基于51单片机的设计

PAGE1基于51单片机的设计——震动报警器设计【摘要】在本文里，探讨了几种较为普遍的安全报警系统以及它们的实际应用。在这里，设计了一个相对实用的振动报警装置。提出了两种不同的设计思路：一是纯电路式，二是基于单片机式。本文的核心是围绕基于单片机的振动报警器，对单片机的发展和用途进行了概述，并详细描述了电路和程序的设计技巧。希望能够实现在检测到振动的情况下发出警报的效果。这套系统的电路设计既简洁又易于实施，所设计的振动报警器特别适合家庭使用作为报警工具。这个报警设备拥有低误报率以及安装和配置的便捷性等优势。该技术的工作原理是，利用震动传感器将震动信号转化为电压信号，然后通过LM393电压比较器进行处理，最终输出电平信号。单片机会根据接收到的信号来触发报警输出，并通过数字管来显示信号所覆盖的特定区域。这款报警器在家庭防盗、仓库防盗等多个防盗场景中都有广泛的应用，它不仅实用性高，而且在市场上具有很好的发展潜力。【关键词】震动报警，单片机，防盗系统目录1绪论 51.1安防报警系统简介 51.1.1电路防盗报警器 51.1.2工农业生产用报警器 51.1.3日常生活用报警器 52硬件电路的设计 52.1震动报警器的硬件组成 52.2家居防盗报警器的硬件设计 62.2.1震动采集电路设计 62.2.2控制、显示电路设计 63软件的设计 93.1keil应用 93.2AltiumDesigner应用及特点 103.3程序流程图 104系统分析与调试 11结论 11参考文献 12附录1原理图 12附录2仿真图 12附录3源程序 13致谢 171绪论自改革开放政策实施以来，科技的广泛应用显著提升了人们的生活质量和文化修养，然而，这也带来了一些社会不稳定的因素，这些因素进一步加强了人们对安全问题的认识和意识。随着安全防护技术的持续发展，各种安全防护设备的种类也逐渐增多。在众多的安防设备中，安防报警系统是最为普遍的一种，该系统能够自动发出警报，警示人们事件的发生。1.1安防报警系统简介根据不同的环境需求进行分类，安防报警系统主要可以被划分为电路防盗报警和机动车专用报警器等几大类，具体类型如下所示：1.1.1电路防盗报警器电路防盗报警又能细分成更多类型，例如断线式防盗报警器、感应式防盗报警器、红外线反射式防盗报警器、触摸式防盗报警器、无线防盗报警器、振动式防盗报警器等多种报警器都属于防盗报警电路。这批报警电路设计得相对简洁，主要依赖电路来发出警报，而且实用性比较普遍。1.1.2工农业生产用报警器在各种工业应用场景中，最普遍使用的恐怕就是含有有毒物质的超限报警装置了。例如，矿井里存在的瓦斯气体超出限制的报警设备等。该设备具有实时监测矿井内瓦斯气体浓度的能力，并能在瓦斯浓度即将超出标准或可能面临危险的情况下立即发出警报，以便提醒工作人员尽快撤离。在农业实践中，特别是在大棚内的生产活动中，保持适当的温度和湿度是至关重要的。这种报警器能够实时监测大棚内的空气湿度和温度，并在温度过低或过高的情况下发出警告，以指导人们采取适当的应对措施。1.1.3日常生活用报警器报警器在我们的日常生活中的使用已经变得非常普遍，除了常见的水开报警器和禁止吸烟报警器，还经常可以看到视力保护报警器的身影。这款报警器已被广泛地集成在台灯内部，其功能是通过检测一定区域内是否有物体进入来判断人们是否与书籍的距离过近。一旦感知到这种情况，系统会立即发出警告，提醒大家要关注自己的视觉状况。2硬件电路的设计2.1震动报警器的硬件组成家庭防盗报警装置主要由震动开关传感器和中央控制单元等多个组件构成。图1展示了其框架图。图1震动报警器的组成框图2.2家居防盗报警器的硬件设计图2展示了利用振动传感器来探测门窗振动现象的基本原理。传感器利用比较器LM393将其电压与预设的电压进行对比，一旦检测到振动，它会发出相应的信号。这一信号由单片机捕获，并被应用于报警电路的控制。图2原理框图2.2.1震动采集电路设计震动检测部分原理图如下图：2.2.2控制、显示电路设计STC89C52单片机作为主要的中央处理系统，是一款微型计算机，它成功地将中央处理器CPU、数据存储器RAM等关键组件融合到一个集成电路芯片中。（一）STC89C52主要功能、性能参数如下：（1）该设备配备了内置标准51内核，其中增强型的机器周期为6个时钟周期，而普通型的机器周期为12个时钟周期。（2）工作频率范围：相当于普通8051的0~80MHZ，为0~40MHZ。STC89C51RC的Flash空间为4KB。（4）RAM的内部存储容量为256B。（5）计时器\计数器：包括3个16位；一组通用异步通信口（UART）；。（7）中断来源：共有8个。（8）该系统支持ISP（系统可编程）和IAP（应用可编程），无需使用专门的编程器或仿真器。