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智能井盖防盗系统论文
智能井盖防盗系统
摘要………………………………………………………………………………4
关键词……………………………………………………………………………4
一、设计任务与要求…………………………………………………………4
二、方案设计与论证…………………………………………………………4
方案一………………………………………………………………………4
方案二……………………………………………………………………5
方案三………………………………………………………………………5
三、硬件单元电路设计与参数计算…………………………………………5
1.时钟电路模块……………………………………………………………5
2.复位电路模块……………………………………………………………6
3.主控电路模块…………………………………………………………6
4.按键输入模块…………………………………………………………7
5.蜂鸣器电路模块………………………………………………………7
6.LED电路模块………………………………………………………8
四、软件设计与流程图……………………………………………………………9
五、总原电路及元器件清单………………………………………………………10
1．总原理图……………………………………………………………………10
2．元件清单……………………………………………………………………12
六、安装与调试……………………………………………………………………12
1.电路安装……………………………………………………………………12
2.电路调试……………………………………………………………………12
3.软件调试……………………………………………………………………13
七、性能测试与分析………………………………………………………………13
八、结论与心得……………………………………………………………………13
九、参考文献………………………………………………………………………14
十、致谢……………………………………………………………………………14
十一、程序清单……………………………………………………………………14
摘要：
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
随着井盖被盗数量的不断上升，井盖被盗逐步引起大家的关注，智能井盖的出现，使井盖被盗事件逐步减少。
本系统采用单片机AT89S52为中心器件来设计智能井盖防盗系统，系统实用性强、操作简单、扩展性强。
关键词：
1、AT89S52单片机。
2、智能井盖。
3、GSM模块。
4、物联网。
一、设计任务与要求
用AT89S52单片机控制GSM模块，晶振采用12MHZ。
当井盖被掀起，单片机检测到轻触开关的信号，单片机控制LED灯闪烁，同时蜂鸣器报警，这样可以吓走小偷，同时提醒周围的人们有小偷；单片机同时控制GSM模块向手机发送短信或拨打电话。
二、方案设计与论证
方案一：
智能井盖防盗系统主要检测3个按键信号，以AT89S52单片机为核心芯片，单片机控制LED灯闪烁，蜂鸣器报警，这样可以吓走小偷，同时提醒周围的人们有小偷。
根据设计要求，制定总体设计思想如下：
1、检测3个按键信号。
2、控制LED闪烁。
3、控制蜂鸣器报警。
该电路具有电路简单，设计方便，安装方便，耗电较少，也非常的可靠等点。
总体设计框图如图1所示：
图1系统整体设计方框图
方案二：
在方案一的基础上加上远程发送信号到手机功能，当井盖被掀起，单片机检测到轻触开关的信号，单片机控制LED灯闪烁，同时蜂鸣器报警，这样可以吓走小偷，同时提醒周围的人们有小偷；单片机同时控制GSM模块向手机发送短信或拨打电话。
方案三：
在方案二的基础上加上远程发送信号到服务中心功能，当井盖被掀起，单片机检测到轻触开关的信号，单片机控制LED灯闪烁，同时蜂鸣器报警，这样可以吓走小偷，同时提醒周围的人们有小偷；单片机同时控制GSM模块向手机发送短信或拨打电话，同时将报警信号发送到服务中心。
通过以上综合分析，再根据实际条件可以看出，方案二具有综合设计优点，因此智能井盖防盗系统采用方案二设计。
三、硬件单元电路设计与参数计算
1、时钟电路模块
时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个22pF的瓷片电容组成。
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。
两个30pF的瓷片电容的功能是起到晶振快速起振和稳定工作频率的功能，其电路如图3所示：
图3时钟电路模块
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是:
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
本设计使用金属外壳封装。
2、复位电路模块
复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作。
复位引脚初值状态是低电平，上电后，电容开始充电，充电完成后，复位引脚为高电平，此时，复位完成，其电路如图4所示：
图4复位电路
3、主控制系统模块
主控制器采用AT89S52，是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8位单片机。
AT89S52具有1个8KB的FLASH程序存储器，1个512字节的RAM，4个8位的双向可位寻址I/O端口，3个16位定时/计数器及1个串行口和6个向量二级中断结构。
单片机的P1.0口用于控制LED灯，P1.6口用于蜂鸣器的控制，P3.4、P3.5、P3.7口用于检测按键。
其主控电路如图5所示：
图5主控制系统模块
