基于单片机的多功能智能化防盗报警系统的设计与实现.docx

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基于单片机的多功能智能化防盗报警系统的设计与实现

本科毕业设计

题目：

基于单片机的多功能智能化

防盗报警系统的设计与实现

性质：

软硬件结合

专业：

通信工程

日期：

XXXX年X月

第1章绪论

1.1课题背景

本世纪八十年代以来，计算机、信息、电子、控制、通信等技术得到迅速发展，促使了社会生产力的提高，也使人们的生产方式和生活方式产生日新月异的变化。

随着近年来我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人民生活和自身素质得以不断提高，人们对住房条件的要求越来越高，对环境的舒适性、便利性、安全性有了较高要求，加之电子信息产业正快速发展并向人们生活的各个领域渗透，与此相适应，各种不同档次的公寓、生活小区纷纷提出了自己不同的智能需求，由于住宅小区与综合性智能建筑有着很大的区别，如何根据小区的特点，赋予小区各种功能以适应不同层次的居民的需求，对小区实现统一、有序、智能化、网络化管理，这是智能建筑行业巫需解决的问题。

在智能小区中，网络技术应用和控制方式的也不断变化。

计算机网络和多媒体技术已经进入住宅小区，使住宅控制与管理技术发生深刻变化。

八十年代，住宅控制方式主要为电子型。

九十年代初为程序型控制方式，九十年代末发展为网络型控制方式。

在二十一世纪，住宅控制方式将演变为智能控制型。

各种家电设备都“上网”，实现家电接口标准化、设备控制智能化、系统功能集成化。

家庭自动化系统是适应现代生活对家庭功能逐渐增长的需求发展起来的一个系统，该系统的内容、构成和配置因国度、家庭的经济实力、家庭的知识结构以及个人喜好的不同而不同。

因此，家庭自动化系统的配置与住宅小区的定位（安置型、实用型、舒适型还是豪华型）以及住户的类型比例（经济实力、知识结构等）有着密切的关系。

随着社会经济的不断发展，人们拥有的财富越来越多，许多人都期望有一个安全舒适的住处。

智能住宅小区依托先进的科技手段，为住户提供了一种安全、舒适、方便、快捷的生活空间，正受到越来越多人的青睐

随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高,人们都迫切希望在一种安全而舒服的环境下生活，随着城市人口的急剧增加，人们的居住环境发生了根本变化。

楼宇住宅向高层化、单元封闭式住宅小区发展。

高层化楼宇建筑必须智能化。

智能化住宅必须具备安全防范自动化监控管理、火灾有害气体泄漏的自动报警紧急呼叫系统，并能对关键设备、设施的运行状态实施远程监控。

目前市场上常见的产品：

防盗门、防盗窗、防盗锁、火灾报警器、遥控器等，品种繁多，式样、功能各异。

虽然也能起一定的防范和方便作用，但功能单一，不适应于无人场合，没有系统化，不适用于智能住宅。

同时也不能实时反应警况、时间不能远距离传递信息，灵活性差等缺点。

现在，在全国各地都在如火如荼地开展建设安全文明小区的活动，而且很多地方都提出拆除防盗网的口号，故家庭电子防盗报警系统也应运而生。

随着通信技术的不断发展，为新型的更为可靠的住宅防盗系统提供了新的技术手段。

单片微型计算机又名微控制器，是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件，它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成了一种单片式的微型机算机，本课题就是从单片机的功能强、体积小、可靠性高，面向控制和价格廉价等一系列优点入手，应用8051设计了一防盗报警接收子系统。

1.2防盗报警系统的动向

目前国内居民住宅的防盗设备发展十分迅速，最初是使用纯机械式的手段，接着辅以电子器材，并逐渐代替原机械器材。

由单户、单栋楼的防范扩展到绪个住宅小区的防范。

其发展过程可分为四个阶段:

