步进电机以相数可分为二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为42BYGBYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3步进电机的静态指标术语相数产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用M表示。拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用N表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB，四相八拍运行方式即AABBBCCCDDDAA步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。360度（转子齿数J运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为360度/（504）18度（俗称整步），八拍运行时步距角为360度/（508）09度（俗称半步）。定位转矩电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。4步进电机动态指标及术语（1）步距角精度步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示误差/步距角100。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5之内，八拍运行时应在15以内。（2）失步电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。（3）失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。（4）最大空载起动频率电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。（5）最大空载的运行频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。（6）运行矩频特性电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。372脉冲信号的产生步进电动机的通电换相顺序严格安照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这过程称为脉冲分配。三相六拍步进电机工作方式通电换相的正序是AABBBCCCA；反序为ACACBCBAB；共有八个通电状态P1口输出控制信号，0表示绕子通电，1表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通电状态。这六个字如表37所示表37控制字A11006HAB10008HB10109HBC00101HC01103HCA01002H第4章系统的硬件设计41总体设计方案本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。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、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、