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编AT89S52-24PU程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数AT89S52引脚图DIP封装器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写"1"时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能:
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动AT89S52引脚图PLCC封装4个TTL逻辑电平。
对P2端口写"1"时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能:
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
4、LED输出控制
LED报警指示灯采用红色LED。
其图如图6所示
图6LED报警指示
当R=510欧时，按公式A=（5-1.8）/R计算，电路中的电流大小应为A=5mA。
发光二极管（LightEmittingDiode,LED），是一种半导体组件。
初时多用作为指示灯、显示发光二极管板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。
LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类。
5、蜂鸣器电路模块
本设计采用有源蜂鸣器，声音洪亮等优点，蜂鸣器需要使用三极管进行驱动，其电路如图7所示：
图7蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母"H"或"HA"（旧标准用"FM"、"ZZG"、"LB"、"JD"等）表示。
压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。
晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。
两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e（Emitter）、基极b（Base）和集电极c（Collector）。
三极管的分类：
a.按材质分:
硅管、锗管
b.按结构分:
NPN、PNP。
如图所示。
c.按功能分:
开关管、功率管、达林顿管、光敏管等.
d.按功率分:
小功率管、中功率管、大功率管
e.按工作频率分:
低频管、高频管、超频管
f.按结构工艺分:
合金管、平面管
g.按安装方式:
插件三极管、贴片三极管
6、按键电路模块
为了达到一个优良的检测井盖效果，此电路采用3个按键同时进行3个不同位置的检测。
其电路如图8所示：
图8按键控制电路
轻触开关又叫按键开关，最早出现在日本[称之为:
敏感型开关]使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压开关功能闭合接通，当撤销压力时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的。
轻触开关有接触电阻荷小、精确的操作力误差、规格多样化等方面的优势，在电子设备及白色家电等方面得到广泛的应用如:
影音产品、数码产品、遥控器、通讯产品、家用电器、安防产品、玩具、电脑产品、健身器材、医疗器材、验钞笔、雷射笔按键等等。
因为轻触开关对环境的条件（施压力小于2倍的弹力/环境温湿度条件以及电气性能）大型设备及高负荷的按钮都使用导电橡胶或锅仔开关五金弹片直接来代替，比如医疗器材、电视机遥控器等。
7、GSM模块
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。
简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。
开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如:
发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。
基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。
有些GSM模块具有"开放内置平台"功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。
早期的GSM模块主要是供手机厂使用，手机厂直接购买模块，配上外围的器件就是可以生产一部手机。
GSM模块解决了手机设计中复杂的射频发送和基带处理问题，并提供了标准的通信接口，厂商不用再从底层的芯片级开始进行手机的设计，缩短了设计周期。
5年前，国内的手机厂家几乎都是购买国外的成品GSM模块进行二次开发生产手机的，近几年，随着国内手机设计公司的逐渐成熟，手机厂家才摆脱对GSM模块的依赖，转为直接从芯片级入手生产手机。
由于工作年限、环境要求等因素，目前，GSM模块依然在广泛的工业应用领域使用，在各行各业都能看到GSM模块应用的产品。
例如，在车载监控领域，使用GSM模块将车辆行驶的GPS数据传输回车辆管理中心;在电力、水务系统，通过GSM模块实现了远程智能抄表，可以实时监控用户的用电和用水量;在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安装了GSM模块实现了实时的监控，不必再人工收集数据;在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警;在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。
可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。
GSM模块根据提供的数据传输速率又可以分为GPRS模块、EDGE模块、3G模块和纯短信模块。
短信模块只支持短信服务。
GPRS，可说是GSM的延续。
