【基于单片机的安防系统的硬件和软件系统的设计案例6300字】

基于单片机的安防系统的硬件和软件系统的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11882基于单片机的安防系统的硬件和软件系统的设计案例 115895第1章系统的硬件设计 1320191.1总体电路设计 1202321.2主控电路设计 25847第2章系统的软件设计 1455582.1软件介绍 1473772.2系统主程序流程图 14122932.3按键程序流程图 1786532.4ADC0832程序流程图 1870372.5DS18B20程序流程图 19第1章系统的硬件设计1.1总体电路设计总体电路设计可分为主控电路、烟雾探测模块电路、液晶显示模块电路、声光报警提示模块电路、温度采集模块电路、按键模块电路、射频卡模块电路、继电器模块电路八个板块组成，各板块间配合实现以下功能：系统通过烟雾探测和温度采集功能检测当前环境的烟雾值和温度值，并显示在液晶显示屏上，液晶显示屏共显示实时烟雾值、温度值和预设烟雾上限值和温度上限值四组数据。当检测到环境实时烟雾值超过预设上限值时，蜂鸣器会响起蜂鸣声警报，黄色LED灯常亮示警，继电器吸合，模拟排烟。当检测到环境实时温度值超过预设上限值时，蜂鸣器同样会响起蜂鸣声警报，红色LED灯常亮示警。当检测到环境实时烟雾值和温度值均超过预设上限值时，此时判断火灾发生，蜂鸣器响起蜂鸣声警报，黄色和红色LED灯同时亮起示警，继电器吸合，模拟洒水。射频电路检测到射频卡信号后根据能否识别闪烁相应频率的黄色指示灯，并设置两个按键实现射频卡的注册和注销。如图1.1所示：图1.1总体电路1.2主控电路设计STC89C52是\t"/item/STC89C52/_blank"STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程\t"/item/STC89C52/_blank"Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得\t"/item/STC89C52/_blank"芯片具有传统的51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位\t"/item/STC89C52/_blank"CPU 和在系统可\t"/item/STC89C52/_blank"编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C51引脚介绍，如图1.2所示：①电源引脚（2根）VCC：芯片电源，接入＋5V电源GND：接地端②时钟引脚（2根）XTAL1：晶体振荡电路反相输入端XTAL2：晶体振荡电路反相输出端③控制引脚（4根）RST/VPD：复位引脚，复位信号输入端/备用电源ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲PSEN：外ROM读选通信号EA/VPP：内外ROM选择/片内EPROM编程电源④可编程I/O线（32根）P0口：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P3口还具有第二个功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。图1.1STC89C52DIP封装图1.3烟雾探测电路设计如图1.7所示，烟雾检测电路由MQ-2电路模块和ADC0832电路模块两部分构成，由MQ-2烟雾传感器实时监测环境烟雾后生成模拟量信号传递给ADC0832转换芯片，在由ADC0832转换成数字量信号传递给单片机。MQ-2烟雾传感器一共有6个引脚，1-3号引脚接VCC端电源正极，5号引脚可直接接地，这里串联了一个5.1欧姆的保护电阻。4号引脚和6号引脚外接了一个470欧姆的电阻后再接地起到串联分压的作用，中间节点与ADC0832转换芯片的2号引脚连接，ADC0832转换芯片总共有8个引脚，4号和8号引脚分别接地和电源正极。