防盗铁门+防盗铁栅;防盗铁栅+楼宇对讲系统;防盗铁栅+楼宇影视对讲系统;楼宇影视对讲+防盗报警+小区管理系统。

前三个阶段的防盗设备作用只是对犯罪起着阻拦和屏障作用，而后一阶段产品具有报警功能，还具有小区管理手段。

当前，防盗设施的主要形式仍是防盗铁栅+楼宇对讲。

由于安装防盗铁栅会破坏建筑物整体的美观，并且给消防带来不便，不能适应厦门建设国际性港口风景城市的要求。

因此，厦门市政府已经明确，今后的住宅建筑不再安装防盗铁栅，取而代之的，就是采用小区防盗报警系统。

小区防盗报警系统是在原楼宇对讲系统的基础上发展起来的，是将楼宇对讲系统单一的功能发展为数位式的影视对讲十防盗报警+小区管理三机一体的机种。

由于采用了微计算机技术、超薄型的显像管（厚度仅为4.Scm）和高解析CRT，使得系统的功能多样化，兼备防盗和管理作用，传输品质稳定，线材简单，施工单纯简便，不占空间，不会破坏建筑总体美观。

其功能可由器材的不同组合可强、可弱，并形成住户至整栋楼至整个小区的防范范围。

1.3本论文的工作及论文结构

本论文作者在大学期间，深入学习了MCS-51单片机应用设计、模拟电子与通信、软件工程的理论与技术，并两次参加了院里组织的电子小制作活动，积累了一些经验和认识。

因此在导师的指导下，设计了单片微机小区防盗报警系统的多机通讯发送子系统，将告警信号传输到主机系统。

此设计过程主要分三个步骤进行：

第一，设计整机系统方案，并对其进行认证；第二，完成由单片微机控制的小区防盗报警系统的样机制作，并安装调试；第三，对硬件、软件进行联机仿真调试，达到设计要求。

本论文的结构如下：

第一章绪论，综述了国内外智能建筑的发展状况和智能小区防盗报警系统的技术动态，介绍了论文的主要内容。

第二章单片微机小区防盗报警系统（发送）基础，详细介绍了此系统中所用到的热释红外传感器、LM324、AT89C51等元件的结构与工作特性。

第三章系统硬件分析与设计，画出了系统硬件框图，并对系统中各单元电路的组成与功能进行了详细介绍。

第四章系统的软件设计与实现，画出了系统的软件流程图，确定了上位机与下位机的通信协议，并描述了主程序流程和关键流程。

此外，根据第三章的功能分配要求，介绍了软件功能。

第五章系统硬件、软件的联机仿真调试，使此设计达到理论联系实际，提高作者实际工作能力的要求。

最后是结论，总结论文的主要成果，并指出了今后进一步在本研究方向的展望与设想。

第2章单片微机小区防盗报警系统设计与实现的接收基础

2.1小区家庭防盗概述

我国“安居工程”的启动着重大力发展安全文明小区的建设，而在严峻的社会治安形势下，需要建立并完善安全文明小区防盗报警网络系统体系。

如何解决在当前每个家庭经济承

受能力有限的情况下，建设满足防范功能及可靠性需求的安全文明小区防范防盗报警网络系统，是当前急须解决的课题之一。

作为一个可行的住宅小区联网报警系统，必须满足集中

监控、系统容量大、防范功能齐全、性能价格比高等要求。

下面我们针对主机联网型住宅小区联网报警系统做一介绍:

广泛性—即要求小区内每个家庭都能得到保护。

实用性—即要求每个家庭的防范系统能在实际可能

发生受俊杏的情况下及时报f。

并要求操作简便，环节少，

系统性—即要求每个家渡的防范系统在案情发生时.除能自身报.外，必须及时传到保卫部门，并同时上报当地公安报中心。

可亦性—即要求系统所设计的结构合理、产品经久时用、系统可。

投资可行性—即要求系统投资或造价能控例在小区家庭能承受的范困之内。

2.2单片机的简单介绍

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

从最初的单片机发展到如今的新一代单片机，大致经历了三个年代。

如以Intel8位单片机为例，这三个年代划分大致是:

·

第一代:

以1976年推出的MCS-48系列为代表。

其主要的技术特征是将CPU和计算机外围电路集成到一个芯片上，使单片机与通用CPU分道扬镰、构成新型工业微控制器，为单片机的进一步发展开辟了成功之路。

第二代:

以MCS一51的8051.8052为代表。

MCS一51系列8位高档单片机是在总结MCS-48系列单片机的基础上，于80年代初推出的新产品。

其主要的技术特征是:

扩大了片内存储容量、外部寻址空间:

程序存储器和外部数据存储器的寻址都增加为64Ko4KxBROM作为内部程序存储器，用来存放系统程序、用户的专用程序和固定常数。

这一代单片机主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线（AB,DB,CB）和具有多机识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的特殊功能寄存器（SFR）控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统，为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。

