2017毕业论文-工厂防盗报警设计.doc

工厂防盗报警系统设计目 录前言31.系统方案设计51.1系统功能和特点52 报警器的种类62 .1各类报警器622 热释电红外传感器6221 热释电红外传感器简单介绍622 热释电红外传感器的原理特性723 热释电红外传感器的结构特性及安装83 AT89S51 单片机概述1031 AT89S51单片机的结构1032 AT89S51单片机的工作周期1533 AT89S51单片机的工作过程和工作方式1634 AT89S51的指令系统194 整机设计2141 概述2142 总体设计2243 系统硬件选择2244 硬件电路实现2345 软件的程序实现235.1.系统构成及原理265.2.实施方案设备选型及配置275.2.1探测器275.2. 2区域控制器285.2.3报警控制中心295.2.4信号传输306 产品制作306.1 Protel 99SE PCB软件介绍306.2 PCB板设计316.2.1 PCB板面规划316.2.2 PCB网络表导入316.2.3 PCB元件布局316.3.4 布线326.3 PCB板制作336.3.1 PCB打印336.3.2 PCB转印336.3.3 PCB蚀刻346.3.4 PCB钻孔346.3.5 PCB板表面处理346.4 元器件安装与产品调试356.4.1 元器件安装356.4.2 产品调试37总结38参 考 文 献39致 谢41附图A42附图B43前言当前，随着经济的发展，一个个新的厂房建设，人们对工厂的设备安全防范越来越重视，采取了许多措施来保护工厂的安全。以往的做法是安装防盗网，但也存在有碍美观，犯罪分子易发现躲蔽，不能有效地防止坏人的入侵等缺点。现在，全国各地区的厂房都在迅速地开展建设现代化的智能防盗活动，对其中的安全防范系统、监控系统等提出了更高的要求。因为在多数厂方多设在郊区，厂房的四周白天或夜间活动人员少时，犯罪分子很容易有从围墙进入厂区作案，为了使不因该发生的意外损失降到最低，必须要有一套专门的安全设备与操作人员，来维护和管理厂区的财产安全不受任何侵害，最安全有效的方法是：1、在厂区的四周围墙上装上红外探头，它是利用人眼看不见的红外线相互之间构成一个防护网，安全性及高。 2、在厂房的四周每一边大约与正中的位置上安装一个超大声音的警笛，厂区的四周四条边上安装四个警笛，无论是哪条边有人入侵，该条边的警笛立即报警，发出巨大的声音。偷盗者都是很心虚的，当听到如此大的警笛声都会吓的魂飞魄散，逃之夭夭。3、报警主机要有专人来管理，报警时主机上会显示报警的防区，显示的防区就代表该方位有人入侵，因此报警中心必须要有人值守。以便警情得到迅速处理。防盗报警系统防患于未然，用来实现较周密的外围全方位管理及建筑物内重要的管辖区，防盗报警系统分工作区安防状态的监视、结合内部对讲系统，遥相呼应，可减少管理人员的工作强度，提高管理质量及管理效益。防盗报警系统作为现代化管理有力的辅助手段,它将现场内各现场的视频图像或是险情信号传送至主控制中心及分控室，值班管理人员在不亲临现场的情况下可客观地对各监察地区进行集中监视，发现情况统一调动，节省大量巡逻人员，还可避免许多人为因素，并结合现在的高科技图像处理手段，还可为以后可能发生的事件提供强有力的证据，有了良好的环境，全方位的安全保障，才能创造良好的社会效益和经济效益。(1)本系统采用总线制方式，可使系统设备有机结合，报警信号、防拆信号、环境监测信号、设备故障信号、线路故障信号、电源不良信号等情况均通过总线即时向控制主机进行通报，并且可由中心控制室通过检测操作对系统各设备进行检测、调整，并可对各探测器的灵敏度进行调节。(2)本系统可以单独由本身报警系统所组成一个完整的回路实现其所有的报警功能，也可以把系统接入监控系统，当有报警信号输入时可以直接联动摄像机，把发生警情的区域画面第一时间传送到监控中心。(3)系统控制中心可以采用一部586以上电脑作报警用，其内置功能有：报警中文操作软件，当接收机收到前端探测器的报警信号时；中心通过电脑接收软件检测，自动启动报警代码，并调出数据库内的相关数据自动将报警信号位置楼层及报警探测器位置显示在屏幕上；如报警信号未被、处理，屏幕上将会有提示以防止操作员忘记处理；自动记录处理报警的日期、时间并可打印出来。工作人员可通过密码键盘对系统进行编程、开机、关机、布防、撤防等控制。另外，当防区产生报警后键盘上LED显示屏能显示出防区号，使工作人员立即清楚报警位置，以便及时处理警情。为了进一步满足社会经济发展与人们文明生活的高标准要求，创造一个安全、舒适、温馨、高效的办公与生活环境，并根据各种不同大厦的需要，从项目的具体实际出发，做到配置合理，留有扩展余地，技术先进，性能价格比高，确保系统性能高质量，高可靠性。本套防盗报警系统，是在认真研究了项目的技术要求和低价高效率原则的基础上，系统为一个功能完善，技术先进, 质量稳定可靠的管理与安全保卫系统，为实现自动化管理发挥积极的作用。本设计本着安全 、经济、实用、完善、兼容的方针，系统可采用分级控制，操作简单，可联网集成，防盗报警系统提供给管理者及是一个直观的声像警示，管理员能及时了解到区内各处的保卫安全情况，及时采取措施，红外报警能及时告诉何处有外人闯入，管理者能及时了解各设备目前的状态及运作情况及各区工作人员的工作情况，若此方案得到实施，将对自动化管理，安全技术防范，提高内部安全状况等方面都将起到积极的促进作用。