基于单片机防盗报警系统的设计.doc

基于单片机防盗报警系统的设计目 录第1章 绪 论31.1选题背景31.2课题介绍41.3本文主要工作51.4方案选择论证51.4.1单片机的选择51.4.显示器工作原理及其选择61.4.3液晶显示和数码显示61.4.4 防盗报警选择传感器的选择72.1硬件系统总体设计82.2 AT89C51芯片的介绍92.2.1引脚功能92.2.2 结构原理112.2.3 AT89C51定时器/计数器相关的控制寄存器介绍122.2.4 MAX708芯片介绍 132.3 单片机复位设置142.4 8255A芯片介绍142.4.1 8255A的引脚和结构152.4.2 8255的工作方式162.4.3 8255的控制字182.5 AT89C51与8255的接口电路192.6 显示部分202.6.1七段显示译码器202.6.2 7448译码驱动212.6.3 单片机与7448译码驱动器及LED的连接232.6.4外部地址锁存器23第3章 检测信号放大电路设计243.1 热释红外线传感器典型电路253.2 红外光敏二极管警灯电路263.2.1 光敏二极管控制电路273.3红外线探测信号放大电路设计283.3.1光电耦合器驱动接口303.3.2 集成电路运算放大器313.3.3 精密多功能运算放大器INA105313.3.4 低功耗、双运算放大器LM35834第4章 电源设计354.1 单片机系统电源354.2检测部分电源355.1 主程序设计375.2 核对子程序设计385.3 中断子程序设计385.4 读数子程序设计395.5 程序设计说明405.6 程序清单41第6章 调试456.1安装调试456.2音响（和继电器）驱动线路具体连接456.3 程序修改466.4 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:图1.1 系统基本框图报警电路显示电路单片机检测电路警语播放电路键盘输入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4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.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I/O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I/O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12ms。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I/O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。2.2 AT89C51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。89系列单片机是以8031核构成的，所以与8051系列单片机相互兼容。这个系列对于以8051为基础的系统来说，进行取代和构造十分容易。89系列单片机的内部结构与80C51相近，主要含有以下几个部件：l 8031CPU；l 振荡电路；l 总线控制部件；l 中断控制部件；l 片内Flash存储器；l 片内RAM；l 并行I/O接口；l 定时器；l 串行I/O接口； 图2.2 AT89C51引脚图2.2.1引脚功能1、I/O口线, AT89C51引脚图如图2.2所示。（1）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器及扩展I/O口时，P0口作为低字节地址/数据线复用。 P0口也可做通用I/O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I/O口，具有内部上拉电阻。 P1口是为用户准备的I/O双向口。（3）P2口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 当使用片外存储器或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。P2口也也可做通用I/O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I/O口，具有内部上拉电阻。P3口也可做通用I/O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2.1 P3口替代功能引脚替代功能说明P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时器0外部事件计数输入P3.5T1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（External Access Enable）。 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0000HFFFFH；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（Program Stroe Enable）,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（Address Latch Enable）。 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1/6，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：中断控制CPU片内Flash存储器总线控制片内RAM4个I/O端口定时器1定时器0ETC振荡器串行端口TXD RXDP0 P2 P1 P3计数器输入外部中断扩展中断 图2.3 AT89C51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（Program Counter）、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（Read Only Memory）。