（9）通用输入/输出口：32个或36个。（10）电源电压范围：3.8至5.5伏。（11）外观包装：包括40针的PDIP、44针的PLCC和PQFP等不同封装形式。（二）STC89C52单片机的引脚说明：VCC：电源电压。GND：地线。P0口是一个拥有8位漏极开路的双向I/O口设计，每一个引脚都能承载8个TTL门的电流。当P1口的引脚首次被写入1时，它被定义为高阻输入。P0接口不仅适用于外部程序的数据存储，还可以被定义为数据或地址的第八个位置。当执行FIASH编程任务时，P0口被选为原码的输入接口。在进行FIASH校验的过程中，P0接口会输出原码，因此P0接口的外部必须维持高电平状态。P1口：P1口是一个8位的双向I/O口，其内部装有上拉电阻，而P1口的缓冲器可以接受输出的4TTL门电流。当P1口的管脚被写入1之后，它会被内部拉伸至更高的位置作为输入；而当P1口被外部拉伸至低电平时，它会输出电流，这主要是因为其内部被拉伸。在进行FLASH编程和校验的过程中，P1口被定位为接收的第八位地址。P2口：P2口是一个8位双向I/O口，配备了内部的上拉电阻。P2口缓冲器具有接收并输出四个TTL门电流的能力。当P2口被输入到“1”字时，其引脚会被内部的上拉电阻拉高，并被用作输入。在作为输入的情况下，P2口的引脚会被外界拉低，进而产生输出电流。这种情况是因为内部的拉扯造成的。当P2口被用于访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口将会输出地址的高达八位。当提供地址“1”的时候，该设备充分利用了其内部的上拉功能，在读取和写入外部的八位地址数据存储器时，P2接口会输出其独特功能寄存器的数据。在FLASH编程和校验过程中，P2口能够接收到高达八位的地址信号以及控制信号。P3口：P3口管脚由8个带有内部上拉电阻的双向I/O口组成，能够接受并输出4个TTL门的电流。当P3口输入“1”时，它们会被内部拉伸成高电平，并作为输入。当作为输入时，由于外部的下拉是低电平的，P3口会输出电流（ILL），这是因为上拉的原因。当I/O口被用作输入口时，存在两种不同的操作模式，也就是通常所说的读端口和读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有在读取端口的过程中，外部的数据才会被真实地输入到内部总线中。在上述图示中，两个三角形象征着输入缓冲器，CPU会根据各种不同的指令来发送读取端口或者读取引脚信号，以便执行各种不同的操作。这一流程完全由硬件自动执行，无需过于担忧。在开始读引脚的操作前，必须先完成若干步骤，否则可能会遭遇读取上的失误。请参考上述图示，如果端口没有被配置为1，那么端口锁存器的原始状态有可能是0Q，同时Q的编码也有可能是1。当这个补码被添加到场效应管的栅极时，信号会变为1，这导致场效应管与地面相连，从而展现出低阻抗的特性。在这种情况下，尽管引脚上输入的信号是1，但由于端口的阻抗较低，输入的信号会降低，这意味着外部输入的1信号在读入后可能并不完全是1。在首先执行置1操作的情况下，可以直接将场效应管的截止引脚信号加入到三态缓冲器中，以确保正确的读入。因为在进行输入操作的过程中，还需要额外的预备步骤，这种I/O接口因此被命名为准双向接口。在作为输入的情况下，STC89C51的P0/P1/P2/P3接口也表现为准双向接口。RST：重新设置输入。在对振荡器复位器件进行操作时，需要确保RST脚在两个不同的机器周期内保持高电平运行时间。ALE/PROG：当需要访问外部存储设备时，地址锁存所允许的输出电平被用来锁定地址的位置字节。在FLASH编程的过程中，这个引脚被用来输入编程的脉冲信号。通常情况下，ALE端会以恒定的频率周期输出正脉冲信号，这个频率是振荡器频率的1/6。因此，它既可以作为外部输出的脉冲信号，也可以用于时间设定的目的。但是，值得注意的是，每次作为外部数据存储设备使用时，都会跳过一个ALE脉冲。如果你希望禁止ALE的输出，你可以在SFR8EH地址上设置0。在这种情况下，ALE仅在执行MOVX和MOVC指令时，ALE才会发挥其功能。此外，这个引脚稍微被抬高了一些。如果微处理器的外部执行状态ALE被禁用，那么其置位功能将会失效。/PSEN：外部程序的存储设备发出的选通信号。在外部程序存储器进行取值的过程中，每台机器的运行周期为两次/PSEN。然而，当需要访问外部的数据存储设备时，这两个有效的/PSEN信号将不会被触发。/EA/VPP：在/EA维持低电压的情况下，外部程序存储器（0000H-FFFFH）将在这段时间内运行，不论是否存在内置的程序存储器。当使用加密方法1时，/EA将其内部设置为RESET；在/EA端电压维持在高水平时，这段时间内有内置的程序存储设备。