1. 系统方案设计本设计方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。本系统设计内容是系统的、完整的、全面的；设计方案具有科学性、合理性、可操作性。其具有以下原则：1、先进性与适用性采用目前最先进的软、硬件及网络技术，出错率低，兼容性强，升级容易，采用模块式结构，扩容方便，没有重复建设投资，系统的技术性能和质量指标应达到国际领先水平；同时，系统的安装调试、软件编程和操作使用又应简便易行，容易掌握。同时也有着舒适、安全、方便、快捷为准则，其操作应简便易学。2、经济性与实用性考虑实际需要和信息技术发展趋势，根据现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符合要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现最佳的性能价格比，以便节约投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。3、可靠性与安全性 硬件选用先进、成熟、可靠的产品，能适应室外环境的硬件，系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能，同时系统具有一整套完成的系统管理策略，可以保证系统的运行安全。4、追求最优化的系统设备配置在满足对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。5、提高监管力度与综合管理水平本设计系统设备控制需要高效率、准确及可靠。本系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合监控，时时动态撑握监视及报警情况。防盗报警系统大大减少劳动强度，减少设备运行维护人员；另外，系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，在最佳情况下运行，既可节能，又可大大减少设备损耗，减少设备维修费用，从而提高监管力度与综合管理水平。1.1系统功能和特点 本系统既要先进、实用、成熟、可靠，又要系统开放性、可扩展性好，防盗报警系统对现场设备进行集中监视、控制和管理，使设备得以安全、可靠、高效地运行，最大限度地发挥智能管理的作用，创造安全、健康、舒适宜人和能提高工作效率的优良环境，节约能源，并减少维护人员。根据本环境需要,并接合功能需求建立防盗报警系统，其具有以下功能：对建筑物重要区域的出入口，财务及贵重物品库的周界等特殊区域及重要部位需要建立必要的入侵防范警戒措施；周界防范系统充分发挥其特有职能，能及时发现各种安全隐患和违章行为，便于有效处理及制止事态漫延，并为日后提供查询资料,以保障正常运营次序及完善各项管理。防盗报警系统主要是一些探测设备组成，利用现代科技的声、光处理技术，采用物理方法和电子技术，来自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并向值班人员辅助提示发生报警的区域部位、显示可能采取的对策。总之，本防盗报警系统是一个使本项目高度自动化、高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。2 报警器的种类2 .1各类报警器1.开关型传感器（1）微动开关、按键开关；（2）干簧继电器。2.压力传感器（1）压电陶瓷压力传感器；（2）半导体压力传感器。3.声音传感器；4.光电传感器；5.热释电红外传感器。22 热释电红外传感器221 热释电红外传感器简单介绍热释电红外线(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自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等。自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子型两类，热型红外传感器也称热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热型的特点相反，而且要求冷却条件。它是目前在防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、 自动照明。及非接触温度测量等领域应用最广泛的传感器。其原因为：被测对象自身发射红外线，可不必另设光源；大气对2-26lLm、35lLm、8141lm三个被称为“大气窗口”的特定波段的红外线吸收甚少，可非常容易被检测；中、远红外线不受可见光影响，可不分昼夜进行检测。 22 热释电红外传感器的原理特性热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm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，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。