单片机原理及接口技术课程设计..doc

摘 要随着社会的不断进步和科学技术的不断发展，人们生活水平显著提高，对家庭私有财产的保护意识在不断的增强，因而对居家防盗措施提出了新的要求。基于社会安全保障的需要，防盗报警技术发展迅速。防盗报警系统利用单片机控制技术，自动探测发生在布防区内的侵入行为，产生报警信号，一旦发生突发事件，就会向人们发出报警提示，从而让人即使采取应对措施。本系统采用了门磁传感器和振动传感器，这是一种目前广泛应用的报警检测传感器，被大量应用到家庭及商场外围防盗系统上，其具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点，因此，在工程力学、生物学医、石油勘探等许多技术领域中获得了广泛的应用。该报警器的制作简单、成本低、安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管。理。本设计包括硬件和软件设计两个部分。硬件部分包括单片机控制电路、振动传感电路、驱动执行报警电路、复位电路等部分组成。处理器采用51系列单片机89C51，整个系统是在系统软件控制下工作的。因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗等领域中，振动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。关键词：家用；防盗报警；门磁；振荡目 录第1章 绪论11.1 家用防盗报警器概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计22.1 家用防盗报警器总体设计方案22.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展42.4 复位电路设计42.5 时钟电路设计52.6 CPU最小系统图6第3章 家用防盗报警器输入输出接口电路设计73.1 家用防盗报警器传感器的选择73.2 家用防盗报警器检测接口电路设计83.3 家用防盗报警器输出接口电路设计93.4 人机对话接口电路设计10第4章 家用防盗报警器软件设计124.1 软件实现功能综述124.2 流程图设计124.2.1 主程序流程图设计124.2.2 家用防盗报警器流程图设计124.3 程序清单14第5章 课程设计总结17参考文献18第1章 绪论1.1 家用防盗报警器概况随着人们生活水平的不断提高，对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足家庭住宅防盗的需要而设计的家用防盗报警器系统。就目前市面上装备主要有红外防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。而本设计中所使用的门磁传感器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。这种传感器能以非接触形式检测出门之间的电流信号的停断，并将其转变为电压信号。同时振动传感器具有响应频带宽、灵敏度高结构简单、工作可靠等优点，也进入了此次设计范畴之中。门磁报警器一般采用省电设计，当门窗被打开的瞬间，立即发射1秒左右的无线报警信号，然后自行停止，当感应到永磁体分离时,就触发门磁传感器报警，振动报警器对轻微振动非常敏感,振动频率越高的物体辐射出的能量越强,当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时,就触发报警。这两种传感器的结合能够有效的防止盗窃事件的发生，有着高度的可靠性。1.2 本文研究内容本次课程设计旨在设计一种安全可靠的家庭用防盗报警器，其设计主要包括硬件设计和软件设计，其主要实现的目标有以下几点：硬件系统的设计包括以下几点：1.CPU的最小系统设计，包括CPU的选择，防盗报警器的晶振电路和复位电路的选择与设计；2.门磁传感器和振动传感器选择及与89C51单片机的接口电路设计；3.防盗报警器的报警电路及消音电路设计。软件系统的设计包括下面两点：1.编写程序流程图，正确表达该报警器的每个流程环节是如何工作和联系的；2.编写一段程序来验证该报警器的方案简单可行，能满足此次设计要求。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：门磁传感器、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。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。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，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：门磁报警电路、振动报警电路、时钟电路、单片机、复位电路组成；它们之间的构成框图如图2.1所示：图2.1 家庭报警器总体设计方案图AT89C51单片机作为整个报警器的核心，负责处理底层子模块传递的信号，并将处理后的信号传至各个子程序模块中，同时担负着时钟信号的处理和复位信号的处理等任务。信号检测电路由门磁传感器和振动传感器，和A/D转换器组成，门磁传感器负责传递门开时产生的报警信号，振动传感器负责传递门或窗户产生一定幅度的震动声波产生的电信号。两个信号共同作用，将报警信号传递至A/D转换器中，转换成数字信号送入信号检测电路中，再由信号检测电路将传递来的电信号及时送达至89C51单片机中进行处理。人机接口电路是通过键盘和89C51单片机相连，其主要目的是确认报警的具体时间和地点，同时还有消除报警信号的作用。时钟电路的主要用来产生单片机工作所产生的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟和外部时钟。