它经常被描述成"2.5G"，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。
GPRS的传输速率从56K到114Kbps不等，理论速度最高达171k，实际测试的下传速度在25K左右。
相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有更快的访问数据通信速度，GPRS技术还具有在任何时间、任何地点都能实现连接，永远在线、按流量计费等特点。
EDGE技术进一步提升了数据传输的速率到270K，被称为"2.75G"，数据传输速率更2倍于GPRS。
目前，国内的GSM网络普遍具有GPRS通讯功能，移动和联通的网络都支持GPRS，EDGE也已经在全国范围覆盖。
GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。
GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。
GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。
普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。
GPRS模块区别于传统的纯短信模块，两者都是GSM模块，但是短信模块只能收发短信和语音通讯，而GPRS模块还具有GPRS数据传输功能。
GSM模块的厂家最早主要在国外，包括西门子、Wavcom、Sagem等;随着国内的技术进步，国内厂家如华为、移远通信（Quectel）、Simcom、BenQ等模块由于具有更高的性价比，已经逐渐替代了国外品牌在国内市场上占据了主流的地位。
在市场上比较流行的模块包括华为的GTM900-B、西门子的DTP_RD+，Wavecom的Q24等,国内利用模块成功开发终端MODEM产品典型应用经纬星航JWOD1,经纬星航JWOD2。
四、软件设计与流程图
1、软件的设计
主程序采用扫描方式，检测是否有按键按下。
当有按键按下单片机控制LED闪烁，同时控制蜂鸣器报警，同时控制GSM模块发送报警信号到手机。
2、程序流程图
主程序
开始
按键弹起？
Led闪烁、蜂鸣器报警
GSM驱动程序
五、总原理图及元器件清单
1．总原理图如图9所示
图9总的原理图
4、元件清单
如下表所示：
元件名称
型号
数量/个
用途
单片机
AT89S52
1
控制核心
晶振
12MHZ
1
晶振电路
电容
30pF
2
晶振电路
电解电容
10uF
1
复位电路
电阻
10K
1
复位电路
发光二极管
LED
1
红
电容
104
1
滤波
电容
100uF
1
滤波
电阻
510
1
LED限流
电阻
1K
1
三极管限流
微动开关
6.5*6.5*6
3
按键电路
三级管PNP
8550
4
蜂鸣器驱动电路
插座
2pin2.54mm
1
电源
GSM模块
SIM800L
1
六、安装与调试
1.电路安装
按原理图，一一的把各个元件焊接到所制的板上即可。
2.电路调试
电路调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查系统硬件中存在的故障。
其调试可分为静态调试与动态调试两步进行。
静态调试是在系统未工作时的一种硬件检测。
第一步：
目测。
检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。
第二步：
用万用表测试。
先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源与地线之间是否有短路现象。
第三步：
加电检测。
给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值。
第四步：
是联机检查。
因为只有用单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。
动态调试
动态调试是在系统工作的情况下发现和排除系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。
动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。
由分到合是指首先按逻辑功能将系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的器件全部从系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。
当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。
由分到合调试既告完成。
由近及远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及的分层，然后分层调试。
调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。
3.软件调试
软件调试是通过对拥护程序的C编程、连接、执行发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。
运行程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。
七、性能测试与分析
系统做好的，进行系统的完整调试。
按照所设计的流程图，用单片机跟踪模式程序进行调试，配合相关的硬件动作，可以观察LED的亮灭和蜂鸣器的报警是否正确。
同样明确按键检测程序及调用延时程序功能。
经过观察各检测，我可以看到整个系统的功能都能达到我的设计要求。
八、结论与心得
以往每次做课程设计，都会感觉自己收获不少。
这次单片机课程设计也不例外。
做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高和解决
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