基于单片机防盗报警系统的设计论文.docx
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基于单片机防盗报警系统的设计论文
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第1章绪论3
1.1选题背景3
1.2课题介绍4
1.3本文主要工作5
1.4方案选择论证5
1.4.1单片机的选择5
1.4.２显示器工作原理及其选择6
1.4.3液晶显示和数码显示6
1.4.4防盗报警选择传感器的选择7
2.1硬件系统总体设计8
2.2AT89C51芯片的介绍9
2.2.1引脚功能9
2.2.2结构原理11
2.2.3AT89C51定时器计数器相关的控制寄存器介绍12
2.2.4MAX708芯片介绍13
2.3单片机复位设置14
2.48255A芯片介绍14
2.4.18255A的引脚和结构15
2.4.28255的工作方式16
2.4.38255的控制字18
2.5AT89C51与8255的接口电路19
2.6显示部分20
2.6.1七段显示译码器20
2.6.27448译码驱动21
2.6.3单片机与7448译码驱动器及LED的连接23
2.6.4外部地址锁存器23
第3章检测信号放大电路设计24
3.1热释红外线传感器典型电路25
3.2红外光敏二极管警灯电路26
3.2.1光敏二极管控制电路27
3.3红外线探测信号放大电路设计28
3.3.1光电耦合器驱动接口30
3.3.2集成电路运算放大器31
3.3.3精密多功能运算放大器INA10531
3.3.4低功耗、双运算放大器LM35834
第4章电源设计35
4.1单片机系统电源35
4.2检测部分电源35
5.1主程序设计37
5.2核对子程序设计38
5.3中断子程序设计38
5.4读数子程序设计39
5.5程序设计说明40
5.6程序清单41
第6章调试45
6.1安装调试45
6.2音响（和继电器）驱动线路具体连接45
6.3程序修改46
6.4程序执行过程47
结论48
参考文献49
致谢51
原理图52
第1章绪论
随着经济的发展，人们对防盗、防劫、防火保安设备的需求量大大增加。
针对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行检测和报警的系统，其需求也越来越高。
本设计运用单片机技术设计了一新颖红外线防盗报警器。
而本设计中的输入部分主要是各种各样的传感器。
不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为；不同作用的传感器，也可检测出不同类型的情况。
本章节主要介绍了本设计的选题背景、课题介绍、本文主要工作、方案论证。
1.1选题背景
单片机现在已越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等很多领域，可以说单片机的应用已渗透到人类的生活、工作的每一个角落，这说明它和我们每个人的工作、生活密切相关，也说明我们每个人都有可能和有机会利用单片机去改造你身边的仪器、产品、工作与生活环境。
红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，他在各领域都得到广泛的应用。
由于他是不可见光，因此用他做防盗报警监控器，具有良好的隐蔽性，白天黑夜均可使用，而且抗干扰能力强。
这种监控报警装置广泛应用与博物馆、单位要害部门和家庭的防护[1]。
通常红外线发射电路都是采用脉冲调制式。
红外接收电路首先将接收到的红外光转换为电信号，并进行放大和解调出用于无线发射电路的调制信号。
当无人遮挡红外光时，锁相环输出低电平，报警处于监控状态；一旦有人闯入便遮挡了红外光，则锁相环失锁，输出高电平，驱动继电器接通无线发射电路，监控室便可接收到无线报警信号，并可区分报警地点[2]。
当我们考虑的范围广一点：
若是在小区每一住户内安装防盗报警装置。
当住户家中无人时，可把家庭内的防盗报警系统设置为布防状态，当窃贼闯入时，报警系统自动发出警报并向小区安保中心报警[3]。
周界报警系统：
在小区的围墙上设置主动红外对射式探测器，防止罪犯由围墙翻入小区作案，保证小区内居民的生活安全[4]。
有的防盗报警系统还连有上位机。
将探测器发回的现场信号按防区的类型与主机的工作状态（布防、撤防）作出逻辑判断，进而发出报警[5,6]。
一个防盗系统的功能主要体现在报警主机的功能上。
1.2课题介绍
本设计是利用单片机对防盗报警系统进行控制，系统要求能对16个以上的监测点进行自动监测。
是以单片机为核心构成防盗报警系统，以完成用户键盘输入，数码（可汉字液晶）显示、故障状态指示为主，完成报警检测，若有报警事故发生，可向外界发出声光报警信号。
系统基本框图如下所示:
单片机防盗报警系统主要用于宾馆、仓库、居民楼等场所，它能对受监测点进行自动监测。