用随机存储器RAM（Random Access Memory）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Flash Memory,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（00HFFH）,其中高128字节地址(80HFFH)被特殊功能寄存器SFR占用,用户只能使用低128字节单元(00H7FH)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。2.2.3 AT89C51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TCON2、 工作方式控制寄存器TMODTMOD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D7D6D5D4D3D2D1D0位符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0C/T 计数方式/定时方式选择位。C/T=0，选择定时工作方式；C/T=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IE4、 中断优先级寄存器IP2.2.4 MAX708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2.4 MAX708 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2.5 MAX708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2.6 MAX708与89C51及8255A的接口电路图2.4 8255A芯片介绍8255A是INTEL公司生产的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口分别称为PA口、PB口、PC口又分为高4位口（PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255A可以与单片机直接接口，具体接口电路图如图2.10所示。2.4.1 8255A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、C8255A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、D0D7：8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 A0 A1 被选中的端口名 0 0 PA口 0 1 PB口 1 0 PC口 1 1 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）数据总线缓冲器（Data Bus Buffer）读/写控制逻辑（R/W Control Logic）A、B组控制单元(Group A & Group B Control)PA口、PB口、PC口（PA0PA7,PB0PB7,PC0PC7）(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。2.4.2 8255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2.7 8255A引脚和结构图表2.3 8255A端口选择及功能A0 A1操 作0 00 11 00 00 11 01 1X X1 1X X0 1 00 1 00 1 01 0 01 0 01 0 01 0 0X X 10 1 01 1 0A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PC3PC7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PC0PC2只能编程方式为0或方式1工作。B C APB7PB0控制控制PA7PA0B组A组方式1 I/OI/ObB C APB7PB0控制控制PA7PA0I/OI/O双向A口控制方式2c 图2.8 8255的三种工作方式A 方式0 b 方式1 c 方式22.4.3 8255的控制字8255有两种控制字，即控制A口、B口、C口的工作方式的方式控制字和控制C口各位置位/复位控制字，两种控制字写入的控制寄存器相同，只是用D7位来区分哪一种控制字。D7=1时为C口置位/复位控制字。两种控制字的格式和定义如下图所示: a b图2.9 8255的控制字格式 a方式选择控制字 b C口置/复位控制字2.5 AT89C51与8255的接口电路在89C51单片机上扩展一片8255A芯片，无需外加任何逻辑电路，其接口如图2.10所示。图中8255A的PA口地址为7CH，PB口地址为7DH，PC口地址为7EH，控制字寄存器地址为7EH。这里8951单片机对8255采用了线性选址法。 图2.10 89C51与8255A的接口电路图2.6 显示部分在数字测量仪表和各种数字系统种，都需要将数字量直观地显示出来，一方供人们直观读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。因此数字显示是许多数字设备不可缺少的部分，本设计中发生盗情时要让主人知道具体发生在哪点，所以直观地用LED显示数字1、2、3、4，表示相对应的地点，很是一目了然。并且采用7448译码驱动,为软件提供了方便。2.6.1七段显示译码器数字显示通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，如图2.11所示。