在FLASH编程的过程中，这个引脚也被用来为12V编程电源（VPP）提供支持。XTAL1负责接收反向振荡放大器的输入信号以及内部时钟工作电路的输入数据。XTAL2:其输出来自反向震荡器。(1)时钟电路STC89C51单片机产生时钟信号通常有两种方法：一是采用内部时钟，二是采用外部时钟。图2-4展示了内部时钟是如何生成的。STC89C51单片机内部配备了一个振荡电路，用户只需将石英晶体（也称为晶振）与单片机的XTAL1和XTAL2引脚连接，便能构建出自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中展示的电容C1和C2主要用于保持稳定的频率和快速的起振，电容的推荐取值范围是5~30pF，而最常用的值则是30pF。晶振CYS的振动频率可以在1.2~12MHz的区间内进行选择，其中12MHz和6MHz是其常用的频率范围。图4STC89C51内部时钟电路(2)复位电路在STC89C51的RST管脚收到高电平，并且在两个机器循环后，将进行复位。为达到重置的目的，一般有两种方法：上电自复位法和按钮法。该方法采用了外置回路中的电容进行充电和放电，在VCC上升时间小于1毫秒的情况下，上电后自动重置。除了通过电源进行复位之外，有时还需要手动按下按钮来复位。这个设计的特点是使用按键进行手动重置。手动重置按键有两种模式：电平模式和脉冲模式。电平的复位是通过RST接口与电源Vcc进行连接来完成的。关于按键的手动复位电路，请参考图2-5。时钟的频率为11.0592MHZ，其中C频率为10uF，R频率为10kΩ。图5STC89C51复位电路（四）STC89C51中断技术概述在进行实时的监视和管理时，采取了中断的方法。单片功能必须能够对中断请求的业务请求做出迅速和及时的响应。当一个中断请求的来源发出中断请求时，该单片机会立即停止当前正在运行的主机，然后运行一个中断服务处理器来处理这个中断服务请求。一旦中断服务处理器处理完中断服务的请求，单片机便会返回到之前被中断的程序所在的位置（断点），并继续运行主程序。如图（c）所示，显示电路利用单片机控制数码管的高低电平，实现了由共阳数码管显示的功能。常见的七段显示器分为共阳极显示器和共阴极显示器，它们的结构如下图所示，其中共阳极显示器的发光二极管阳极连接在一起，而共阴极显示器的阴极连接在一起。这台显示器由八个LED构成，其中七个LED（a~g）负责控制七个笔画（段）的亮度和亮度，而另一个LED则负责调节小数点的亮度和暗度。这款七段显示屏虽然能展示的字符数量有限，且字符的起始部分可能会出现失真，但其操作简便，使用起来也相当便捷。（a）外形（b）共阳极(C)共阴极图6数码管引脚在侦测到人员的情况下，该设计在布防状态下会激活报警电路。当蜂鸣器发出声响作为警告时，LED也会随之点亮。只有在主人按下撤防按钮的时候，警报声才会停止。这个设计中的控制引脚是与P1.2引脚相连接的。利用三极管作为切换电路，不仅可以为单片机提供保护，还能有效地放大电流。在三极管的基极处于高电平时，发射极会被切断；而在低电平时，发射极则会导通。图16展示了报警模块的示意图。图7声光报警模块3软件的设计3.1keil应用KeilC51是由美国KeilSoftware公司推出的一款51系列软件，该系统与单片机的C语言软件开发系统高度兼容，具有易于学习和使用的特点。值得注意的是，只需浏览一下编译完成后的汇编代码，就可以明显感受到KeilC51生成的目标代码具有极高的效率。下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。Keil_c软件界面如图：图16Keil_c软件界面3.2AltiumDesigner应用及特点AltiumDesigner是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，具备电路原理图设计、印制电路板设计等多项任务的能力，以下是其显著特性：可以生成超过30种不同格式的电气连接网络表。具备强大的整体编辑功能；。如果在原理图中选择了一级器件，那么在PCB中也将会选择相同的器件。可以同时打开原理图和PCB图，使得在这两个图之间可以进行双向交叉查找元器件、引脚以及网络、为了确保电气原理图与PCB在设计过程中的一致性，既可以进行从原理图到PCB的正向标注，也可以进行从PCB到原理图的反向标注；达到了国际化的设计标准；*这是一个用户友好的数字与模拟的混合仿真工具；支持使用CUPL编程语言和原理图来设计PLD，并生成标准的JED下载文件；PCB有能力设计32层信号层、16层电源-地层以及16层机械加工层；具备智能化的覆铜功能，并且能够自动重新铺设；提供了众多的工业标准电路板作为设计的模板。