基于单片机的家用防盗报警器的设计.docx

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基于单片机的家用防盗报警器的设计

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）

系部：

电气工程系

专业：

应用电子技术

题目：

基于单片机的家用防盗报警器的设计

毕业设计（论文）中文摘要

随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们对防盗措施提出了新的要求。

本次应要求设计一款基于单片机的家用非法闯入防盗报警器，它利用单片机MSP430G2553（launchpad）来实现并采用红外传感器控制继电器模块从而来实现报警。

Launchpad是德州仪器公司推出的一套MSP430G系列16位低功耗单片机开发板，它具有简易的封装（DIP），完备的开发环境，易于学生进行小型开发和毕业设计。

本课题使用lauchpad为核心，选用合适的入侵传感器，完成对人员进出的检测，并能根据探测结果实现声光报警。

最终能实现一旦有人员进入探测区域，报警装置可发出声光报警。

关键词：

launchpad传感器继电器电源

1.引言

随着现在社会的发展，时代进步，高新技术的快速融入，人们的生活发生了巨大的改变，人们置购了大量高新技术的产品，许多高科技产品的使用越来越成为家庭生活的主旋律，因此人们对自己所处环境的安全要求就越来越高，特别是家居安全，不得不时刻留意不速之客的光顾。

现在许多小区都有着保安看管，但在一些农村就没有这些设施了，于是，许多家庭都安装了报警系统，这有效的保护了大家的财产安全。

在本文中，介绍一种利用热释电红外传感器进行监控，并进行报警的系统的设计。

1.1课题的背景及意义

该报警器主要由热释电红外传感器及继电器模块，报警电路组成[1]。

热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用。

检测电路主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，从而实现报警功能。

Launchpad是德州仪器公司推出的一套MSP430G系列16位低功耗单片机开发板，它具有简易的封装（DIP），完备的开发环境，易于学生进行小型开发和毕

业设计。

本课题使用lauchpad为核心，选用合适的入侵传感器，完成对人员进出的检测，并能根据探测结果实现声光报警。

1.2课题设计要求及任务

本方案设计要求：

1．在指导下尽快熟悉launchpad开发板电路结构和基本开发调试；

2．选择合适的多种入侵式，完成调理电路的设计；

3．最终能实现一旦有人员进入探测区域，报警装置可发出声光报警。

课题需要完成的任务：

1.可行性方案分析及方案论述。

2.硬件的框图及电路设计。

3.各主要器件、单元电路等的选用方案，性能分析及功能介绍。

4.设计电路的原理图及印制板图绘制。

5.毕业设计小结。

2总体设计方案

2.1方案一

方案一：

利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖派出所（巡逻大队）经历分布[2]，及时调动警力做出快速处理。

编程主机

报警

门磁遥控器

探测器

图1家庭报警

2.2方案二

电源

电源

报警器报警

继电器模块

单片机

初始化

传感器

图2基于单片机的家用报警器

通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。

3.分电路设计

3.1电源电路设计

3.1.1利用LM7805设计供电电源电路

图3电源电路

用LM78三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流，过热的调整管保护电路，使用起来可靠，方便，而且价格便宜。

该系列集成IC

型号中的LM78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805代表输出电压为正5V。

因为三端固定稳压电路使用方便，所以在电子制作中经常使用[3]。

图4LM7805实物图

图5LM7805原理图

3.1.2利用外接电器做电源

可利用实验室内提供的供电器来提供5V跟12V电压。

直接使用实验室内的电源可是电路更简单也更方便。

因此比较之下，还是利用实验室内的电源。

3.2单片机模块的设计

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就单片机而言，世界上一些

著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。

目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下[4]：

美国intel公司：

MCS-51系列及其增强型系列

美国Motorola公司：

6801系列和6805系列

美国Atmel公司：

89C51等单片机

美国Zilog公司：

Z8系列及SUPER8

美国Fairchild公司：

F8系列和3870系列

美国Rockwell公司：

6500/1系列

美国T1（德克萨司仪器仪表）公司：

TMS7000系列

NS（美国国家半导体）公司：

TMS7000系列

尽管单片机的品种很多，本次电路我在MSP430G2系列跟MCS-51系列单片机中进行选择。

3.2.1MCS-51系列单片机

MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051/8751。

8031内部包括一份8位CPU、128个字节，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串形口[5]、2个16位定时器，但片内无程序存储器，外扩EPROM芯片。