下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有各种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝小型、低功耗、平面化方向发展。常用的LED显示器有七段，这种显示器有共阴极和共阳极两种。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。计数器译码器驱动器显 示 器脉冲信号KHZ图2.11 数字显示电路组成框图图2.12b表示七段数字显示器利用不同发光段组合，显示015等阿拉伯数字。在实际应用中，1015并不采用，而是两位数字显示器进行显示。a. 分段布置图 b.段组合图 c. 共阳极 d.共阴极图2.12 七段数字显示发光段组合图2.6.2 7448译码驱动 如前所述,分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码管的。因此，为了使数码管能将所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、c、d、g各段点亮，即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。下面介绍常用的7448七段显示译码器。7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。7448的功能如表2.4所示。它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO，现分别简要说明如下：灭灯输入BI/RBO BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作为输入使用且BI=0时，无论其他输入端是什么电平，所有各段输出ag均为0，所以字型熄灭。试灯输入LT 当LT=0时，BI/RBO是输出端，且RBO=1，此时，无论其他输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字型为。该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。动态灭零输入RBI 当LT=1，RBI=0且输入代码DCBA=0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字型0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1，RBI=0可以实现某一位0的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。动态灭零输出RBO BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT=1且RBI=0，输入代码DCBA=0000时RBO=0；若LT=0或者LT=1且RBI=1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码之间的连接。 表2.4 7448功能表十进制或功能输 入BI/RBO输 出字 型LTRBID C B Aa b c d e f g01234567891112131415HHHHHHHHHHHHHHHHXXXXXXXXXXXXXXL L L LL L L HL L H LL L H HL H L LL H L HL H H LL H H HH L L LH L L HH L H LH L H HH H L LH H H LH H H HHHHHHHHHHHHHHHHH H H H H H HL H H L L L LH H L H H L HH H H H L L HL H H L L H HL L L H H H HH H H L L L LH H H H H H HH H H H L H HL L L H H L HL L H H L L HL H L L L H HH L L H L H HL L L L H H HL L L L L L L消 隐脉冲消隐灯 测 试XHLXLXX X X XL L L LX X X XLLHL L L L L L LL L L L L L LH H H H H H H从功能表可以看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其他输入代码则要求LT=1，这时候译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字型的要求。2.6.3 单片机与7448译码驱动器及LED的连接现直接用7448译码驱动LED显示数字，直观明了，在软件方面也有优点。7448的输入接单片机一般I/O口，电阻起限压作用。单片机与7448译码驱动器及LED的接口电路如下所示。 图2.13 单片机与7448译码驱动器及LED的连接图2.6.4外部地址锁存器单片机中的16位地址，分为高8位（A15A8）和低8位（A70）。高8位由P2口输出，低8位由P0输出。而P0口同时又是数据输入/输出接口，故在传送时采用分时方式，先输出低8位地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行读/写操作时，地址必须保持不变，这就需要适当的寄存器存放低8位地址，这个外接的寄存器就称为地址锁存器。在进行外部存储器扩展时，凡具有输入/输出控制的8位寄存器均可作为地址锁存器8。目前常用的地址锁存器芯片有：74LS273、74LS373、8282等,引脚图分别如2.14所示。引脚说明：l STB:数据输入锁存选通信号,高电平有效.当该信号为高电平时,外部数据选通到内部锁存器,负跳变时,数据锁存。l /OE：数据输出允许信号，低电平有效。当该信号为低电平时，锁存器中数据输出到数据输出线。当该信号为高电平时，输出线为高阻态。