复位电路主要用于89C51单片机的报警后复位，使之重新回到初始状态，保证报警系统的运行正常。2.2 CPU的选择本次家用报警器的设计采用89C51单片机作为系统的CPU。89C51是面向八位的CPU。它的价格低廉，工作可靠，另外扩展功能也很强，89C51采用电擦除和电写入，擦写方便，保密性能好，因此作为此次设计的首选CPU。89C51有40个引脚，其中点原因较VSS是接地端，VCC是电源端接+5V电源，外界晶体引脚XTAL1h和XTAL2接时钟电路，RST是复位信号输入端，在此引脚上出现两个时钟周期以上的高电平就能让单片机有效复位。P0口接地址锁存器，接6264的A0至A7，P2口接6264的A8至A12，是片内片外ROM选择端，是外部ROM的读选通信号，是读允许信号，是写允许信号，它们分别与6264的读允许线和写允许线相连。引脚结构图如图2.2所示： 图2.2 89C51 引脚结构图2.3 数据存储器扩展89C51片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存储器远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部存储器。89C51最多可以扩展64KB RAM。常用的数据存储器有静态数据存储器RAM和动态数据存储器，由于在实际应用中，需要扩展的容量不大，所以一般采用静态RAM SRAM6264。扩展图如图2.3所示： 图2.3 程序存储器扩展图 2.4 复位电路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，单片机的复位电路非常重要。89C51单片机的复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图2.4所示为复位电路。 图2.4 单片机的复位电路2.5 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所产生的时钟信号。内部时钟和外部时钟是其时钟信号产生的两种方式。89C51工作时，是在统一的时钟脉冲下一拍一拍的进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路产生的。本次报警器的设计采用内部时钟方式，89C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是磁放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL两端跨接晶体或陶瓷振荡器，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，此次报警器的设计，两个电容值取30pF，晶振频率取12MHz，时钟电路原理图如图2.5所示，XTAL1和XTAL2端与89C51相连。图2.5 时钟电路原理图2.6 CPU最小系统图根据上文所述，将CPU、数据存储器扩展、时钟电路和复位电路综合起来构成完整的CPU最小系统图，如图2.6所示：图2.6 CPU最小系统图第3章 家用防盗报警器输入输出接口电路设计3.1 家用防盗报警器传感器的选择本次家庭防盗报警器的设计用到了两种传感器：门磁传感器和振动传感器。下面简要的对这两种传感器进行介绍。门磁报警器广泛在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库等众多领域门窗安装使用。当用来监控门的开关状态，当门不管何种原因被打开后，门磁传感器立即发射电信号向主机报警。门磁传感器一般采用省电设计，当门关闭时它不发射报警信号，此时耗电只有几微安，当门被打开的瞬间，立即发射1秒左右的无线报警信号，然后自行停止，这时就算门一直打开也不会再发射了，这是为了防止发射机连续发射造成内部电池电量耗尽而影响报警，门磁传感器还设计有电池低电压检测电路，当电池的电压低于8伏时，下方的发光二极管就会点亮，这时需要立即更换报警器专用电池，否则会影响报警的可靠性。 门磁传感器一般安装在门内侧的上方，主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接，定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内。当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体位置的变化。其精细结构是较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场，较大的是门磁主体，它内部有一个常开型的干簧管，当永磁体和干簧管靠得很近时，无线门磁传感器处于工作守候状态，当永磁体离开干簧管一定距离后，无线门磁传感器立即发射包含地址编码和自身识别码的高频无线电信号，接收板就是通过识别这个电信号的地址码来判断是否是同一个报警系统的，然后根据自身识别码确定是哪一个无线门磁报警。另外，本次设计还应用到了振动传感器。振动传感器是一种目前广泛应用的报警传感器，被大量应用到家庭防盗系统上，其具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。因此，在工程力学、生物医学等许多技术领域中获得了广泛的应用。振动传感器在此次设计的关键部件之一，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。因此它也可以说是一种机电转换装置。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，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，最后由机电变换部分再将变换为电量。 