基于单片机应用系统的报警电路仿真设计-毕业论文.doc

学号20100602050140 密级 公开 兰州城市学院本科毕业论文基于单片机应用系统的报警电路仿真设计学 院 名 称：培黎工程技术学院专 业 名 称：电子信息科学与技术学 生 姓 名： 指 导 教 师： 二一四年五月IBACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYThe Design and Simulation of College：School of Bailie Engineering & Technology Subject：Electronic Information Science and Technology Name： Zhang Jian Qiang Directed by： Shi Rui May 2014V郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要基于社会安全保障的需要，电子报警这门综合技术的正在不断的发展。与此同时，红外技术已成为先进科学技术的重要组成部分，由于红外线是不可见光，因此用它进行红外探测监控，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜都可以使用，而且其抗干扰能力强。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。本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、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、红外探头电路、驱动执行报警电路、LED控制电路等部分组成。处理器采用51系列单片机AT89C51，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、人体探测等领域中，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。 关键词：单片机；红外传感器；数据采集；报警电路ABSTRACT Keywords: 目 录第1章 绪 论11.1报警系统的概述11.2单片机简单介绍11.3本文研究的内容2第2章 总体设计思路32.1系统总框架32.2 具体电路模块设计42.2.1 热释电红外传感器原理42.2.2 放大电路的设计42.2.3 时钟电路的设计52.2.4 复位电路的设计52.2.5 发光二极管报警电路的设计62.2.6 声音报警电路的设计62.3 系统硬件电路的选择及说明62.4 软件的程序实现72.4.1 主程序工作流程图72.4.2 中断服务程序工作流程图7第3章 仿真测试93.1仿真平台介绍93.2 仿真实现的目标10结 论11致 谢12参考文献13附 录15第1章 绪 论1.1报警系统的概述 防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。 防盗报警系统通常由探测器（又称防盗报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。（1）报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。（2）报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。（3）报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。 1.2单片机简单介绍单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要应用于智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统2。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用3。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。单片机的特点：有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；单片机的系统扩展和系统配置都比较典型4。本论文采用的MCS-51单片机是51单片机的一类。MCS-51系列单片机采用两种半导体工艺生产，一种是HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺；另外一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺。芯片型号中带有“C”的，均为CHMOS工艺芯片，其特点是功耗低。另外，87C51还带有两级程序存储器保密系统，可防止非法复制程序5。因为51单片机的功能强大，本论文采用AT89C51单片机。它的中断功能比较强，有5个中断源，即外部中断2个，定时器中断2个，串行中断1个，有2个中断优先级。中断控制电路主要包括用于中断控制的四个寄存器：定时器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器SCON，中断允许控制寄存器IE，中断优先级控制寄存器IP等。内部时钟振荡器，全双工方式的串行接口（UART），两极中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。哈佛结构的存储器组织，支持高达64K为单周期指令，支持六种寻址方式。最高时钟振荡频率可达12MHZ，大部分指令执行时间为1µs，乘、除指令为4µs。1.3本文研究的内容本文是单片机应用系统中的报警电路分析与设计，主要研究报警系统。首先我将报警系统做以简单介绍：报警系统是报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，由电子和机械部件组成的装置，是防盗报警系统的关键，而传感器又是报警探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置因为报警器在当今社会已经几乎深入到很多方面，本文对报警器的系统工作原理及硬件设计和软件设计做了一一论述。第2章 总体设计思路2.1系统总框架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、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：热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图2总体设计框图所示： AT89C51复位电路信号检测电路报警执行电路LED发光显示放大驱动驱动图2总体设计框图 处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警4。2.2 具体电路模块设计2.2.1 热释电红外传感器原理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3所示, 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3 热释电红外传感器原理图2.2.2 放大电路的设计如图4所示为最基本的放大电路，Vi是输入电压信号，Vo是输出放大的电压信号。图4 放大电路图2.2.3 时钟电路的设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us5。如图5所示为时钟电路。图5 时钟电路图2.2.4 复位电路的设计复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机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。