l D0D7：8位数据输入线。l Q0Q7：8位数据输出线。（a）74LS273 (b) 74LS373 (c)8282 图2.14 地址锁存器引脚图89C51单片机P0口与地址锁存器的连接方法如图2.15所示。图2.15中的b图为74LS373的引脚图，/OE为使能控制端，G为锁存控制信号。74HC373有三种工作状态：（1）当/OE为低电平，G为高电平时，输出状态和输入状态相同，即输出跟随输入。（2）当/OE为低电平，G由高电平变为低电平时，输入端数据锁入内部寄存器中，内部寄存器中的内容与输出端相同。当G保持低电平时，即输入端数据变化也不会影响输出端状态，从而实现了锁存功能。（3）当/OE为高电平时，锁存器缓冲三态门封闭，即三态门输出为高组态，输入端D0D7和输出端Q0Q7隔离，则不能输出。(a)使用74LS273 (b)使用74LS373 (c)使用8282图2.15 89C51单片机P0口与地址锁存器的连接方法第3章 检测信号放大电路设计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。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；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。本章节主要介绍几种不同的利用红外线检测报警的电路，并由此得出检测信号放大电路。3.1 热释红外线传感器典型电路热释红外线传感器由于具有独特的优异功能，被广泛应用在国防和民用领域，作遥控、遥测、防盗、警戒、放火及自动化设施，其原理及典型应用电路如图3.1所示。 热释红外线传感器主要由高热系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成，它能以非接触形式，检测出物体放射出来的红外能量变化，并将其转换成电信号输出12。金属、塑料封装热释红外传感器，内装有变换阻抗用的场效应晶体管，输出阻抗一般为1047k，顶端或侧面装有滤光镜片，用来选择接收不同波长的热释红外线。人体辐射的红外线中心波长为910m,而这种探测元件的波长灵敏度特性在0.220m,范围几乎是稳定不变的.在硅片表面上截止波长710m,的滤光片,使波长超过710m的红外线通过,而小于7m的红外线被吸收,于是就得到只对人体敏感的热释红外线。如果用菲涅耳透镜配合放大电路，将检测出来的红外信号放大6070dB，则可检测出1020m处人的行动，。热释红外线传感器的文字符号为AT。图3.3为热释红外线传感器典型应用电路。AT为双元件热释红外线传感器，内部电路见图3.1，其接收波长为6.514m，适用于防盗报警系统，输出阻抗为10k;AT为单元件热释红外线传感器，接收波长为120m，适用于温度遥测，但同样亦可用于防盗及自动控制系统，其内部电路如图3.2所示。 在这例电路中，当AT接收到人体信号时，输出一个微弱的低频信号，其频率约为0.33Hz。经晶体管VT1和运算放大器A1组成的两级放大器将信号放大至7075dB。由A2等组成的电压比较器，设定一参考电压。在无目标进入时，末级无输出；一旦有目标进入探测范围，AT则有信号输出，经放大后，电压高于比较器设定电压时，A2输出高电位，VT2导通，继电器K吸合，其触点接通报警电路或控制电路，实现热释红外线探测之目的。 3.1双元件热释红外线传感器 3.2 单元件热释红外线传感器3.3 热释红外线传感器典型电路3.2 红外光敏二极管警灯电路 图3.4中，VDP是红外光敏二极管，在电路中反向连接。当把它置于红外光照强度很弱的环境中时，VDP内部仅有极少的载流子流过，表现为高阻值；当它接收到一定强度的红外光时，其内部的PN结载流子受红外光激发而增多，VDP反向电流增大，表现为低阻值。 图3.4 红外光敏二极管电路图3.4主要由运算放大器IC1和四与非门（D1aD1d）等组成。在VDP无光照时，调节RP使IC1的脚为1.5V左右，D1b的脚输出高电平。在这里，D1a与D1d构成单稳态触发电路，D1d第11脚输出高电平，D1C的第10脚输出抵电平，发光二极管VL不亮。 我们将本装置安装在走廊的一侧，其对面安装一只白炽灯（灯光中含有红外光），VL不亮。当有不速之客闯入光源与光敏二极管之间的警戒域时，VDP接收的光强瞬时减小，等效电阻值增大，在M点产生一个脉冲信号，经C1耦合到IC1的输入端，IC1的第6脚变为高电平，D1b的第10脚输出高电平，VL发亮，向主人报警。3.2.1 光敏二极管控制电路 光敏二极管是常用的光敏元件之一,它与普通的半导体二极管相比，相似之处是管心都是一个PN结，具有单向导电性能；不同之处是从外形上看时，光敏二极管管壳上有一个能射入光线的“窗口”。当光线透过“窗口”照射到光敏二极管管心上时，PN结反向漏电流增大，此时的漏电流称为光电流；而无光照时，PN结反向漏电流很小，此时的漏电流称为暗电流。我们就是利用光敏二极管的这一特点，演变出许许多多的经典光敏二极管控制电路12。光敏二极管的典型应用电路如图3.5所示。从图中可以看出，光敏二极管工作时必须加上反向电压。在这里，RL为光敏二极管的负载电阻，U0为输出电压。图3.5 光敏二极管的典型应用电路从以上两个例子及资料中我们可以比较设计出以下红外线探测信号放大电路。3.3红外线探测信号放大电路设计红外线探测信号放大电路设计中红外线探测器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。 该设计电路原理见图3.6。由红外线传感器、晶体三极管、运算放大器、电压比较器、V/I转换器等组成。图3.6 微弱信号放大电路(1) 检测部分：传感器采用带菲涅耳透镜的热释电红外线传感器。U2-热释电红外线传感器U3-低功耗双运算放大电路LM358U4-电压比较器LM393U5-低漂移高增益运算放大器OP27U6-V/I转换器芯片INA105红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由U2的脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器U3中进行高增益、低噪声放大，此时由U3的7脚输出的信号已足够强。