图2.1 菲涅耳透镜工作原理图菲涅尔透镜（图2.1）利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910-um，而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在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710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压号。在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。 23 热释电红外传感器的结构特性及安装图2.2 双探测元热释电红外传感器图2.2是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时端接电源正极，端接电源负极，端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2-20。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.1-10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如 图2.3所示, 在VCC电源端2利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。图2.3 热释电红外传感器原理图双探测热释电红外探头的优缺点优点：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。缺点：1、容易受各种热源、光源干扰。2、被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。3、易受射频辐射的干扰。4、环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度降低，有时造成短时失灵。抗干扰性能：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。热释电红外传传感器的安装要求红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：1、红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。2、红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3、红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4、红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。3 AT89S51 单片机概述31 AT89S51单片机的结构 AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大。AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。图3.1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。有图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。外时钟源 外部事件计数振荡器和时序OSC程序存储器4 KB ROM数据存储器256 B RAM/SFR定时器/计数器 2 16 AT89S51 CPU 64 KB总线 扩展控制器可编程 I/O可编程全双工串行口内中断 外中断 控制 并行口 串行通信 图3.1 AT89S51 功能方块图1. 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。AT89S51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。2. 内部数据存储器（内部RAM）AT89S51 中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。3. 内部程序存储器（内部ROM）AT89S51 共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。4. 定时器/计数器AT89S51 共有2 个16 位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。5. 并行I/O 口AT89S51 共有4 个8 位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），可以实现数据的并行输入、输出。6. 串行口AT89S51有1 个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。7. 时钟电路AT89S51 单片机内部有时钟电路，但晶振和微调电容需要外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。8. 终端系统AT89S51 的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。