通信工程毕业设计论文基于ATC单片机的实验室防盗报警系统的设计

毕业设计说明书实验室防盗报警系统的设计学生姓名： 学号： 系 别： 专 业： 指导教师： 2010 年 6 月信息与通信工程系通信工程中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书实验室防盗报警系统实验室防盗报警系统摘摘 要要随着科学技术的迅猛发展，现代生活水平也随之提高，人们更希望在一种安全、舒适的环境下生活。然而不法分子的手段也在不断进步，传统防盗手段明显不能满足人们的需要。本文介绍了一种实验室防盗报警系统的设计，该系统是以 AT89C51 单片机为控制核心，采用热释红外传感器和自动拨号系统实现防盗报警。该系统具有结构简单、价格低廉、易于操作、工作性能可靠、抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠、安装隐蔽等特点，可用于实验室或家庭防盗报警。关键词关键词：单片机，报警，自动拨号，传感器中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书The system of laboratory anti-theft alarmAbstractWith the rapid development of science and technology，the level of peoples life will also be improved in modern time, that people hope live in a safe and comfortable living environment. However, the means of crime elements are also continuously progressing. Obviously, the traditional means of security can not meet peoples needs.The article introduces a design of Laboratory Anti-theft alarm system. The system used AT89C51 microcontroller as the core of control, used heat spread infrared rays sensor as sensor, used automatic dial-up system as alarm. It is simple, inexpensive and easy to be operated, anti-interference capability and secure, and the automatic dial-up alarm function can be used into laboratory and family as the alarm system.Keywords: microcontroller, alarm, automatic dial-up, sensor 中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 I 页 共页目目 录录1 引言 .11.1 本课题的研究意义 .11.2 防盗报警系统的研究状况以及发展动态 .12 系统总体介绍 .32.1 入侵探测器介绍 .32.1.1 红外探测器 .32.1.2 微波探测器 .52.1.3 玻璃破碎探测器 .62.1.4 电容变化探测器 .72.2 微控制器介绍 .72.2.1 AT89C51 芯片介绍.72.2.2 AT89C51 主要特性参数.82.2.3 AT89C51 的管脚介绍.82.2.4 AT89C51 振荡器特征.102.2.5 AT89C51 的时钟特性.112.2.6 AT89C51 功能特性概述.112.3 执行电路 .123 系统硬件电路设计 .133.1 热释电人体红外线传感器 .133.1.1 热释电人体红外线传感器的工作原理 .133.1.2 热释电人体红外线传感器的主要性能参数 .143.2 测量及放大电路设计 .143.3 热释红外传感信号专用集成电路设计 .153.3.1 专用集成电路芯片 BISS0001.153.3.3 BISS0001 工作原理.173.3.4 BISS0001 应用电路设计.18中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 II 页 共页3.4 “看门狗”复位电路 .193.4.1 “看门狗”的工作原理 .193.4.2 DS1232 的功能特性.203.5 工作指示及声光报警电路设计 .213.6 自动拨号系统 .223.6.1 MT8888 的介绍.223.6.2 MT8888 的工作原理.233.6.3 MT8888 的接口.263.6.4 MT8888 与单片机接口电路设计.263.6.5 电话线接口电路 .273.7 语音电路 .283.7.1 ISD1420 语音芯片.293.7.2 ISD1420 引脚功能描述.293.7.3 地址输入端的工作模式 .303.7.4 ISD1420 语音电路设计.303.8 显示电路 .313.9 电源电路的设计 .334 报警系统软件设计 .344.1 系统主程序设计 .344.2 PROCESS 控制模块设计.354.3 自动拨号模块程序设计 .364.3.1 信号检测 .364.3.2 DTMF 拨号程序设计.375 系统的调试及运行 .385.1 系统的硬件电路调试 .385.2 系统的软件调试 .386 结论 .40中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 III 页 共页附 录 .41参 考 文 献 .42致 谢 .44中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 1 页 共 44 页1 1 引言引言1.11.1 本课题的研究意义本课题的研究意义随着社会的不断进步和科学技术经济的不断发展，人们的安全意识也逐渐加强，但是一些不法分子的手段也在改变，传统防盗手段明显不能满足人们的要求，而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于普通实验室，中小企业和家庭。