一旦出现盗情，由单片机接收有效信号，并发出报警命令，即进行声光报警，并指示被盗地点，提醒有关人员进行有关措施。
该防盗报警系统具有结构简单、可靠性高、成本低等优点。
若更换其他的传感器，该系统还可以用于火灾报警、煤气泄漏等报警。
1.3本文主要工作
在设计之前首先工对本课题作广大的市场调研工作，进行分析、对比、总结，再进行方案选择论证。
具体到设计时,又分硬件设计和软件设计，硬件设计主要分两大部分：
单片机部分和检测部分。
软件设计分主程序设计和中断子程序设计。
在完成正文部分后，主要工作就是要进行调试，为了实现设计预计现象，软件和硬件都要作必要的修改。
1.4方案选择论证
1.4.1单片机的选择
本设计采用低功耗，高性能的89C51单片机,北京集成电路设计中心推出的BIATu89C51的单片机。
是一种低功耗，高性能的含有4K字节快檫写可编程檫除只读存储器（EEPORM）的8位CMOS单片机，时钟频率高达24MHZ，与8031的指令系统和引脚完全兼容。
芯片上的EEPROM允许在线（＋5V）电檫除，点写入或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。
此外，BIATu89C51还支持由软件选择的二种掉电工作方式。
非常适用于电池供电或其他要求低供耗场合。
由于芯片内的4Ｋ程序存储器可在线或用编程器重复编程，受到了应用设计者的欢迎，并得到较为广泛的应用。
1.4.２显示器工作原理及其选择
点亮显示器有静态和动态两种方法。
所谓静态显示就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二级管恒定地导通或截止，例如7段显示器a,b,c,d,e,f导通,g截止，显示0。
这种显示方式每一位都需要有一个8位输出口控制，静态显示时，较小的电流可以得到较高的亮度且字符不闪烁，所以可以采用8255A的输出口直接驱动。
在单片机串行口方式0应用中，也是采用静态显示方法。
当显示器位数较少时采用静态显示的方法是适合的。
当位数较多是，用静态显示所需IO口太多，一般采用动态显示方法。
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必须保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
显示的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间有关。
调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示的位数不大于8位，则控制显示器公共位只需要一个IO口（称为扫描口），控制显示器的各位所显示的字型也需一个8位口（称为段数据口），为了防止闪烁，显示的时间在1～2ms。
1.4.3液晶显示和数码显示
LED是一种离子注入型全固体半导体发光器件，它的电压低，正好与TTL电路匹配，发光效率高，寿命最长，是目前仪表数字显示的主体。
LCD是低电压驱动，极微小功耗，与CMOS功耗电路可直接匹配，是LSI的孪生兄弟，此外其极薄的扁平结构立刻眼在极亮的环境光下使用，以及信息容量大，生产容易等等，都充分显示了它的优越性能。
但是液晶显示一个最大的缺点，是工作温度范围较窄，特别是低湿范围不够，液晶显示器不宜施加直流电压，一般来说，使用液晶显示信息，需要液晶材料或器件，相应的驱动系统和控制系统三者统一。
在本设计中只需要使用几个数字来表示被盗地点，用液晶显示就显得浪费了，而数码显示就简单便宜了。
1.4.4防盗报警选择传感器的选择
目前，用于防盗报警的传感器,市场上大多为红外线或微波类产品，分为主动式和被动式二种。
由于误报等原因本设计采用被动式探头。
它的工作原理比较简单：
发射器按一定的频率发射出脉冲式的红外波束和微波，对方的接收器则按相同的频率接收红外波束或微波。
当一发一收的频率经中心控制器判别一致时，表明波束行进的方向没有物体存在。
反之，光束行进路径上有异物遮挡，光束被反射、散射，接收器接受的信号就会丢失，从而发出报警信号。
而本设计输入部分主要是各种各样的传感器。
不同类型的探测器用不同的手段探测各种入侵行为，如人体的移动、物体的震动、玻璃的破碎和门窗的开关等，系统将所得的信号进行逻辑判断，发出警报。
常用的传感器有对射红外探测器、磁控管（门磁）、震动开关、被动红外探测器（PIR）、双鉴探测器、烟感、温感探测头等。
这些传感器不仅可以对室内的门、窗、敞开的阳台、固定玻璃、保险箱等的异常情况进行监测，而且还能对家中的火警进行监测。
在家中无人的情况下还具有探测有无物体移动的功能，以发现家中是否有偷窃等异常情况。
这些器件有效地各施其则，为控制单元传送现场的资料，提供报警控制。
本设计采用热释红外线传感器，通过探测人体特有的红外线来检测
盗情。
第2章单片机系统的硬件设计
由于该系统主要用于多点集中检测报警，故应能对受监测点进行巡回检测，为防止误报警，当检测到某点有盗请时该系统应延时再进行检测一次，若确有盗情方可报警，并用数字指示出被盗地点。