它共有5 个中断源：2 个外部中断源/INTO和/INT1 ；3 个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口中断。由上所述，AT89S51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。AT89S51 较详细的内部结构如附图A所示。3.1.1 管脚说明ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图3.2所示。AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。图3.2 DIP 封 装 引 脚 图 图 3.3 SMT 的 封 装 图VCC：供电电压。GND：接地。P0口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口： P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.1.3 振荡器特性（1）XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。图3.4内外部振荡器电路（2） 芯片擦除 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。32 AT89S51单片机的工作周期单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图3.5所示。图 3.5 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期振荡周期：是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。状态周期：每个状态周期为振荡周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为P1、P2。机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个振荡周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 指令周期：它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（主振周期即为振荡周期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。一般情况下，算术逻辑操作发生在时相P1期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相P2期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用XTAL2引脚振荡信号作参考。33 AT89S51单片机的工作过程和工作方式单片机工作过程遵循现代计算机的工作原理（冯诺依曼原理），即程序存储和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。 单片机的工作方式有：复位、程序执行、掉电保护和低功耗、编程、校验与加密等方式。1复位方式通过某种方式, 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。复位方式是单片机的初始化操作。单片机除了正常的初始化外，当程序运行出错或由于操作错误而使系统处于死循环时，也需要按复位键重启机器。MCS51单片机复位后, 程序计数器PC和特殊功能寄存器复位的状态如表3.1所示。 复位不影响片内RAM存放的内容, 而ALE、在复位期间将输出高电平。由表3.1 可以看出，复位后：(1)（PC）=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H，即单片机复位后从0000H单元开始执行程序；(2)（PSW）=00H， 其中RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，表示复位后单片机选择工作寄存器0组；(3)（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立；(4) P0口P3口锁存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入口，无须向端口写1。定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响。 能部件工作状态的影响。 表 3.1 PC与SFR复位状态表寄存器复位状态寄存器复位状态PCABPSWSPDPTRP0P3IPIETMOD0000H 00H 00H 00H 07H0000H FFHXX000000B0X0000000B 00HTCONT2CONTH0TL0TH1TL1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H00HXXH(0XXX0000B)单片机在时钟电路工作以后, 在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位以及“看门狗”复位三种类型。前两种见 图3.6所示。 “看门狗”电路则是一种集成有单片机的电源监测、按键复位以及对程序运行进行监控，防止程序“跑飞”而出现死机而设计的电路。图3.6（a）上电复位电路; （b）上电/外部复位电路2程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H，因此程序执行总是从地址0000H开始，为此就得在0000H处开始的存储单元安放一条无条件转移指令，以便跳转到实际程序的入口去执行。3待机方式待机方式也称空闲方式，是一种节电工作方式。在待机工作方式中，振荡器保持工作，时钟脉冲继续输出到中断、串行口、定时器等功能部件，使它们继续工作，但时钟脉冲不再送到CPU，因而CPU停止工作。4掉电方式掉电方式，也被称为停机方式。在掉电方式中，振荡器工作停止，单片机内部所有功能部件停止工作。它同样是一种为降低功耗而设计的节电工作方式。待机方式和掉电方式都是为了进一步降低功耗而设计的节电工作方式，它们特别适合于电源功耗要求很低的应用场合。这类系统往往是直流供电或停电时依靠备用电源供电，以维持系统的持续工作。CHMOS型单片机的节电方式是由特殊功能寄存器PCON控制，其具体使用可参考相关书籍和手册。空闲和掉电模式外部引脚状态 如下表 3.2 所示：表 3.2 空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器ALEP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据5. 编程和校验方式对于内部集成有EPROM可以进入编程或校验方式。（1）内部EPROM编程编程时，时钟频率应定在3-6MHz的范围内，其余各有关引脚的接法和用法如下：P1口和P2口的P2.0P2.3为EPROM的4k地址输入，P1为8位地址；P2.4P2.6以及PSEN应为低电平；P0口为编程数据输入；P2.7和RST应为高电平；RST的高电平可为2.5V，其余的都以TTL的高低电平为准；EA/VPP端加+21V的编程脉冲，此电压要求稳定，不能大于21.5V，否则会损坏EPROM在出现正脉冲期间，ALE/PROG端加上50ms的负脉，完成一次写入。（2）EPROM程序校验在程序的保险位未设置前，无论在写入的当时或写入以后，均可将片上程序存贮器的内容读出进行检验，在读出时，除P2.7脚保持为TTL低电平之外，其他引脚与写入EPROM的连接方式相同。要读出的程序存贮器单元地址由P1口和P2口的P2.0P2.3送入，P2口的其他引脚及保持低电平，ALE、EA和RST接高电平，检验的单元内容由P0口送出。在检验操作时，需在P0的各位外部加上电阻10k。（3）程序存贮器的保险位AT89S51内部有一个保险位，亦称保密位，一旦将该位写入便建立了保险，就可禁止任何外部方法对片内程序存贮器进行读写。将保险位写入以建立保险位的过程与正常写入的过程相似，仅只P2.6脚要加TTL高电平而不是像正常写入时加低电平，而P0、P1和P2的P2.0P2.3的状态随意，加上编程脉冲后就可使保险位写入。保险位一旦写入，内部程序存贮器便不能再被写入和读出校验，而且也不能执行外部存贮器的程序。只有将EPROM全部擦除时，保险位才能被一起擦除，也才可以再次写入。通过以上对单片机硬件系统的简单介绍，应该已经掌握了单片机的内部结构及工作的原理和过程，但是单片机要实现它的强大控制功能特性，只有硬件是不能工作的，还必须依靠它的指令才能发挥单片机的强大作用。下面介绍单片机的指令系统。 34 AT89S51的指令系统 指令是规定计算机进行某种操作的命令，一条指令只能完成有限的的功能，为使计算机完成一定的或复杂的功能就需要一系列指令。计算机能够执行的各种指令的集合称为指令系统。单片机的主要功能也是有指令系统体现的。C51 指令系统使用了 7种寻址方式，共有111条指令。指令一般有两部分组成，即操作码和操作数。80C51 汇编语言指令格式如下： 操作码 操作数 ；注释操作码 ：是有助记符表示的字符串，它规定了指令的操作功能。操作码 ：是指参加操作的数据或数据的地址。注释 ：是为该条指令作的说明，以便于阅读。在80C51指令系统中，操作数可以是1、2、3个，也可以没有。不同功能的指令，操作数作用不同。例如，传送指令多数有两个操作数，写在左边的称为目的操作数（表示操作结果存放的单元地址），写在右边的称为元操作数（支出操作数的来源）。例如，一条传送指令的书写格式为： MOV A ，3A H ； 表示将3A H 存储单元的内容送到累加器 A中。 1. 寻址方式 包括：立即数寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址（基址寄存器 + 变址寄存器间接寻址）、相对寻址、位寻址，共7种寻址方式，且每种寻址方式所涉及的存储器空间各有不同。请参考相关书籍。 2. 数据传送类指令； 3. 算数运算类； 4. 逻辑运算类； 5. 控制转移类； 6. 位操作类；80C51 指令系统的寻址方式、各类指令的格式及功能等相关内容，请参考相关书籍，这里不再赘述。但指令系统是学习和使用单片机的一个很重要环节，应理解和熟练掌握这些指令系统。且不同种类的单片机其指令系统一般是不同的。4 整机设计41 概述 本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和机通信，便于多用户统一管理和用户操作。 