但是，无论是第一代还是第二代单片机都还未突破单片微机的内涵。

第三代:

以80051系列为代表。

它包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8X0152,80C51FA/FB,80C51GA/GB,8XC451,8XC452，还包括了飞利浦、西门子、ADM、富士通、OKI,Atmel等公司以80051为核心推出的大量各具特色、与MCS一51兼容的单片机。

8051系列单片机是在MCS一51的HMOS基础上发展起来的，它们具有CHMOS结构。

它保留了MCS-51单片机的所有特性，内部组成基本相同。

80C51系列单片机增设了两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式:

空闲方式和掉电方式。

87051单片机是80051含EPROM的产品，89051单片机是80051含EZPROM的产品。

这种单片机有两级或三级程序存储器保密系统，用于保护EPROM或其中的程序，以防止非法拷贝。

另外，87051单片机还可用智能编程法进行编程。

可使每个字节的编程时间由50m。

减少到4ms，速度快，效率高。

新一代80051系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器完善的控制功能为己任。

如:

为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。

飞利浦公司还为80051系列8X0592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线—CAN（ControllerAreaNetworkBUS）等，这一系列的单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

8051系列产品中增加了一些外部接口功能单元如A/D,PWM;PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器）、高速I/0口、计数器的捕获/比较逻辑等。

此外，由于SOC51系列采用了CMOS技术制造而成，较之MCS一51系列集成度高、速度快、功耗低。

虽然，现在MCS一51仍不失为单片机中的主流机型，国内仍以Intel的MCS一51系列单片机应用最广。

但是，由于80051系列所具有的一系列特点，其获得广泛使用将是指日

可待的。

 诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。

是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

2.3单片机的串口通信

接口种类繁多，从传统的通用外围电路、RS-232、RS-422/485、MODEM到现在的USB、IEEE1394、Internet网络芯片等，它们在不同的领域得到了广泛的应用。

   数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。

普通的TTL电路，由于驱动能力差，输入电阻小，灵敏度不高以及抗干扰能力差，因而信号传输的距离短。

借助接口电路，可以进行较长距离的数据传输。

   通信接口（interface）按电气标准及协议来分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。

RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。

USB是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。

   MODEM芯片通常配合串行口实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，从而可以利用电话线或电力线进行远程通信。

    目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

    收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图1。

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。

当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。

所以RS-232适合本地设备之间的通信。

其有关电气参数参见表。

规定

RS232

RS422

R485

工作方式

单端

差分

差分

节点数

1收、1发

1发10收

1发32收

最大传输电缆长度

50英尺

400英尺

400英尺

最大传输速率

20Kb/S

10Mb/s

10Mb/s

最大驱动输出电压

+/-25V

-0.25V～+6V

-7V～+12V

驱动器输出信号电平（负载最小值）

负载

+/-5V～+/-15V

+/-2.0V

+/-1.5V

驱动器输出信号电平（空载最大值）

空载

+/-25V

+/-6V

+/-6V

驱动器负载阻抗（Ω）

3K～7K

100

54

摆率（最大值）

30V/μs

N/A

N/A

接收器输入电压范围

+/-15V

-10V～+10V

-7V～+12V

接收器输入门限

+/-3V

+/-200mV

+/-200mV

接收器输入电阻（Ω）

3K～7K

4K（最小）

≥12K

驱动器共模电压

-3V～+3V

-1V～+3V

接收器共模电压

-7V～+7V

-7V～+12V

RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。

RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。

收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平。

典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。

当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。

接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。

由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。

RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。

所以RS-232适合本地设备之间的通信。

第3章系统的硬件实现

3.1硬件实现的总体思想

 MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。

我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。

    MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其主要功能如下：

··8位CPU

    ··4kbytes程序存储器（ROM）

    ··128bytes的数据存储器（RAM）

    ··32条I/O口线

    ··111条指令，大部分为单字节指令

    ··21个专用寄存器

    ·2个可编程定时/计数器

    ·5个中断源，2个优先级

    ·一个全双工串行通信口

    ·外部数据存储器寻址空间为64kB

    ··外部程序存储器寻址空间为64kB

    ··逻辑操作位寻址功能

    ··双列直插40PinDIP封装

    ·单一+5V电源供电

3.2硬件各个模块的具体实现

 MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“名机”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。