该系统的传感器可选用接触式、断开式等开关量传感器；系统终端部分选用音响报警电路及数码显示电路；其中数码显示由译码驱动器译码驱动。
本章节主要介绍单片机系统的硬件设计及其相关芯片的概述和各部分的接口电路。
2.1硬件系统总体设计
硬件结构图如图2.1所示，主机选用89C51单片机，地址锁存器选用74LS373，数码显示部分选用共阴极数码管，放大器、扬声器及多点检测电路选用8255并行IO口。
由于8255每片3个口，每个有8个点，故每片8255可监测24个房间，若需要，还可以增加8255的数量。
图2.1系统结构硬件总图
其具体电路图见附录总图。
2.2AT89C51芯片的介绍
AT89系列单片机（简称89系列单片机）是ATMEL公司的8位Flash单片机。
这个系列单片机最吸引人的特点就是在片内含有Flash存储器，因此它有着十分广泛的用途，特别是在便携式和需要特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用[18]。
●8031CPU；
●振荡电路；
●总线控制部件；
●中断控制部件；
●片内Flash存储器；
●片内RAM；
●并行IO接口；
●定时器；
●串行IO接口；
图2.2AT89C51引脚图
2.2.1引脚功能
1、IO口线,AT89C51引脚图如图2.2所示。
（1）P0口——8位、漏极开路的双向IO口。
当使用片外存储器及扩展IO口时，P0口作为低字节地址数据线复用。
P0口也可做通用IO口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。
当作为普通输入时，应将输出锁存器置1。
P0口可驱动8个TTL负载。
（2）P1口——8位、准双向IO口，具有内部上拉电阻。
P1口是为用户准备的IO双向口。
（3）P2口——8位、准双向IO口，具有内部上拉电阻。
当使用片外存储器或外扩IO口时，P2口输出高8位地址。
P2口也也可做通用IO口使用。
用做输入时，应将输出锁存器置1。
P2口可驱动4个TTL负载。
（4）P3口——8位、准双向IO口，具有内部上拉电阻。
P3口也可做通用IO口使用。
用做输入时，应将输出锁存器置1。
P3口还提供各种替代功能，如表2.1所示。
表2.1P3口替代功能
引脚
替代功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
2、控制信号线
（1）RST——复位输入信号，高电平有效。
在振荡器稳定工作时，在RST引脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。
（2）——外部程序存储器访问允许信号EA（ExternalAccessEnable）。
当信号接地时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器，地址为0000H～FFFFH；当接VCC时，对ROM的读操作从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
（3）——片外程序存储器读选通信号PSEN（ProgramStroeEnable）,低电平有效。
在片外程序存储器取址期间，当有效时，程序存储器内容被送至P0口（数据总线）；在访问外部RAM时，无效。
（4）——低字节地址锁存信号ALE（AddressLatchEnable）。
在系统扩展时，ALE下降沿将P0口输出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，以实现低字节地址和数据分时传送。
此外，ALE端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的16，可用做外部定时脉冲使用，但要注意，每次访问外RAM时要丢失一个ALE脉冲。
3、电源线
（1）VCC——电源电压输入引脚。
（2）GND——电源地。
4、外部晶振引线
（1）XTAL1——片内振荡器反向放大器和时钟发生线路的输入端。
使用片内振荡器，连接外部石英晶体和微调电容。
（2）XTAL2——片内振荡器反向放大器的输出端。
使用片内振荡器，连接外部石英晶体和微调电容。
当使用外部振荡器时，引脚XATL1接收振荡器信号，XATL2悬空。
2.2.2结构原理
AT89C51基本组成框图如图2.3所示。
下面简要说明各部分的组成及功能：
图2.3AT89C51基本组成框图
1、中央处理器
单片机的中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制操作。
中央处理器主要包括运算器和控制器。
运算器主要用来实现算术、逻辑运算和位操作。
其中包括算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、B寄存器、程序状态字PSW和两个暂存器等。