该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警和显示等模块子函数。电路结构做成可划分为：热释电红外传感器、家庭智能报警器、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、本地显示、本地报警等功能。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试等几个阶段，就本设计来说也包括这些过程。它们的进程框图如图4.1 所示。开始 明确任务 选机型，划分软、硬件硬件研制软件设计联机仿真调试排出故障、修正软件固化程序、应用系统独立运行完成研制图 4.1 单片机应用系统研制过程框图42 总体设计 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传探头电路、报警电路、单片机、复位电路、LED显示控制电路及相关的控制管理软件组成；它们之间的构成框图如图4.2总体设计框图所示： CPUAT89S51复位电路信号检测电路LED数字显示报警执行电路LED发光显示放大驱动驱动驱动图4.2 总体设计框图 处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，然后通过LED显示报警次数，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。 43 系统硬件选择从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： AT89S51、热释电红外传感器、LED、按键、反相器74LS04、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路，以及单片机的手工复位电路等等。元器件选择与制作：元器件清单见附录B所示44 硬件电路实现经分析本设计的电路原理图见附图B所示45 软件的程序实现按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如下图4.3所示；入口 初始化 监测外部有无信号输入 N 显示报警的次数且启动声光报警电路开始报警 Y 声光报警是否持续10秒 N声光报警结束，LED显示出报警次数 Y Y 是否还有检测信号等待下次报警 Y N结束 图4.3 主程序工作流程图本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释点传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警点路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，同时显示出报警次数以便人们查询，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图4.4所示；中断源发出中断申请关中断、保护现场INTO/端有输入信号关闭报警 恢复现场、关中断 中断返回 图4.4 中断服务程序工作流程图1. 主程序清单如附录A所示其中，10秒钟的定时采用定时器T0定时工作在方式1 ,单片机晶振Fosc=12MHz，所以机器周期T=12t0=12(1/12MHz)=1us 设定时器T0初始值为X，则：(216-X)1us=50ms 从而可知定时器T0初始值X= 65536-50000=15536=3CB0H,在此用50H、51H单元分别进行1秒和10秒的计数，它们内的赋值分别为14H、0AH ，T0的初值置为TL0=0B0H、TH0=3CH。已经通过仿真软件仿真，可以达到预定设计的目的，仿真效果图如下图4.5所示 ；图4.5 结果仿真效果图通过仿真图可以看出,该设计程序的结果达到了预期的目的,通过多次调试和修改，且在程序设计过程中应考虑到各方面的干扰以及输入输出信号在工作中的不稳定因素，都应该在程序设计或硬件外围电路中对这些干扰和不稳定因素进行消除和稳定。在本设计中已经对外部输入信号和按键中断进行了软件消抖和防干扰处理，本设计在设计过程中，应该考虑的问题和因素都已经进行了对应的处理，所以，一些隐患在设计过程中都已经消除了，根据仿真实现了设计功能，同时，根据原理图作出相应的PCB图，如下图4.6所示； 图4.6 报警器PCB效果图根据PCB图做出电路板，按照PCB图的线路元器件的连接即可焊接出报警器成品，然后对焊接后的成品进行修正、测试，可以达到预期的目的，既当报警器工作时，当人体移动到距离报警器010M 范围时，即可触发报警器工作，当持续报警10S钟后自动停止报警，也可以手工按键解除报警；在报警的同时也可以显示出报警的次数，以供人员查阅。所以，此次设计的报警器灵敏度高，操作简单、灵活、易用。 5.1.系统构成及原理防盗报警系统分别由探测器、区域控制器和报警控制中心三部分构成。 防盗报警器的作用防盗报警系统就是用探测器对建筑物内外重点区域、重要地点布防,在探测到非法入侵者时,信号传输到报警控制器:声光报警,显示地址,有关值班人员接到报警后,根据情况采取措施,以控制事态的发展。防盗报警系统除上述报警功能外,尚有联动功能。