正因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的台湾WINBOND公司也发展了兼容C51（人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机）的单片机品种。

近年来C51获得了飞速的发展，C51的发源公司INTEL由于忙于开发PC及高端微处理器而无精力继续发展自己的单片机，而由其它厂商将其发展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原来的基础上发展了高速I/O口，A/D转换器，PWM（脉宽调制）、WDT等增强功能，并在低电压、微功耗、扩展串行总线（I2C）和控制网络总线（CAN）等功能加以完善。

3.3按键电路

按键是一组常开的按键开关,每个按键都被赋予一个代码，称为键码。

按键的开关状态通过一定的电路转换为高、低电平状态。

按键闭合过程在相应的I/O端口形成一个负脉冲。

闭合和释放过程都要经过一定的过程才能达到稳定，这一过程是处于高、低电平之间的一种不稳定状态，称为抖动。

抖动持续时间的常长短与开关的机械特性有关，一般在5-10ms之间。

为了避免CPU多次处理按键的一次闭合，应采用措施消除抖动。

本文在软件中采用了相应的软件程序来消除抖动。

当发现有键按下时，延时10-20ms再查询是否有键按下，若没有键按下，说明上次查询结果为干扰或抖动；若仍有键按下，则说明闭合键已稳定。

本文采用的是独立式按键，直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生互相影响。

键盘电路如下图所示：

键盘接口电路

键盘是人机交互的窗口，通过键盘实现人对设备的控制和设置。

本装置的键盘共12键，其中‘0’～‘9’键用于输入扫频信号上、下限频率值；‘#’号键是数值输入结束标志；‘*’号键是频率设定结束后的扫频开始标志。

这12键与8255A的PB口和PC口的高四位相连。

每个按键有两个连接端：

一端通过阻值为1K的电阻与电源相连，另一端通过一个阻值为10K的电阻与地相连。

键盘未按下时与地接通，输出为低电平；按下时与电源接通，变为高电平，并输入到8255A的相应端口。

3.4数码管显示电路

数码管显示器成本低，配置灵活，与单片机接口简单，在单片机应用系统中广泛应用。

在系统运行期间，单片机要完成一个相对其他微控制更为繁杂的计算输出过程，即如何输入的频率值转换为采样点与点之间输出的时间间隔，并准确控制这个时间间隔的实现。

为了尽量减少单片机运行任务，以便它把宝贵的资源用于实现频率输出上的原则，系统通过增加硬件复杂度换取减少软件控制的方法，在数码管显示部分，就用静态显示代替了动态显示。

1.数码管的工作原理

数码管是由8个发光二极管构成的显示器件。

在数码管中，若将二极管的阳极连在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连在一起，称为共阴极数码管。

本文用到的5个数码管均是共阴极的。

当发光二极管导通时，它就会发光。

每个二极管就是一个笔划，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。

将单片机的I/O口控制相应的芯片与数码管的a-g相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这样，由I/O口输出不同的代码，就可以控制数码管显示不同的字符。

例如：

当I/O口控制芯片输出的代码是00111111时，数码管显示的字符为0。

这样形成的显示字符的代码称为显示代码或段选码。

数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态显示方式。

在静态显示方式下，每位数码管的a-g和h端与一个8位的I/O相连。

要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。

其特点是：

数码管中的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示字符改变为止。

动态显示方式的每位数码管都需要一个数据锁存器，因此，其硬件电路比较复杂。

但它的显示程序比较简单。

选择动态显示方式，可以使耗电量更小。

在动态显示方式中，各位数码管的a-h并联在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。

每只数码管的共阴极则与另一I/O口相连，控制被点亮的位。

动态显示方式的特点是:

每一时刻只能有1位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮；对于每一位来讲，每隔一段时间点亮一次。

为了每位数码管能够充分被点亮，二极管应持续发光一段时间。

利用发光二极管的余辉和人眼的驻留效应，可以观察到稳定的显示输出。

2.本文采用得数码管电路

本文的5个共阴极八段数码管采用静态显示方式，节约程序运行时间。

显示电路中的74LS138芯片用于控制量的译码,每支数码管前连接有一个74LS373锁存器，用于锁存由总线输入的段码信号。

数码显示电路如下图所示：

图3-6数码显示电路

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