一般来说，振动传感器由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。在现代振动测量中所用的传感器，仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。本次设计采用的的振动传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比然后将电信号输给指示仪表或记录器。3.2 家用防盗报警器检测接口电路设计A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号，并将其转换为数字信号送入计算机的过程。因此完成数据采集应具备下述基本条件：模拟多路转换开关和信号调节电路，采样/持电路，A/D转换器，通道模拟电路。前向通道中，被测物理量经传感器转换为电信号，而每一种传感器都有与其配套的接口电路，接口电路再将这一电信号转换成电压信号。多路转换开关用来完成多模拟信号的切换，信号调节则是将模拟微弱信号转换成满足A/D转换器所需要的电平信号。为了减少动态数据采集的孔径误差，必须加上采样/持电路。因此，数据采集电路的设计不仅仅限于A/D转换芯片的接口设计，还必须得考虑传感器到CPU的全过程。根据本次设计要求，选择MAX197作为本次课设的A/D转换器。数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。MAX197是具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。 MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式0中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔，即开始A/D转换。在外部采样模式1中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，MAX197停止采样，开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。内部采样模式的数据转换时序对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。完全可以满足此次设计任务的要求。MAX197的外部引脚图如图3.1所示：图3.1 AX197外部引脚图3.3 家用防盗报警器输出接口电路设计单片机控制系统的开关信号，往往是通过芯片给出的低压电流如TTL电平信号，这种电平信号一般不能驱动外设，而需要经接口转换后才能驱动外设；许多外设在开关控制过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不价格里可能会串到测控系统中，造成系统误动作或破坏，因此在接口技术中还应包括隔离技术。继电气控制方式的开关量输出，是目前最常用的一种输出方式，一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统输出到输出驱动级之间的第一级机构，通过第一级机构的输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。图3.3 继电器控制的开关量输出图继电器输出也可应用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端和输出端有一定的隔离作用。但由于采用电离吸合方式，在开关瞬间容易产生电火花而产生干扰，对交流高压等场合使用，触点也容易氧化，由于驱动器驱动线圈上有一定的电感，在管段瞬间也会产生较高的反压，因此在对继电器的驱动电路上常常反接一个续流二极管来用于放电。继电器控制的开关量输出如图3.3所示。3.4 人机对话接口电路设计在报警器的设计中，为了控制其运行状态，需要向系统中输入一些命令和数据，因此应用系统中应设有键盘，这些键包括数字键、功能键和控制组合键等。这些按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。在编制键盘控制程序时应考虑的问题有很多，比如说监测按键是否按下，去抖处理，散转指令要求等等。根据此次设计，选用独立式按键结构。独立式按键结构是指直接用I/O线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O线，每根I/O线的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态，它的配置灵活，软件结构简单，应用也很广泛。独立式按键如图3.4所示。图3.4 独立式按键电路本次报警器的设计中还包括显示器的设计。在单片机应用系统中，常用的显示器包括LED和LCD两种。这两种显示器都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便等特点。根据设计要求，本次设计采用8位LED显示器。LED显示块是由发光二极管显示的显示器件，也称为数码管，在单片机应用系统中通常使用的是7段LED。这种显示字块有共阴极和共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地，共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接电源。，在单片机系统中常常用LED显示块构成N位LED显示器。本次报警器的设计就应用了8位LED显示器。具体图示如图3.5所示。图3.5 8位LED显示器构成原理图第4章 家用防盗报警器软件设计4.1 软件实现功能综述硬件系统作为实体，为计算机工作提供了物质基础和条件，但要使计算机有效地工作，还必须有软件系统的配合。计算机的软件系统主要包括系统软件、应用软件和程序设计语言三部分。应用系统中的应用软件是根据功能要求设计的，应可靠的实现系统的各种功能。