图1.2烟雾检测电路1.1.1MQ-2介绍MQ系列传感器使用的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，传感器加热后，在不同气体浓度中电导率不同。使用简单的电路就可以将电导率的变化转换成与该气体浓度相对应的信号输出，是被广泛应用的低成本传感器。MQ-2烟雾传感器具备以下特点：MQ-2传感器属于二氧化锡半导体材料制作，具备稳定的R阻值，即在纯净空气环境下阻抗稳定，所以抗干扰能力强，稳定性高，响应时间短。使用单电源进行供电，MQ-2烟雾传感器功耗仅在0.7W左右。在实际检测气体时灵敏度高，信噪比满足需求。如图1.3所示，是元件外形结构图，基座采用耐高温酚醛塑料压制，引脚为镀镍铜丝，上罩采用双层密纹不锈钢网压制，有较高的强度和防爆能力。加热器为烟雾传感器使用时提供了加热条件，否则工作性能不稳定。MQ-2型烟雾传感器一共有6个引脚，其中4个引脚的功能是作为信号取出存在，另外两个为加热提供电流。图1.3MQ-2型元件外形结构图如图1.4所示是测试MQ-2型烟雾传感器在不同通电时间下的特性曲线。由测试结果可以得出，当MQ-2型烟雾传感器通电时间在一分钟以后，元件处于稳定待测工作状态。图1.4MQ-2通电特性曲线1.1.2ADC0832介绍ADC0832是\t"/item/ADC0832/_blank"美国国家半导体公司生产的一种8

\t"/item/ADC0832/_blank"位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可使我们了解\t"/item/ADC0832/_blank"A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832封端以及各端子如图1.5所示：图1.5ADC0832封端以及各端子芯片接口说明如下：CS_片选使能，低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。1.4液晶显示电路设计液晶显示电路如图1.6所示，液晶显示电路选择LCD1602作为液晶显示电子元件，LCD1602，有16个引脚，特别注意3号引脚串联了一对1K欧姆和10K欧姆的电阻，作用是串联分压调节屏幕灰度。1602液晶也被称为1602字符型液晶，是以显示行数和每行字节数来命名的液晶模块。02代表模块显示行数为2行，16代表每行显示16个字符数字，1602液晶作为市面上最常用的电子元件之一，日常生活中的万年历的显示屏、电子手表的显示屏和计算器上都能看到他的身影。选择LCD1602A作为本项目设计的显示模块主要考量到在实际应用中有以下几个优点：LCD1602A显示质量高。液晶模块任一点接收到传来的信号后就会恒定发光，始终保持显示的色彩和亮度。和阴极射线管类型的显示模块相比，不需要不断刷新亮点，不会闪烁，减少使用者用眼疲劳。LCD1602A电磁辐射少。普通显示器在显示材料上使用荧光粉，且为了保证散热效果使内部电路尽可能与空气接触，这些都会产生强大电磁辐射并使内部电路产生的电磁波外泄。而液晶模块本身并不会产生辐射，内部电路产生的少量电磁波被封闭在模块内。LCD1602A可视面积大。相比阴极射线管显示器，液晶模块不存在边框。LCD1602A体积小，质量轻。液晶模块不需要射线管，减小了整体体积和质量。LCD1602A是数字接口。不需要信号转换直接输出会使色彩和定位更加完美。图1.6液晶显示电路（1）引脚说明：引脚号1：引脚名VSS，作用是电源地引脚号2：引脚名VCC，作用是接+5V电源引脚号3：引脚名VL，作用是液晶显示器对比度的调整端。引脚号4：引脚名RS，作用是进行高电平1时数据寄存器或者低电平时0时指令寄存器的选择。引脚号5：引脚名R/W，作用是进行高电平1时读或者低电平时0时写的选择。引脚号6：引脚名E，作用是使能端，高电平时读取信息，负跳变时执行指令。引脚号7-14：引脚名D0-D7，作用是8位双向数据端。引脚号15：引脚名BLA，作用是背光源正极。