诸如:开启报警现场灯光(含红外灯)、联动音视频矩阵控制器、开启报警现场摄像机进行严视,电视矩阵控制器一系列联控:使监视器显示图像、录像机录像、多媒体控制器自动或人工操作等等这一切都可对报警现场进行声音、图像等进行复核,从而确定报警的性质(非法入侵、火灾、故障等),以采取有效措施。系统通过键盘启动报警主机后，进入防范状态。如有人非法进入防区，会触发室内探测器，系统会检测并确认报警信号(即发出警报)，并将信号送到控制主机，发出报警达到防范作用。工作人员进入时只需通过键盘解除防盗系统(即撤防)，则防区内探测器暂时关闭。遇到不法之徒进行打劫时，按紧急按钮或相应的紧急装置，向保安监控中心求援，控制主机将原设定的地址代码及报警类别经电话线发到报警中心(即110、派出所)。报警中心电脑检测到送来数据并进行识别，从数据库调出相关资料、显示警情信息和位置的相关资料。另外控制中心的报警主机自动不定时检测前端各报警系统工作情况，如信号中断或控制系统有故障即可自动提示并打印出故障发生在某个区域的系统，系统可全天24小时无故障运行，确保安全。同时报警信息联动闭路监控系统，将报警现场附近摄像机图像切换到监视器，并联动录像机进行录像。5.2.实施方案设备选型及配置5.2.1探测器 1)门磁开关：是探测器最基本、最简单有效的装置，常用的有微动开关、磁簧开关等，一般装在门窗上。开关可分为常开和常闭两种。常开式常处于开路，当有情况时(如门、窗被推开)，开关就闭合，使电路导通启动警报，这种方式优点是平时开关不耗电，缺点是如果电线被剪断或接触不良将使其失效。常闭式则相反，平常开关为闭合，异常时打开，使电路断路而报警。该方法优点是，在线路被剪断或线路有故障时会启动报警，但当罪犯在断开回路之前选用导线将其短路，就会使其失效。一般在门磁探测器中，大多数采用磁簧开关。2)光束遮断式探测器(又称为主动红外探器)：能够探测光束是否被遮断的探测器，目前用得最多的是红外线对射式。由一个红外线发射器和一个接收器，以相对方式布置组成,当非法入侵者横跨门窗或其他防护区域时，挡住了不可见的红外光束，从而引发报警。为防止非法入侵者可能利另一个红外光束来瞒过探测器，所以探测器的红外线必须先调制到指定的频率再发送出去，而接收器也必须配有频率与相位鉴别电路来判别光束的真伪或防止日光等光源的干扰。一般较多被用于周界防护探测器。3)被动式红外探测器(又称热感式红外探测器)：不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。任何物体，包括生物和矿物体，因表面温度不同都会发出强弱不同的红外线，各种不同物体辐射的红外线波长也不同，人体辐射的红外线波长是在10um左右，而被动式红外探测器件的探测波范围在814um，因此能较好地探测到活动的人体跨入禁区段，从而发出报警信号。被动式红外探测器按结构、警戒范围及探测距离的不同可分为单波束型和多波束型两种。单波束型采用反射聚焦式光学系统，其警戒视角较窄一般小于50o，但作用距离较远(可达百米)。多波束型采用透镜聚集式光学系统，用于大视角警戒，可达90o，作用距离一般只有几米到十几米。一般用于对重要出入口入侵警戒及区域防护。4)玻璃破碎探测器：通常利用压电式拾音器，装在面对玻璃的位置。它只对高频的玻璃破碎声音进行有效的检测，不会受到玻璃本身震动的影响。目前普遍应于玻璃门、窗的防护。5)振动探测器：用于铁门、窗户等通道和防止重要物品被人移动的场合，以机械惯性式和压电效应式两种为主。机械惯性式是利用软簧片终端的重锤受到振动产生惯性摆动，振幅足够大时，碰到旁边的另一金属片而引起报警；压电效应式是利用压电材料振动导致机械变形而产生电气特性变化的特性，检测电路根据其特性的变化来判断振动大小并报警。由于机械式容易锈蚀，且体积较大，已逐渐由压电式替代。6)视频探测器(又称为景像探测器)：多采用电荷耦合器件CCD作为遥测传感器，通过检测被检测区域的图像变化来报警的一种装置。由于是通过检测因移动目标闯入摄像机的监视视野而引起电视图像的变化，所以又称为视频运动探测器或动目标探测报警器。视频报警器利用模拟数字转换器，把图像的像素转换成数字信号存在存储器中，然后与以后每一幅图像相比较，如果有很大的差异，说明有物体的移动。7)超声波探测器：是利用人耳听不到的超声波段(频率高于20000Hz)的机械振动波来作为探测源的报警器又称为超声波报警器。用来探测空间移动物体。8)双技术探测器(又称为双鉴探测器)：是将两种探测技术结合在一起，由复合探测来触发报警，即只有当两种探测器同时或者相继在短暂时间内都探测到目标时，才可发出报警信号，从而进一步提高报警可靠性。目前使用较多的有微波被动红外双鉴探测器和超声波被动红外双鉴探测器。由于组件内有两个独立的探测技术作双重鉴证，所以避免了单技术探测器因受环境干扰而导致的误报警。9)泄漏电缆传感器：一般用来组成周界防护。该传感器由埋在地下的两根平行泄漏电缆组成，一根泄漏同轴电缆与发射机相连，向外发射能量，另一根泄漏同轴电缆与接收机相连，用来接收能量发射机发射的高频电磁能(频率为30300MHz)经发射电缆向外辐射，一部能量耦合到接收电缆收发电缆之间的空间形成一个椭圆形的电磁场的探测区域。当非法入侵者进入探测区域时，改变了电磁场，使接收电缆接收的电磁场信号发生了变化，发出报警信息，起到了周界防护作用。目前已不断开发出许多更高性能的新探测器产品，探测器选择是否恰当，布置是否合理，将直接影响报警系统的质量。在设计防盗报警系统时，要对现场