U3作电压比较器，它的第脚由R9、VD2提供基准电压，当U3的1脚输出的信号电压到达U3的5脚时，两个输入端的电压进行比较，此时U4的1脚由原来的高电平变为低电平。此时LM393的1脚输出的是一个方波信号，然后将之输入到一个V/I转换器INA105,它的输出将是一个420mA的电流信号，以便于远距离传输。U2采用进口器件Q74，波长为910um。U3采用运放LM358，具有高增益、低功耗。U4为双电压比较器LM393，低功耗、低失调电压。其中C2、C5一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。RP1是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度密封型。制作时，在U2传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体的活动频率范围为0.110Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。(2) 单片机系统部分检测信号入单片机接口图如图3.7所示。红外线探测放大电路与单片机的具体连接见附录总图。8255的每一个输入输出口都将接一个检测来的信号信号，也就是每一路输入都有一个检测电路，它传过来的是一个420mA的电流信号，接一个250欧姆的电阻使其转换成1V5V的电压信号，此电路中只可能为1V和5V两种情况，再通过一个电压比较器LM393,当LM393（U7）的2脚为5V时，输出为高电平，光电耦合器导通，8255的输入口将为低电平（其余时刻为高电平），表示检测到有人。 图3.7 检测信号与单片机接口图以下对各部分作一些具体介绍3.3.1光电耦合器驱动接口 晶体管输出型光电耦合器的受光器是光电晶体管。光电晶体管除了没有使用基极外跟普通晶体管一样，取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。当电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb间和ce间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，常用ce极间的电流作为输出电流，输出电流受Vce的电压影响很小，在Vce增加时，稍有增加。光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器和电流传输比CTR。不同结构的光电耦合器的电流传输比相差很大16。 晶体管输出型光电耦合器可做为开关运用,这时发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，发光二极管在电流持续的时间内导通。光电耦合器也可做线性耦合器运用,在发光二极管上提供一个偏置电流,再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上,引起其亮度的变化,这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号。输出电流也就将随输入的信号电压线性变化。图3.8是使用4N25的光电耦合器的接口电路图。4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机系统与输出部分的作用，使两部分的电流信号独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而8031系统的电源地线浮空，不与交流电源的地线相接。这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性。由于光电耦合器是电流输出型，不受输出端工作电压的影响，因此可用于不同电平的转换。 图3.8 光电耦合器4N25的接口电路光电耦合器常用于较远距离的信号隔离传送。一方面可以起到隔离两个系统地线作用，使两个系统的电源相互独立，消除地位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合器的发光二极管是电流 驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路，它对噪声的敏感度低，因此提高了通迅系统的抗干扰能力。3.3.2 集成电路运算放大器集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多极直接耦合器放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，图3.9表示集成运放的内部电路组成框图。图3.10集成电路运算放大器代表符号。图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成，输出级一般由电压跟随放大器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等18。3.3.3 精密多功能运算放大器INA105INA105精密多功能运算放大器是集成运放与外围元件有机结合、并利用集成工艺与激光调阻技术相结合所形成的不同于常规集成运放的放大器件。利用这种新器件的不同组合连结，可以组成各种很有特色的精密应用电路。该器件核心部分是一个精密运算放大器，其失调电压典型值仅为50V，共模抑制比大大于86dB，失调电压漂移5V/。与常规集成运放不同的是，它在芯片上同时制作了四个电阻，分别连接运放的两个输入端，如图3.11所示。这四个电阻通过激光调阻技术将它精确到25K。这样利用四个电阻的不同连接，就能组成很有特色的应用电路，而且一般无需再外接精密电阻。图3.9 集成电路运放大器内部组成原理框图 图3.10 集成电路运算放大器代表符号 由于激光调阻值精度极高，用它组成增益为1的电压跟随器（