比较麻烦，不予采用。

8051是在8031的基础上，片内集成有4KBROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。

所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。

也不予采用。

8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM,它构成了程序小于4KB的小系统。

用户可以将程序固定在EPROM中，可以反复修改程序。

但是价格相对8031较贵。

8031为外扩一片4KBEPROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低。

随着大规模集成电路不断发展[6]，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。

不予采用。

3.2.2MSP430G2系列单片机

MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：

基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

7

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口，基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps,能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决

方案提供了极大的方便。

另外，MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

今天我们选用MSP430G2553它具有以后优点：

（1）低电源电压范围：

1.8v至3.6v。

（2）超低功耗运行模式：

230μA（在1MHz频率和2.2V电压条件下）

（3）待机模式:

0.5μA

（4）关闭模式（RAM保持）：

0.1μA

（5）5种节能模式

·用于模拟信号比较功能或者斜率模数（A/D）转换的片载比较器

·可在不到1μs的时间里超快速地从待机模式唤醒

·16位精简指令集（RISC）架构，62.5ns指令周期时间

·带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps模数（A/D）转换器

·基本时钟模块配置

–具有四种校准频率并高达16MHz的内部频率·串行板上编程，

–内部超低功耗低频（LF）振荡器无需外部编程电压，

–32kHz晶体护

–外部数字时钟源·具有两线制（Spy-Bi-Wire）接口的片上仿真逻辑电路

·两个16位Timer_A，分别具有三个捕获/比较寄存路器

·多达24个支持触摸感测的I/O引脚

下图为MSP430G2553单片机的原理图：

图6MSP430G2553原理图

3.3传感器模块的选择与设计

传感器有很多种包括：

电阻应变式传感器，电感式传感器，电容式传感器，压电式传感器，磁电式传感器，热电式传感器，光电式传感器，光纤传感器，红外传感器等等。

其中红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。

3.3.1传感器信号处理器BISS0001

特点

（1）CMOS数模混合专用集成电路。

（2）具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理。

（3）双向鉴幅器，可有效抑制干扰。

（4）内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调解范围宽。

（5）内置参考电压。

（6）工作电压范围+3V—+5V。

（7）采用16脚DIP封装。

BISS0001时有运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时

间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。

可广泛应用于多种传感器和延时控制器。

各引脚的定义和功能如下：

VDD—工作电源正端。

范围为3~5V。

Vss—工作电源负端。

一般接0V。

IB—运算放大器偏置电流设置端。

经RB接VSS端，RB取值为1MΩ左右。

11N-—第一级运放放大器的反相输入端。

11N+—第一级运放放大器的同相输入端。

1oUT—第一级运算放大器的输出端。

2IN—第二级运算放大器的反相输出端。

2OUT—第二级运算放大器的输出端。

VC—触发禁止端。

当Vc＜VR时禁止触发；当VC＞VR时允许触发。

VR≈0.2VDD。

VRF—参考电压及复位输入端。

一般接VDD。

接“0”时可使定时器复位。

A—可重复触发和不可重复触发控制端。

当A=“1”时，允许重复触发，当A=“0”

时，不可重复触发。

Vo—控制信号输出端。

由Vs上跳边沿触发使Vo从低电平跳变到高电平时为有效触发。

图7BISS0001原理图

3.3.2传感器RE200B

图8RE200B

RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

表1RE200B的各项指标

灵敏圆面积

2.0mm*1.1mm*Gap0.9mmDual双元

基片材料

硅SI

基片厚度

0.5mm

窗口尺度

4*3mm

工作波长

5—14um

平均透过率

>75%

输出信号

>2.2V（420°K黑体1HZ调制频率0.3-3.0HZ带宽72.5db增益）

灵敏度

3300V/W

探测率

1.5*10cmHZ

噪声

<200mV（mvp-p）（25°C）

平衡度

<20%

工作电压

2.2-15V

工作电流

8.5—24uA（vd=10v,rs=47k,25°C）

源极电流

0.4-1.1V（vd=10v,rs=47k,25°C）

工作温度

-20°C-+70°C

保存温度

-35°C-+80°C

视场

中心角138°*125°

经过比较我决定选用热释红外传感器BISS0001来构成人体感应模块.