软件系统的设计主要包括程序流程图的编写和软件程序的编写，主程序流程图主要是介绍整个系统的工作原理和工作步骤，防盗报警器的流程图主要是描述报警器报警到确认具体位置的过程。由此可见，在有了硬件连接的基础上，软件的设计也非常重要。4.2 流程图设计程序流程图是一种用规定的图形，指向线及文字说明来准确表示过程的图形，具有直观、形象、清晰的特点，能清楚地展现控制过程的逻辑结构，方便编写程序。4.2.1 主程序流程图设计主程序的功能是先进行初始化，设置初始值，然后经过系统初始化检测是否有报警事件，如果有报警事件则处理报警事件，反之则继续循环，当有报警事件是启动声光报警器报警，接下来判断是否报警1秒钟后结束，如果按下按键，则报警结束可以确定报警确切方位，如果不选择报警结束，则继续检测是否有下次报警及报警的准确地点，如果选择报警结束则转向下一次测试，即确认下一次报警的准确时间和地点，程序返回到是否有报警事件未处理这一栏，如果报警事件都被处理完毕，该程序结束。整个家庭防盗报警器的主工作流程图如图4.1所示。4.2.2 家用防盗报警器流程图设计首先系统开始扫描是否有振动信号输入，如果有振动信号输入则开始发送报警信号，如果没有振动信号输入则进行延时处理，随后进行门磁信号的检测，如果有门磁信号发送报警信号，如果没有门磁信号，则返回初始状态，如果此时发送了报警信号就把报警信号的信息输送到缓存器中，然后由机主确认报警的具体方位，并选择是否按键将报警器的信息清零，如果清零则报警电路会重新回到初始状态，并检测是否有其他的报警地点，如果有报警地点，将会按上文所述输出，如果机主选择了清零状态按键，则整个程序结束。具体的家庭报警器流程图如图4.2所示。开始系统初始化 有报警信号处理否NY启动报警器报警报警时间是否为1sY报警结束是否检测下次报警处理 Y N N结束 图4.1 家用报警器主程序流程图开始是否有振动信号Y延时处理 N 是否有门磁信号N发送报警信号 Y送控制信息到缓存器中是否按键清零 Y结束 N 图4.2 家用报警器流程图4.3 程序清单根据此次报警器的设计列出的主程序和中断程序清单如下：主程序清单： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP TINT ORG 0200HMAIN: MOV IE,#81H SETB IT0 MOV SP,#30H SETB P3.0 CLR P3.1 MOV P1,#0FFH MOV P2,#00H CLR P1.2 LP: JNB P1.0,LA LA: ACALL DELAY JNB P1.0,ALARM AJMP LPDELAY:MOV R1,0AAH LD2:MOV R2,0BBH LD1:NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RET ALARM:SETB P1.2 CPL P3.0 MOV 51H,#14H MOV TMOD,#01H MOV TL0,#0CEH MOV TH0,#0FFH SETB ET0SETB EA SETB TR0 TINT: CPL P3.1 MOV TL0,#0CEH MOV TH0,#0FFH L2: JBC TF0,L1 SJMP L2 L1: MOV TL0,#0CEH MOV TH0,#0FFH SETB P3.0 CPL P3.0 CLR P1.2 LJMP LP 外部中断INT0服务程序：INT0: CLR EX0 PUSH PSW PUSH ACC JNB P3.2,LN LN: LCALL DELAY JNB P3.2,LN1 AJMP LN2 LN1: SETB P3.0 CLR P3.1 CLR P1.2 POP ACC POP PSW SETB EX0 LN2: RETI 第5章 课程设计总结本设计研究了一种基于单片机技术的家庭防盗报警器。该防盗报警器通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接门磁和振动传感器平时传感器输出低电平，当门窗有震动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。报警器硬件部分包括单片机控制电路、振动传感电路、驱动执行报警电路、复位电路等部分组成。处理器采用51系列单片机89C51，整个系统是在系统软件控制下工作的。这次课程设计采用89C51单片机作为主程序的CPU。本次设计中应用的门磁传感器是广泛在城市小区、家庭、仓库等领域门窗安装使用。当用来监控门的开关状态，当门不管何种原因被打开后，门磁传感器立即发射电信号向主机报警。 门磁传感器一般采用省电设计，运行方便可靠。本次课程设计应用的是C70门磁报警器。它的工作流程简单，可靠耐用。振动传感器是一种目前广泛应用的报警传感器，被大量应用到家庭防盗系统上，其具有灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。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。因此它也可以说是一种机电转换装置。本次设计应用的振动传感器是LK-3301型报警器，该报警器价格低廉能与单片机配合使用，因此成为本次课程设计选择了此型号的振动传感器。软件电路完全由自己设计，包括主程序流程图和报警程序流程图在程序中也验证了该程序的可靠性。这种由AT89C51控制的家庭报警器有着很好的前景。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.44 康华光. 电子技术基础（模拟部分）高等教育出版社, 2004.5 胡志海 单片微型计算机的原理和应用 机械工业出版社，20036 何利民 单片机应用技术选编 北京航空航天大学出版社，20007 李光飞 传感器技术与应用 京航空航天大学出版社，2006