引脚号16：引脚名BLK，作用是背光源负极。（2）指令说明指令序号1：指令码01H，清显示，将光标复位到00H地址。指令序号2：将光标复位返回到00H地址。指令序号3：进行光标和显示模式的设置。I/D：高电平光标移动方向右移，低电平光标移动方向左移。S：高电平表示所有文字左移或右移有效，低电平表示左右移无效。指令序号4：整体显示和光标显示、闪烁开关。D：高电平表示整体为开显示，低电平表示整体为关显示。C：高电平表示光标为开显示，低电平表示光标为关显示。B：高电平表示光标闪烁，低电平表示光标不闪烁。指令序号5：S/C表示高电平显示文字移动/低电平时光标移动。指令序号6：功能设置。DL：高电平和低电平时分别是4位总线和8位总线。N：高电平和低电平时分别是双行显示和单行显示。F：高电平和低电平分别显示5*10和5*7的点阵字符。指令序号7：对字符发生器的RAM地址进行设置。指令序号8：DDRAM地址设置。指令序号9：BF代表忙标志位，进行忙标志或地址的读取。高电平表示忙，低电平表示不忙，当忙时模块不接收命令和数据。指令序号10：写数据到GGRAM或DDRAM。指令序号11：从GGRAM或DDRAM中读取数据。1.5声光报警提示电路设计声光报警提示电路由灯光提示电路和声音报警电路两部分组成。共同实现检测到环境实时烟雾值超过预设上限值时，蜂鸣器响起蜂鸣声警报，黄色LED灯常亮示警；检测到环境实时温度值超过预设上限值时，蜂鸣器响起蜂鸣声警报，红色LED灯常亮示警；检测到环境实时烟雾值和温度值均超过预设上限值时，蜂鸣器响起蜂鸣声警报，黄色和红色LED灯同时亮起示警功能。1.5.1灯光提示电路如图所示1.7，灯光提示电路由2.2K欧姆分压电阻与红色LED灯串联，1K欧姆分压电阻与黄色LED灯串联，两条LED灯线路并联组成。由电路右端接入电源正极，左端连接单片机I/O口，当单片机I/O口输出低电平时，电路连通，LED灯亮起。因为LED灯的供电电压为3V，所以此处要串联分压电阻，且由于红色LED灯与黄色LED灯的电量电流不一样，红色LED灯的点亮电流更小，所以分压电阻阻值更大，黄色LED灯的点亮电流更大，所以分压电阻阻值更小。图1.7灯光提示电路1.5.2声音报警电路如图1.8所示，声音报警电路的设计利用了三极管在饱和态和截止态两种工作状态的开关作用，上端接入电源正极，下端接地，电路设计的元件包括2.2k欧姆的电阻，起到限流作用，当单片机I/O接口输入低电平时经过限流电阻，三极管就会导通，电流从电源经过蜂鸣器、三极管后接地，蜂鸣器就会发出蜂鸣警报。图1.8声音报警电路1.6温度采集电路设计如图1.9所示，温度采集电路采用DS18B20数字温度传感器作为温度采集电子元件，1号引脚接地，3号引脚接电源正极，2号引脚与单片机I/O接口连接，当检测当前环境温度后直接向单片机传递数字信号。图1.8温度采集电路1.6.1DS18B20概述计算机发展至今，处理信息的速度已经非常快了，极大地提高了人们的工作效率和生活质量，满足人们的工作需求。但无论是大型计算机，还是单片机最小系统，都只能接收和处理数字信号，对温度、湿度、压力、烟雾等模拟量信号的接收处理十分麻烦，以本设计的烟雾模块为例，需要由MQ-2和ADC0832共同完成对烟雾值的测量和转换，先对环境烟雾进行检测生成模拟量信号后在对模拟量信号进行转换才能得到可被识别的数字信号。而DS18B20数字温度传感器检测温度后可直接输出数字信号，不需要转化芯片对信号进行处理就可以直接被单片机接收识别，这样设计出来的系统电路简单，节约了设计转化芯片的成本和体积。DS18B20凭借体积小，价格优，适用电压更广、设计电路简单，稳定性强，型号齐全，可根据应用场合改变外观、对温度变化敏感测量温度准确等优点被广大单片机爱好者和公司认可和选择。DS18B20的性能特点如下：接口采用单总线方式，即使在恶劣的环境下也能方便使用。（2）具备-55～+125℃的广泛测量范围，当前测量范围在-10℃～+85℃的时候，测量存在的误差会稳定在0.5℃以内。（3）不需要在引脚上接入其他外围元件就能正常工作。