图9HC-SR501人体感应模块

表2HC-SR501人体感应模块的各项指标

产品型号

HC-SR501人体感应模块

工作电压范围

直流电压4.5-20V

静态电流

<50uA

电平输出

高3.3V/低0V

触发方式

L不可重复触发/H重复触发

延时时间

0.5-200S（可调）可制造范围零点几秒-几十分钟

封锁时间

2.5S（默认）可制作范围零点几秒-几十秒

电路板外形尺寸

32mm*24mm

感应角度

<100度锥角

工作温度

-15-+70°

感应透镜尺寸

直径23mm（默认）

3.4继电器模块的设计

3.4.1继电器模块（5V,未采用光耦}

图10JZC-23F继电器模块

此款继电器模块是由继电器是采用继电器JZC-23F,电阻，发光二极管，以及三极管构成。

继电器JZC-23F，28VDV的线圈电压，5A/220VAC触点容量，继电器驱动保护电路的作用是放大驱动电流，提供足够的功率，同时防止继电器中的感性原件失电时产生的反向电压。

固体继电器是纯电子电路控制的强弱电隔离开关，内部无机械触电，响应速度快。

3.4.2光耦继电器模块（12V）

图11SRD-12V光耦继电器模块

有源光耦固态继电器是一种控制端不需要加电信号的固态继电器，它由无触点功率可控硅，电源平衡功耗驱动器件（驱动功率<50微秒>）等组成，本器件性能优良，结构精巧。

图13光耦继电器原理图

本继电器模块特点：

1.输入端不需外加电信号直接采用电器隔离微功率耗驱动开关（驱动功率小于50us）及其它开关元件可控硅输出大功率负载。

因此可简化电路系统设计使用简便。

2.输入端具有极低的工作电压和电流。

因此安全性能好，可用于特殊场合。

3.具有极高的控制灵敏度及功率增益（>500db）。

4.由于有源光耦固态继电器采用可控硅，集成模块，无触电功率开关，因此寿命长，噪音低，工作可靠。

从上图可以看出,当输入为低电平时,光耦未导通,后一级CE截止,这时三级管基极被R25下拉电阻拉为低电平,为"截止"状态,继电器不动作;

当输入为高电平时光耦导通,后一级CE导通,从而使三极管导通,这时候继电器线圈得电吸合,同时对应的状态指示灯点亮.（本版取消继电器状态指示,电路板上的LED为电源指示灯,继电器的状态可以通过触点吸合声音来判断）通过上述内容,我们知道,如果想让继电器动作,那么只需要在输入接口接入一个高电平即可实现要求,不接或者接低电平继电器相应的不会产生吸合动作.图中VCC对应实物上面的VIN,即继电器电源正极,继电器上标有"SRD-12VDC"因此使用12V电源。

经过比较我们选用光耦继电器模块。

4软件设计

4.1软件程序

/*

*baojin.c

*

*Createdon:

2013-4-7

*Author:

Administrator

*/

#include"msp430g2553.h"

#defineCPU_F（（double）1000000）//时钟定义在1MHZ

#define

delay_us（x）_delay_cycles（（long）（CPU_F*（double）x/1000000.o））//精确延时1us

#definedelay_ms（x）_delay_cycles（（long）（CPU_F*（double）x/1000.0））//精确延时1ms

voidclk_init（void）//配置时钟

{

BCSCTL1|=CALBC1_1MHZ;

DCOCTL|=CALDCO_1MHZ;//上面两句将内部DCO校准至1MHZ

//while（IFG1&OFIFG）

{

IFG1&=~OFIFG;

delay_ms（100）;

}

BCSCTL2|=SELM_0;//MCLK采用1M的内部DCO

BCSCTL2|=DIVS_3;//SMCLK采用125K的时钟

}

voidio_init（void）

{

P1DIR|=BIT0;//P1.0为输出

P1OUT|=（BIT0）;//P1.0初始值为1

P1IES&=~（BIT6）;//P1.6的中断是上升沿产生中断

P1IE|=BIT6;

}

voidmain（void）

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHLOLD;//停止看门狗

Clk_init（）;

io_init（）;

_EINT（）;

LPM3;

while

（1）

{

delay_ms（10000）;

P1OUT|=BIT0;//P1.0恢复初始值

}

}

#pragmavector=PORT1_VECTOR

_interruptvoidP1_ISR（void）

{

if（P1IFG&BIT6）

{

P1OUT^=BIT0;//P1.0变为0，报警器报警

P1IFG&=~BIT6;//清除P1.6的中断标志位

_bic_SR_register_on_exit（CPUOFF）;//开启CPU,进入while循环

}

}

4.2软件程序流程图

表3程序流程图

初始化

传感器

P1.6产生中断

？

P1.0=0

P1.0=1

延时

保持初始值

报警

5软硬件系统的调试

5.1硬件设计

硬件调试：

通过查找资料设计了如下电路图，自己买万能板，继电器模块，传感器模块老师给我们的画图场所提供了方便，首先我将元器件都安装在万能板上为了确保自己焊接工艺的完美，先将电阻焊上，然后将继电器模块，传感器以及launchpad固定到万能板上。

