防盗恒温系统设计的设计制作.docx
《防盗恒温系统设计的设计制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《防盗恒温系统设计的设计制作.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
防盗恒温系统设计的设计制作
摘要
本文较为全面、系统地叙述了以MCS－51系列单片机为控制核心的防盗与恒温功能的实现。
以及驱动芯片、三极管、汇编语言程序设计、输入\输出技术的原理与应用。
在恒温系统中，采用的是多点温度采集，不同位置的温度通过相应的数字温度传感器采集后传送给控制核心——单片机。
再经过单片机对传送来的各个温度值进行与我们设置的温度作比较来控制对应电机的工作。
对于我们想要得要的温度值是通过我们手动来实现的，即通过按键的来执行增减的功能。
在防盗系统中，采用热释电红外传感器方法，即通过目标与背景的温差来探测目标的，从而对控制核心——单片机来产生中断。
实现报警的功能。
关键字：
单片机AT89C51红外对管DS18B20
Abstract
ThispaperismorecomprehensivesystematicallydescribestheMCS-51microcontrollertocontrolthecoretemperatureandsecuretyfunctions.
Andthedriverchip,transistor,assemblylanguageprogramming,input\outputtechnologyandapplicationoftheprinciple.
Inthethermostatsystem,themulti-pointtemperatureiscollecting,Differentlocationsthroughthetemperaturecorrespondingdigitaltemperaturesensorswerecollectedtransmittedtothecontrolcenter--MCU
AfterMCUrighttotransmitallthevaluesoftemperatureandthetemperaturewesetupforcomparisontothecorrespondingmotorcontrolwork.Wewanttobeinthetemperaturevaluethroughourmanualtoachieve,andthatisthroughtheimplementationofkeychangesinthefunction.
Intheanti-theftsystem,usingtheinfrared,Throughinfrareddradiationtothetransistortocontrolitson-ornotachieved,Soastocontrolthecore–MCUtogenerateinterrupt,implementationalarmfunction.
Keyword:
AT89C51InfrareddiodeDS18B20
第1章概述
1.1课题背景
随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的舒适性和安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，人们为了拥有一个更舒适的生活环境，往往需要室内拥有一个合理的温度，可结合升温和降温设备，有效的应用到实际生活中。
而且又不得不时刻留意那些不速之客。
现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。
由于红外线是不见光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。
此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式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。
1.2恒温控制系统与防盗系统发展的概况
温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。
温度控制是工业生产中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射／接收以及微波等技术为基础。
而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器。
这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。
第2章方案的论证
2.1设计任务及基本要求
1.系统设计的基本要求
该设计包括恒温控制和防盗控制两部分，模块划分为数据采集、键盘控制、报警等模块子函数。
红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、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。
终端由中央处理器。
输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部门组成。
（1）系统可实现功能。
当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来，当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限开关送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。
（2）红外线具有隐蔽性，在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。
此类装置设计的要点：
其一是能有效判断是否有人员进入：
其二是劲可能大地增加防护范围。
当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。
至于报警可采用声光信号。
2.课题内容其工作量
本设计从实际应用出发选取了体积小，精度相对高的数字式温度传感器元件DS18B20作为温度采集器，单片AT89C51作为主控芯片，液晶显示屏1602作为显示输出，实现了对温度的实时测量与恒定控制。
在防盗控制系统方面，利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理，以热释电红外线为数据采集部件，经过比较放大之后，输入单片机进行数据判断及处理。
当检测到有被测物体进入测量范围时，系统自动发出声光报警信号，等待一段延时时间后自动消除报警信号，
并可手动解除报警信号。
并把采集到的数据传输给计算机统一处理。
2.2方案及原理
2.2.1对于恒温控制的设计方案
方案一：
利用单片机实现恒温控制
利用单片机实现温度恒定的控制，系统主要包括现场温度的采集、实时温度显示。
加热控制参数设置、加热电路控制输出、报警装置和控制核心AT89C51单片机作为微处理器。