例如使用晶振频率为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6示为复位电路。图6 复位电路图2.2.5 发光二极管报警电路的设计由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚，外接VCC，当单片机的RXD引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，起到报警作用。图7所示为发光二极管报警电路。图7 发光二极管报警电路图2.2.6 声音报警电路的设计如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路，如图8示为声音报警电路。图8 声音报警电路图2.3 系统硬件电路的选择及说明从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89C51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位电路等。其中D1是正常工作指示灯，D2D5是起报警指示作用，当RXD脚被置低电平时，D2D5亮红灯开始报警，同样，TXD脚置高电平时声音报警电路开始工作。电路设有2个按键，S1键作为模拟盗窃信号输入键, S2键作为作为电路复位键。2.4 软件的程序实现2.4.1 主程序工作流程图系统初始化声光报警结束检测外部有无信号输入声光报警是否持续10秒开始启动声光报警电路开始报警是否还有检测信号等待下次报警结束YNNYYN图9 主程序工作流程图2.4.2 中断服务程序工作流程图本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图10所示中断源发出中断申请关中断、保护现场INTO端有输入信号关闭报警恢复现场、开中断中断返回图10 中断服务程序工作流程图第3章 仿真测试3.1仿真平台介绍单片机的仿真平台常用的有keil和proteus两种18。keilC51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具uVision2，uVision2全是Windows界面。uVision2是keilC51的集成开发环境，通常称作keilC51的调试器。它具有对C51代码进行编辑编译，与库和其他目标程序进行连接，以及调试、仿真，最后生成HEX文件的功能19。Proteus软件是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行与Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件忽然集成电路。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件20。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计21。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。该软件的特点：全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。3.2 仿真实现的目标本设计通过利用Proteus仿真，将所编写的程序用Keil软件编译，所仿真原理图见附录1图所示。由于在proteus软件中没有专门用作红外线发射与接收的器件，所以在仿真电路图中以开关代替红外器件，其原理和效果是一致的。本设计所要求达到的目标：（1）在正常工作情况下，电源指示灯绿灯亮。（2）在接收到开关S1带来的低电平信号，可使图中的绿灯由亮变暗，红灯产生报警，可观察到红灯亮一直亮产生报警信号。并且报警喇叭一直响，持续10秒后红灯灭，喇叭停止报警，电源指示灯绿灯亮。（3）在报警过程中，外部中断开关S2可使警报解除。结 论本设计研究了一种基于单片机技术的无线智能防盗报警器。该防盗报警器通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移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。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的快速发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。在利用proteus软件仿真过程中，出现了很多的问题，初次接触这个软件，一点都不熟悉，很多知识都是用的时候在网上找的，或者查资料得出的。对于器件库中的元件的性能不熟悉，不如说是最常用的电容器就有好多种，并不了解我们需要的是哪一个，而且电容的种类那么多，很难一次性选择正确。再者就是本图中所用的三极管放大器，由于是从单片机的输出端来导通三极管，所以也要选择功率很小的器件，这样单片机才能驱动。这一点也是慢慢领悟出来的。仿真图画好之后，虽然整体看起来线条连接都很可靠，但是有的地方还是“接触不良”，所以还要认真排查，解决问题。电路图画好之后就是装入程序进行仿真。我们的程序也有一些问题，开始时中断程序似乎不起作用，然后查了很多资料，找老师帮忙，最终问题还是解决了。用Keil软件编译好程序后载入，满足设计的要求，我们小组充分感受到团队合作重要性和自主克服困难的喜悦。致 谢弹指一挥间，4年已逝,我即将完成在母校的学习生活。我在这一次毕业的设计过程中，很是受益匪浅。要谢谢石老师的督促和指导。通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对毕业设计的思考及书面表达能力，最终完成了。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，它使我运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。首先感谢我的指导老师石蕊老师，这篇论文正是在她的细心指导下，才得以顺利完成。在毕业设计期间，石老师严谨的治学态度、渊博的理论和实践知识、和对我的指导关心，使我终生难忘。借此机会，我想表达对石老师最诚挚的谢意!此外，还要谢谢计算机与电子工程系所有老师在我求学期间对我的指导和帮助，让我懂得以正确的态度面对学习和生活中的困难。正是他们诲人不倦的崇高品质，使我打下了坚实的知识基础。参考文献1 2 谭浩强主编 MCS-51单片机应用教程M 清华大学出版社，2005：24-463 孙涵芳，等单片机原理及应用M北京航空航天大学出版社，1990：33-414 余锡存，曹国华编著 单片机原理及接口技术（第二版）M西安电子科技大学出版社，1993：123-1295 李华，等MCS-51系列单片机实用接口技术M北京航空航天大学出版社，1993：67-726 蔡美琴，等MCS-51系列单片机系统及应用M高等教育出版社，1993：55-597 陈大钦主编模拟电子技术基础（第二版）M 高等教育出版社 8 阎石主编数字电子技术基础（第五版）M 高等教育出版社 9 吕建平，梅进军主编 电子线路CADM北京大学出版社，2006：123-12810 秦世才，等模拟电路基础M南开大学出版社，1998-6-1：69-7511 阎石，等数字电子技术基础（第五版）M高等教育出版社，2006：89-9312 马忠梅，等单片机的C语言应用程序设计M北京航空航天大学出版社，2007：112-12313 张伟，张杰 单片机原理及应用（第二版）M机械工业出版社，2007：99-10114 彭伟主编 单片机C语言程序设计实训100例M电子工业出版社，2009：27-1915 李传军 单片机原理及应用。郑州：河南科学技术出版社M,2006：33-3716 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