（4）可以实现多点测温。（5）只要满足一定要求，内部寄生电路可以依赖数据线电源维系功能运作，减少了对外部电源的依赖，使电路设计更加简单，使用起来更加方便可靠。（6）可根据自己的实际应用配置测量参数。（7）DS18B20对元件进行保护，即使在电源极性接反的情况下，元器件会温度升高甚至停止工作，但在其保护作用下元件不会因此而损坏，及时更正即可。1.6.2DS18B20引脚介绍如图所示1.12，DS18B20常用型号有3脚和8脚等，其中各引脚含义如下：UDD(VCC)：接入外部+5V电源。I/O(DQ)：与单片机连接，用于信号输入/输出。GND：电源地端。NC：空脚图1.9DS18B20引脚图1.6.3DS18B20的内部结构如图所示1.13，为DS18B20的内部结构图。DS18B20内部结构分为：64位ROM、配置寄存器、温度传感器、TH(温度上限报警触发器)和TL（温度下限报警触发器）四部分组成。图1.10DS18B20内部结构图1.7按键电路设计按键电路可以分为矩阵式按键和独立按键两种方案进行设计，矩阵式按键的特点是与I/O口连接少，但程序设计复杂，在复杂使用环境中稳定性差，不符合本系统设计初衷。所以我们采用了独立按键方式设计电路，这样按键之间互不干扰，在类似火灾等极端环境下有较强的稳定性。如图所示1.11，其工作原理是当按键被按下或按起时，此时按键电路被接通或者断开，单片机I/O口的电平会相继发生改变，系统根据是否有检测到电平变化判断按键状态。在按键电路设计中另一个需要考虑的问题是：当按键按下时，最初按键在弹性作用下连接并不稳定，当按键被再次按起时，也不会在第一时间断开连接，这种现象在专业领域内被称为按键抖动。由于不同的按键根据其不同的特性抖动时间也是不一样的，一般在10~20ms之间。在本系统中通过设置程序达到消抖目的，当系统检测到单片机I/O口高低电平之间发生转换时，延时20ms再次读取单片机I/O口电平情况，若在20ms以后电平读取与上一次读取结果相同，则判断按键状态确实发生改变，系统执行相应操作。若在20ms以后电平读取与上一次读取结果不同，则视为干扰信号不作处理。图1.11按键电路图1.8射频电路设计如图1.12所示，射频电路设计选用的是MFRC522非接触式通信高集成度读写卡芯片，具备低电压、低成本、体积小等优点。电路设计时，由于MFRC522模块的供电电压必须为1.3V，所以在接电源正极的时候设置了两个电容起到稳定电压的作用。射频感应模块一共有8个引脚，各引脚名称及功能：引脚1：VCC，接电源正极。引脚2：RST，复位。引脚3：GND，接地端。引脚4：空脚引脚5：MISO，主输入从输出端。引脚6：MOSI，主输出从输入端。引脚7：SCK，时钟信号。引脚8：SDK，数据输入端。图1.12射频电路图第2章系统的软件设计在单片机的项目开发过程中，除了硬件的焊接和仿真图设计外，程序的设计同样十分重要，如果将硬件比做载体，程序就赋予其灵魂，只有在程序的驱动下才能使单片机实现设计的功能，同时，巧妙的程序可以简化我们对单片机的操作，使系统使用更加方便快捷。单片机的编程语言使用C语言设计，其具有很强的功能性、结构性和可移植性，是非常实用的编程语言。2.1软件介绍KeilC51是美国KeilSoftware公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，\t"/item/keil%20c51/_blank"C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个\t"/item/keil%20c51/_blank"集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。2.2系统主程序流程图如图2.1所示：当系统开启后进入主函数，主函数分别对温度传感器、RC552射频模块、EEPROM、液晶屏进行初始化，然后程序会分别读取烟雾值和温度值，并扫描按键函数和读卡函数，判断其工作状态，当未检测到工作状态时，程序会重新执行读取和扫描操