温度采集电路以数字形式将现场温度传至单片机，单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊奇偶那个值算法计算出实时控制量。
以此控制量控制场效应管开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。
在温度达到设定的目标温度后，由于冷却温度降低，单片机通过检测到的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制开启加热片。
方案二：
利用PLC实现恒温控制
这用恒温控制，采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全段加热的自控式方式，来达到温度的恒定。
智能型点偶温度表置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，生成温差，自适应恒温控制电路根据差值大小控制电路的断开。
对于方案一，采用单片机实现恒温控制，该方案成本低，可靠性高，抗干扰性强，对于系统动态性能与稳定性要求不是很高的场合时非常实用的。
采用高精度的温度传感器：
数字温度传感器DS18B20.这种数字温度传感器是DALLS公司生产的单总线。
在这种前提下通过单片机对偏差进行模糊控制运算，对调节加热可达到控制温度恒定。
对于方案二，采用的PLC实现恒温控制，由于其PLC成本高且PLC外围系统配置复杂，不利于我们的设计。
由于数字调节和运算量大，相反对于AT89C51单片机只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到比较好的效果。
综合以上意见，本设计采用单片机来实现文的的控制。
2.3.1对于防盗控制系统设计方案
方案一利用热释电红外线传感器实现防盗控制
热释电红外线传感器（PyroelectricInfraredRadialSensor）是由一种高热电系数的材料，制成的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜。
由于人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。
而传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线的器件。
1.防小动物干扰
探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。
2.抗电磁干扰
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
3.抗灯光干扰
探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。
方案二利用震动传感器实现防盗控制
振动传感器（vibrationtransducer）是将振动信号（加速度、速度及位移）转换成电信号的装置，振动传感器在测试技术中是最关键部件之一，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。
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M，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N，最后由机电变换部分再将N变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部
分和机电变换部分的工作性能来决定的。
在防盗系统中常用的是机械式振动传感器和压电式振动传感器。
由于方案一本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
所以选择方案一。
由于是毕业设计，在设计过程中要以电路原理为主题，因此在电路元件和模块的选择上尽量采用通用、基础的元器件，避免采用大规模的集成电路来设计电路。
第3章主要元件器件的介绍
3.1数字温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式：
温度范围为-55℃~+125℃，可编程为9~12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出：
其工作电源即可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生：
多个DS18B20可以并联到3根或2根在线，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
3.1.1DS18B20的特性
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为+-0.5度。
可选更小的封装方式，更宽的电压使用范围，分辨率的设定，及用户的设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20的特性是新一代产品中最好的!
性能价格比也非常出色！
DS18B20的主要特性
1.适应电压范围更宽，电压范围：
3.0~5.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2.独特的单线界面方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3.DB18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三在线，实现组网多点测温。
4.DB18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形
如一只三极管的集成电路内。
5.温度范围-55度~+125度，在-10~+85度时精度为+—0.5度。
6.可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨率温度分别为0.5度，0.25度和0.0625度，可实现高精度测温在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换成数字，速度更快。
7.测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传输CPU，同时可传送CRC校检码，具有极强的抗干扰纠错能力。
8.负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.1.2外形和内部结构
DB18B20内部结构主要由四部分组成：
64位ROM，温度传感器，非挥发温度报警触发器TH和TL，配置寄存器，DB18B20的外形及管脚排列如下图：
图3-1DB18B20管脚图
DB18B20引脚定义：
1.DQ为数字信号输入/输出端：
2.GND为电源地：
3.VDD为外接电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）.