因为有一段时间没有焊接所以有些生疏，这次焊接也是比较认真的，第一次在老师办公室里焊接跟别人一起合作的，这次焊接主要也是讲究团结合作，跟同学直接也有一定的交流，每个人的分工也是不一样的在这次设计中不断提高自己的焊接水平，同时我对自己的设计理念也有了一部分的信心，我相信通过这次的设计我可以提高自己的动手能力更创新思维能力。

刚开始用万用表测试选用的继电器模块时，根据数据证明这款继电器模块是可以使用的，根据上图红线与+5V相连，黑线接地，灰线与单片机的I/O端口相连，因为此款模块是低电平触发接入电路中所以需要绝对的低电平才会报警，用数字万用表测试电压，电压应为0，但测出来的电压却是6.5V，经检查未使用光耦离合器，导致继电器模块对单片机有反噬作用，所以不行。

后来采用另一款继电器，无论是传感器的灵敏度还是继电器的敏感程度都是不错的。

在下图中传感器橙色的线接+12V,淡黄色接地，灰色的线与单片机的P1.0端口相连，

单片机的P1.6口需上拉电阻与继电器模块的IN1口相连，继电器模块的DNG接地，继电器模块的VIN与+5V相连，灰黑白相间的端口与报警器相连。

基本分为以下四个步骤：

1）检查电路：

对照电路图，按照一定的顺序进行逐级检查。

首先，先检查电源线与地线是否接错，是否短路。

然后，看单片机，继电器模块，传感器之间的引脚是否接错。

最后检查各焊点是否牢固，有无虚焊现象。

检查完后进行通电观察。

2）通电观察：

在直流稳压电源上调好+5V电压与+12V，然后分别给传感器与继电器模块，单片机通上相应的电源进行观察。

最后，用数字万用表进行测量传感器引脚是否正常供电。

之后进行静态和动态调试。

3）静态调试：

先不加输入信号，测量各级的工作电压，电流是否符合要求。

本课题使用的是直流电源，所以比较简单，可以直接进行测量。

4）动态调试：

加上输入信号，观测电路输出信号是否符合要求。

当有人经过时传感器的电压为3V通过单片机控制继电器从而开始实现报警器报警，当没人的时候传感器电压为初始状态，经过多次的实验，我的传感器灵敏度度比较高，根据电路输出是否报警来达到设计要求。

通过以上四个步骤的检查，测量参数基本符合设计要求。

图14实物图

5.2软件调试

软件调试主要是运用CodeComposerStudiov5这款软件进行调试的。

1）CCS的安装[12]：

（1）运行下载的安装程序ccs_setup_5.1.1.00031.exe，当运行到如图15处时，选择Custom选项，进入手动选择安装通道。

图15安装过程1

（2）单击Next得到如下所示的窗口，为了安装快捷，在此只选择支持MSP430LowPowerMCUs的选项。

单击Next，保持默认配置，继续安装。

图16安装过程2

图17安装进行中

图18安装完成

（3）单击Finish，将运行CCS，弹出如图19所示窗口。

图19Workspace选择过程

（4）单击OK，第一次运行CCS需进行软件许可的选择，如图所示。

在此，选择CODESIZELIMITED（MSP430）选项，在该选项下，单击Finish即可进入CCSv5.1软件开发集成环境，如图20所示。

图20许可证选择界面

图21CCS开发集成界面

2）CCS新建工程：

（1）首先打开CCSv5.1并确定工作区间，然后选择project-->NewCCSProject弹出对话框。

（2）在projectname中输入新建工程名称baojin。

（3）在Device部分中，Variant中选择MSP430G×××Family，芯片选择MSP430G2553，其余选择默认。

（4）选择空工程，然后单击Finish，完成新工程的创建。

（5）创建工程.

（6）然后选择File-->New-->SourceFile，新建一个C文件，并且命名为baojin.C，并在工程名上右击选择AddFiles，创建工程.

（7）经过以上步骤，一个CCS工程就创建好了。

3）CCS调试：

（1）调试之前，先确定目标配置文件是否已经创建并