控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件。
控制器主要包括程序计数器PC（ProgramCounter）、PC增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。
其功能是控制指令读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。
2、存储器
单片机内部的存储器分别为程序存储器和数据存储器。
程序存储器主要用来存储指令代码和一些常数及表格。
程序在开发和调试成功之后就永久性地驻留在程序存储器中，在停机断电状态下代码也不会丢失。
程序存储器在操作运行过程中只读不写，因而又被称为只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）。
用随机存储器RAM（RandomAccessMemory）来存储程序运行期间的工作变量和数据，所以又被称为数据存储器。
一定容量的RAM集成在单片机内，提高了单片机的运行速度，也降低了功耗。
标准AT89单片机的程序存储器采用4KB的快速擦写存储器FlashMemory,编程和擦除完全是电气实现。
标准AT89单片机含有128*8位RAM，采用单字节地址。
实际上片内的字节地址空间是256个（00H～FFH）,其中高128字节地址（80H～FFH）被特殊功能寄存器SFR占用,用户只能使用低128字节单元（00H～7FH）来存放可读写的数据。
3、外围接口电路
CPU与外围设备的信息的交换都要通过接口电路来进行。
这主要是解决CPU的高速处理能力和外部设备低速运行之间的速度匹配问题，并可以有效地提高CPU的工作效率；同时也提高了CPU对外的驱动能力，输出接口电路具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门控制，成为接口电路的基本特征。
4、时钟振荡电路
单片机芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容都需要外接。
AT89C51的晶振频率为高为24MHz。
2.2.3AT89C51定时器计数器相关的控制寄存器介绍：
1、定时器计数器的控制寄存器TCON
2、工作方式控制寄存器TMOD
TMOD用于设定定时器计数器的工作方式，不可位寻址，只能用字节传送指令，字节地址为89H，其各位定义如下：
定时计数器1
定时计数器0
位序
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位符号
GATE
CT
M1
M0
GATE
CT
M1
M0
CT计数方式定时方式选择位。
CT=0，选择定时工作方式；CT=1，选择计数工作方式。
M1和M0工作方式选择位。
M1M0=00，选择工作方式0；M1M0=01，选择工作方式1；
M1M0=10，选择工作方式2；M1M0=11，选择工作方式3。
3、中断允许寄存器IE
4、中断优先级寄存器IP
2.2.4MAX708芯片介绍
MAX708具有比较器、手动复位、两组复位电平输出的电源监控芯片,是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。
复位信号可由VCC电压、手动复位输入、或由独立的比较器触发。
独立的比较器可用于监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能。
这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报、或电源切换而考虑的。
1、特性
（1）RESET信号RESET信号输出；
（2）域值值为1.25V、用于电源失效或低电源警告的独立比较器；
（3）手动复位输入；
（4）需要100uA的电源电流；
（5）复位域值为：
2.63V、2.93V、3.08V；
2、引脚图
MAX708的引脚图如右所示：
图2.4MAX708的管脚图
2.3单片机复位设置
RST引脚是复位输入信号，高电平有效。
在振荡器稳定工作时，在RST引脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。
接口电路如图2.5所示。
图2.5MAX708与89C51的接口电路图
图2.5中的时钟复位电路现在用的是一块MAX708芯片，因为8255也需要复位，用该芯片可以使单片机和8255同时复位。
所以,MAX708与AT89C51及8255的接口电路如2.6所示。
图2.6MAX708与89C51及8255A的接口电路图
2.48255A芯片介绍
2.4.18255A的引脚和结构
8255A的引脚如图2.7a所示。
8255A的结构框图如图2.7b所示。
它由以下几个部分组成：