3.1.3工作原理
低温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后计数，进而完成温度测量。
计数门得开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55度所对应的基数分别置入减法技术器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55度所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当
减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新
被装入，减法计数器1重新开始对低温系数晶振产生上网脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测的温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
3.2驱动芯片74LS244
74LS244为3态8位缓冲器，一般用于总线驱动器。
74LS244没有锁存的功能。
地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。
8066/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线即传输数据又传输地址。
当微处理器与存储器交换信号时，首先由CPU发出存储器地址，同时发出允许锁存信号ALE给锁存器，当锁存器接到该信号后将地址/数据总线上的地址锁存在总线上，随后才能传输数据。
锁存器是一个很普通的时序电路。
一般
的，它在时钟上升沿或者下降沿来的时候锁存输入，然后产生输出，在其他的时候输出都不跟随输入变化，这就是所谓边缘出发的D触发器。
当然也有电平触发的D触发器，具体使用哪种，得看你使用得总线配置。
3.3单片机AT89C51
3.3.1基本结构
为使基于单片机控制的红外线遥控系统在实际使用中方便快捷，并且具有较高的性能比，所以对该系统的元器件做了精心挑选。
按在实际工作中的作用，可分为以下几个部分：
AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他木块来完成各种复杂的操作;红外线一体化接受头负责接受命令;芯片DS1302负责时钟的运行及设置参数的存储。
AT89C51是山ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存储器技术，降低了制造成本其软件、硬件
与MCS-51完全兼容，且采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。
其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.3.2单片机外观与引脚
AT89C51有很宽的工作电源电压，可为2.7-6v，当工作在3v时，电流相当于6v工作是的1/4。
AT89C51工作于15HZ时，动态电流为5.5MA，空闲态为1MA，掉电状态仅为20MA。
这样小的功耗很适合与电池供电的小型控制系统。
AT89C51具有以下几个特点：
AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;
片内有4k字节在线可复杂编程快擦写程序存储器；
全静态工作，工作范围：
0HZ-24MHZ；
三级程序存储器加密；
128*8位内部RAM；
32位双向输入输出线；
俩个十六位定时器/计数器；
五个中断源，两级中断优先级；
一个全双工的异步串行口；
间歇和掉电两种工作方式。
图3-2AT89C51结构图
3.3.3控制信号或与其他电源复用的引脚
口线：
P0，P1，P2，P3共四个八位口。
P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。
P1口是专门供用户使用得1/0口，是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时，P2口也可以
作为用户v0口线使用，P2口也是准双向口。
P3口是双功能口，该口得每一位均可独立地定义为第一I/0功能或第二I/0功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口得第二功能如表3-1所示：
表3-1P3口第二功能端口引脚各个功能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
/INT0（外部中断0输入端，低电平有效）
P3.3
/INT1（外部中断1输入端，低电平有效）
P3.4
（定时器/数器0计数脉冲输入端）
P3.5
（定时器/数器1计数脉冲输入端）
P3.6
（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7
（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.3.4存储器结构
MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。
外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。
程序存储器：
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：
2000H~FFFFH。
数据存储器：
AT89S52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。
例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元
MOV0A0H,#data
使用间接寻址方式访问高128字节RAM。
例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。
3.3.5单片机最小项系统电路
3.3.5.1最小项电路设计
1.复位电路
考虑到设计要求，本设计中的复位电路集手动复位及上电自动复位于一体。
（1）上电自动复位是通过外部复位电路的电容C3的充电来实现的，这样只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
（2）按键手动复位是通过使复位端经电阻与VCC接通而实现的。
图3-3单片机最小系统图
3.4热释电红外传感器的结构原理
热释电效应
自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（－273℃），总是不断地向外
发出红外辐射，并以光的速度传播能量。
物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。
假定物体发射红外辐射的峰值波长为λm，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长λm与物体温度T的乘积。
这一乘积为一常数，即λm•T＝2998≈3000（μm•K）。
物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。
某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，受到红外辐射后其温度会升高，这种现象称为红外辐射的热效应。
通常,电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。
但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的，即自由电子和原子核组成的。
在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。
其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。
对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然保留下来，这种现象被称为自发极化。
自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。
自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。
在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。
将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡。
这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，如图1所示。
因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则
为零。
因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。
热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。
是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种
升级会员 