3.3程序流程图图9主程序流程图图10按键输入流程图4系统分析与调试该设计方案是在KeilC软件环境中进行开发的，并且使用起来相当便捷。在对KeilC进行基础学习和了解之后，完成了KeilC的编译，然后利用STC_ISP_V480软件将其烧录到开发板上，从而实现了实物与程序之间的连接。在进行烧录之前，需要对STC_ISP_V480做一些调整。第一步：将MCUType设置为STC89C51RC；第二步：启动已经编写并编译完成的程序文件，该文件以.hex作为其后缀；第三步：挑选相应的COM接口；第四步：首先点击Download/下载按钮，然后等待相关提示。当为MCU供电时，只需打开开关板上的一个开关，它便会自动进行烧录。图11程序烧录运行图在程序调试和烧录完成之后，有必要对其功能进行全面测试。首先，利用万用表来检测电源与地线是否存在短路情况，接着对整个设计进行通电处理。一开始，需要对主控板进行测试，因为它是关键组件。请按下按钮，检查数码管的显示是否正常。在显示为“b”的情况下，系统应持续显示30秒。当“b”消失后，按下“sos”按钮以检查是否会触发报警。当系统发出警报时，这意味着系统处于基本的正常状态，接着按下“c”键进行撤防操作。在确认按键操作正常之后，开始对人体的感应功能进行检测。在按下布放键之后，你可以将设计安置在一个无人的位置上。在“b”消失之后，人体感应模块会感应到人体，因此主控机应当展示“一”。。结论经过这次的毕业设计课程，笔者对单片机和电路制图等领域的知识有了更为深入的认识和巩固。经过大量资料的查阅和搜集，以及深入的计算和分析，最终成功地完成了设计。经过本次研究，对报警器的生产过程也获得了更深入的认识。从获得关键指标开始，依次进行设计原理图、PCB图等工作。在处理需要调试验证的电路问题时，必须首先确保连接流畅，并仔细核查是否存在虚焊或漏焊的情况。在通电前，还需要对数据进行测量，以确认电路的安全性。这一设计方案是一种防盗报警系统，其核心功能在于当人体探测器侦测到异常情况时，会将这些信号传送至主机。主机负责处理这些信号，并将其传递给报警器以发出警报，同时也能准确显示出出现警情的具体地点。这一次的设计让我意识到了自己存在的诸多不足，也让我认识到还有很多方面需要进一步提升。参考文献[1]康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，1988.[2]刘迎春.MCS-51单片机原理及应用教程[M].北京:清华大学出版社，1996.[3]阎石.数字电路技术基础[M].北京:高等教育出版社,1998.[4]刘琰,李辉，顾亮.射频识别技术软硬件系统研制[J].电子技术，2004,14(3):29.[5]陈星.无线通信集成电路与单片无线收发集成电路及无线数据通信IC高级技术[M].北京:北京电子科技出版社,2006.[6]赵利，郑英兰.数字电子技术[M].北京:冶金工业出版社,2009附录附录1原理图附录2仿真图附录3源程序#include<reg52.h>#defineucunsignedchar#defineuiunsignedint#defineNixietube_datP2uccodeDis_Data[]={0x81,0xCF,0x92,0x86,0xCC,0xA4,0xA0,0x8F,0x80,0x84,0x88,0xE0,0xB1,0xC2,0xB0,0xB8,0xff,0xfe};//0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,b,C,d,E,F,全灭0xfe是横杠sbitSOS = P1^0;//布防sbitbufang = P1^1;//报警按键sbitchefang= P1^2;//撤防sbitbaojing= P1^6;//蜂鸣器sbitflag=P3^3;bitflag_2=0;bitbdataflag1;//flag布防标志，flag1布防倒计时标志uct,t1; //定时器专用变量voiddelay(uix) //延时函数1ms{ uii,j; for(i=0;i<x;i++) for(j=0;j<110;j++);} voidkongzhi() //控制函数{ if((bufang==0)&&(flag==0)) //在报警等待时按下布防键 { delay(10); if((bufang==0)&&(flag==0)) { baojing=1; flag_2=1; flag1=0; t=0; t1=0; //清零计时器 TR0=1; //打开计时器 P2=0xE0; //显示字母b } } if((flag==0)&&(SOS==0)