1、数据端口A、B、C
8255A有三个位并行口，PA、PB和PC。
都可以选择作为输入输出工作模式，但在功能和结构上有一些差异。
（1）PA口：
一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入锁存器。
（2）PB口：
一个8位数据输出锁存器和缓冲器；一个8位数据输入缓冲器。
（3）PC口：
一个8位的输出锁存器；一个8位数据输入缓冲器。
通常PA口、PB口作为输入输出口，PC可作为输入输出口，也可在软件的控制下，分为两个4位的端口，作为端口A、B选通方式操作时的状态控制信号。
2、D0～D7：
8位三态双向输入输出通道是8255A与CPU接口的数据总线。
3、RESET：
高电平动作。
复位时，8255A的PA、PB、PC口与控制寄存器将被消除，PA、PB、PC口皆被设定为输入口模式。
4、CS：
芯片选择，低电平动作。
当CS=0时，8255A被选择；当CS=1时，8255A无法与CPU做数据传输。
5、RD：
读取使能，低电平动作。
RD=0且CS=0时，CPU从8255A读取数据。
6、WR：
写入使能，低电平动作。
WR=0且CS=0时，CPU将数据写入8255A。
7、A0、A1：
地址选择线，用来选择8255A的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。
如表2.2所示。
表2.2地址选择
A0A1
被选中的端口名
00
PA口
01
PB口
10
PC口
11
控制寄存器
8、8255A的内部结构
（1）8255A的方块图包括4个部分：
（如图2.7b所示）
①数据总线缓冲器（DataBusBuffer）
②读写控制逻辑（RWControlLogic）
③A、B组控制单元（GroupA&GroupBControl）
④PA口、PB口、PC口（PA0～PA7,PB0～PB7,PC0～PC7）
（2）数据总路线缓冲器：
三态双向8位用来传输数据,为CPU和8255间的接口。
当CPU执行“读取”或“写入”时，都经由此数据总线缓冲器传送或接收数据码、控制命令码等。
（3）读写控制逻辑：
其功能是用来控制数据与控制字的传输。
从CPU接收到A0、A1、RD、WR、CS及RESET等控制信号，然后产生各种不同动作。
当RESET复位时，控制寄存器被清除，且PA、PB、PC口被设定为输入口，因此RESET引脚应与CPU的RESET接在一起，产生一致的复位动作。
CS、RD与WR均为低电平使能,当CS=0时,8255A被使能,A0、A1为寄存器寻址输入线，配合RD、WR用来选择3个输入输出寄存器、控制寄存器,并控制信息传送方向。
如表2.3所示。
（4）A组和B组控制电路：
这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。
每组控制电路从读、写控制逻辑接受各种命令，从内部数据接受控制字（即指令）并发出适当的命令到相应的端口。
A组控制电路控制A口及C口的高4位；B组控制电路控制B口及C的低4位。
2.4.28255的工作方式
8255有3中工作方式，即方式0、方式1、方式2，如图2.8所示。
1、方式0（基本输入输入方式）。
这种方式不需要任何选通信号。
两个8位端口（口A和口B）和两个4位端口（口C）。
A口、B口及C口的高4位和低4位都可以设定为输入或输出。
作为输出口时，输出的数据都被锁存；作为输入口时，输入数据不锁存。
在方式0时，各个端口的输入、输出可有16种不同的组合。
2、方式1（选通输入输出方式）。
在这种方式下,A、B、C三个口分为两组：
A组包括A口和C口的高4位，A口可由编程设定为输入口或输出口，若悬河C口的高4位用来作为输入输出操作的控制和同步信号；B组包括B口和C口的低4位，B口同样由编程设定输入或输出口，C口的低4位用来作为输入输出操作的控制和同步信号；任何一个端口都有可做为输入或输出；若只有一个端口工作于方式1，余下的13位，可以工作在方式0下；A口和B口的输入数据输出数据都被锁存。
a.引脚b.内部功能结构
图2.78255A引脚和结构图
表2.38255A端口选择及功能
A0A1
操作
00
01
10
00
01
10
11
XX
11
XX
010
010
010
100
100
100
100
XX1
010
110
A口数据总线
B口数据总线
C口数据总线
数据总线A口
数据总线B口
数据总线C口
数据总线——控制寄存器
数据总线为三态
非法状态
数据总线为三态
3、方式2（双向总线方式）。
在这种方式下，A口为8位双向总线，C口的PC3~PC7用来作为输入输出的同步控制信号。
在这种情况下，B口和C口的PC0~PC2只能编程方式为0或方式1工作。
图2.88255的三种工作方式
A方式0b方式1
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