针对此类现象，研究设计了一种基于单片机控制的智能防盗报警系统，具有结构简单、价格低廉、易于操作、工作性能可靠，抗干扰能力强，灵敏度高，安全可靠安装隐蔽等特点。它利用 AT89C51 系列单片机的强大功能和可扩充性为后盾，能够快速报警保护人民生命财产的安全1。1.21.2 防盗报警系统的研究状况以及发展动态防盗报警系统的研究状况以及发展动态 在国内防盗报警最初被应用于博物馆，20 世纪六十年代主要采用的手段是声音报警，通过罪犯行窃时发出的声音作为报警信号，值班人员听到声音后再采取相应的措施。随着科学技术的发展，1982 年公安部和公安部第一研究所，根据当时的防盗报警技术的发展为故宫很多展厅安装了主动红外、被动红外、微波、超声波、声控等防盗探测器，形成了多种探测手段的防盗报警系统，防盗报警技术提高到一个新水平。1984 年以后安防事业在中国进入了普及与提高阶段，而且发展迅速。特别是 84 年为了加强庆祝国庆 35 周年的安全保卫工作，在天安门广场建立了电视监控工程，从此以后电视监控技术便进入到防盗报警系统中和城市交通安全管制中，提高了系统功能。在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下，电子地图、多媒体操作、管理与控制软件引入到防盗报警系统中。这种新的系统采用多媒体技术同时处理多种信息，并使信息之间、信息与设备之间、设备与设备之间建立逻辑联系，集成为一个交互式的系统，从而达到自动识别、自动预测、自动处理警情，使整个安防系统成为一种具有智能化的“活”的系统，让它发挥巨大、有效、可靠、灵活的系统功能2。目前，国内市场上的防盗报警系统大部分是国外品牌，如:早期的美国安定保、C&K、日本艾礼富、以色列 EL 等，近几年进入中国市场的加拿大枫叶、德国博世、美国 CE 等，这些厂商无论是在资金和技术上，都具备很强的优势，对国内中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 2 页 共 44 页厂商的发展形成巨大的竞争压力;国内防盗报警产品厂商发展时间比较短，真正取得长足发展也是在 2000 年以后，特别是在 2004 年国内有些厂商迅速成长，投资规模和企业规模都在迅速发展和扩大。但是与国外厂商相比还有很大差距。现阶段，大部分工程商安装防盗报警产品时倾向于国外品牌，其中，安装的国外产品主要来自美国、日本和韩国，这三个国家的产品占据我国报警市场的近80%的市场份额。这主要是因为，在产品供给市场上，绝大部分国外品牌来自美国和日韩，防盗报警产品在这些国家的发展已经非常成熟，产品功能稳定、性能完善，再加上进入我国是时间较早，所以在我国市场上占有相当大的份额。随着现代高新技术的发展和进步，以及安防各行业的共同努力，防盗、防非法入侵报警系统必将为营造安全、舒适的工作和生活环境，为保障公共安全、维护社会稳定、构建和谐社会发挥更大的作用，并从中得到更大的发展3。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 3 页 共 44 页2 2 系统总体介绍系统总体介绍本系统主要由入侵探测器、控制器和执行电路组成。探测器主要是对入侵信号的探测，微控制器是系统的核心部分，主要对入侵信号处理并控制执行电路，执行电路是系统的实现部分，包括报警系统、自动拨号系统、语音系统等。系统框图如图 2.1。微控制 器入侵探测 器执 行电 路 图 2.1 系统框图2.12.1 入侵探测器介绍入侵探测器介绍随着不法分子犯罪手段的不断改变，对于报警系统的要求也不断提高，尤其是探测器的准确度、隐蔽性和抗破坏性的提高尤为重要。目前探测器的种类繁多，主要有红外探测器、微波探测器、玻璃破碎探测器、超声波探测器、电容变化探测器等。2.1.1 红外探测器它是根据人体红外光谱原理，由发射端主动发射多束红外光线，在接收到红外线射束时，形成红外的网状，并进入防卫状态，当防卫射束被完全阻断超过 40毫秒时，接收端的蜂鸣器会产生现场提示音，报警信号输出电路即向主机发出无限报警信号。红外探测器有主动式红外探测器、被动式红外探测器两种。(1)主动式红外探测器主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 4 页 共 44 页所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等4。主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式安装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。(2)被动式红外探测器在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心是不见光红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。红外传感器的探测波长范围是814m，人体辐射的红外峰值波长约为 10m，正好在范围以内。被动式红外探测器（Passive Infared Detector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。单波束 PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在 5以下，但作用距离较远，可长达百米。因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。多波束型采用透镜聚焦式光学系统，目前大都采用红外塑料透镜多层光束结构的菲涅尔透镜。这种透镜是用特殊塑料一次成型，若干个小透镜排列在一个弧面上。警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 5 页 共 44 页立体扇形感热区域，构成立体警戒。菲涅尔透镜自上而下分为几排，上面透镜较多，下边较少。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜。下边透镜较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。多波束型 PIR 的警戒视场角比单波束型大得多，水平可以大于 90，垂直视场角最大也可以达到 90，但作用距离较近。所有透镜都向内部设置的热释电器件聚焦，因此灵敏度较高，只要有人在透镜视场内走动就会报警。红外光穿透力差，在防范区内不应有高大物体，否则阴影部分有人走动将不能报警，不要正对热源和强光源，特别是空调和暖气。否则不断变化的热气流将引起误报警。为了解决物品遮挡问题，又发明了吸顶式被动红外入侵探测器。安装在顶棚上向下 360范围内进行警戒，只要在防护范围内，无论从哪个方向入侵都会触发报警，在银行营业大厅，商场的公共活动区等空间较大的地方得到广泛使用5。2.1.2 微波探测器微波探测器分为雷达式和墙式两种。(1)雷达式微波探测器雷达式是一种将微波收、发设备合置的探测器，工作原理基于多普勒效应。微波的波长很短，在 1mm1000mm 之间，因此很容易被物体反射。微波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射波信号的频率会产生微小的偏移。此时可认为报警产生。采用多普勒雷达的原理，将微波发射天线与接收天线装在一起。使用体效应管作微波固态振荡源，通过与波导的组合，形成一个小型的发射微波信号的发射源。探头中的肖基特检波管与同一波导组成单管波导混频器作为接收机与发射源耦合回来的信号混频，从而得到一个频率差，再送到低频放大器处理后控制报警的输出。微波段的电磁波由于波长较短，穿透力强，玻璃、木板、砖墙等非金属材料都可穿透。所以一般安装不能面对室外，以免室外有人通过引起误报。金属物体对微波反射较强，在探测器防范区域内不要有大面积物体存在，如铁柜等。否则在其后的阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏洞。多个微波探测器安装在一起时，发射频率应该有所差异，防止交叉干扰产生误报。另外，如日光灯、水银灯等气体放电光源产生的 100Hz 调制信号由于在闪烁灯内的电离气体容易成为中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 6 页 共 44 页微波的运动反射体而引起误报。探测器对警戒区域内活动的目标的探测范围是一个立体防范空间，范围比较大，可以覆盖 6090 的水平辐射角，控制面积可达几十到几百平方米。雷达式微波探测器的发射能图与所采用的天线结构有关，采用全向天线（如 1/4 波长的单极天线）可产生圆球形或椭圆形的发射范围，这种能场适合保护大面积的房间或仓库等处。而采用定向天线(如喇叭天线)可以产生宽泪滴形或有窄又长的泪滴形能图，适合保护狭长的地点，如走廊或通道等。(2)墙式微波探测器墙式微波探测器利用了场干扰原理或波束阻断式原理，是一种微波收、发分置的探测器。墙式微波探测器由微波发射机、发射天线、微波接收机、接收天线、报警控制器组成。微波指向性天线发射出定向性很好的调制微波束，工作频率通常选择在 9 至 11GHz，微波接收天线与发射天线相对放置。当接收天线与发射天线之间有阻挡物或弹出目标时，由于破坏了微波的正常传播，使接收到的微波信号有所减弱，以此来判断在接收机与发射机之间是否有人侵入。墙式微波探测器在发射机与接收机之间的微波电磁场形成了一道看不见的警戒线，可以长达几百米、宽 2 到 4 米、高 3 到 4 米，酷似一道围墙，因此称为微波墙式探测器或微波栅栏。2.1.3 玻璃破碎探测器利用压电陶瓷片的压电效应（压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷） ，可以制成玻璃破碎入侵探测器。对高频的玻璃破碎声音（10k15kHZ）进行有效检测，而对 10kHZ 以下的声音信号（如说话、走路声）有较强的抑制作用。玻璃破碎声发射频率的高低、强度的大小同玻璃厚度、面积有关。玻璃破碎探测器按照工作原理的不同大致分为两大类。一类是声控型的单技术玻璃破碎探测器，它实际上是一种具有选频作用（带宽 10 到 15KHz）的具有特殊用途（可将玻璃破碎时产生的高频信号驱除）的声控报警探测器。另一类是双技术玻璃破碎探测器，其中包括声控-震动型和次声波-玻璃破碎高频声响型。声控-震动型是将声控与震动探测两种技术组合在一起，只有同时探测到玻璃破碎时发出的高频声音信号和敲击玻璃引起的震动，才输出报警信号。次声波-玻璃破碎高频声响双技术探测器是将次声波探测技术和玻璃破碎高频中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 7 页 共 44 页声响探测技术组合到一起，只有同时探测敲击玻璃和玻璃破碎时发出的高频声响信号和引起的次声波信号才触发报警。玻璃破碎探测器要尽量靠近所要保护的玻璃，尽量远离噪声干扰源，如尖锐的金属撞击声、铃声、汽笛的啸叫声等，减少误报警。2.1.4 电容变化探测器基于电桥测量电容的基础，利用电容的变化触发报警的探测器称为电容变化式报警探测器。由于电桥的平衡状态受桥臂上元器件值的影响，探测灵敏度较高，但受环境（温度、湿度等）影响较大。设计成差分方式工作则可有效地降低因环境影响而造成的误报警。传感器的平衡电桥伸出的感应线细小、轻便、柔软，安装不受地形限制，安装在入侵者可能翻越、靠近的场所6。2.22.2 微控制器介绍微控制器介绍MCS-51 系列单片机系统结构的完整、特殊功能寄存器的规范化以及指令系统的控制功能等特色，使其成为单片机中的主流机型，确立了单片机作为微控制器（MCU）的地位，引起了微型计算机领域新的变革。在功能相同的基础上，考虑到成本和功能问题，作者在此选用的是 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机为核心，为了理解这些功能是如何实现的，本节主要介绍 89C51 单片机的特性，功能与结构等。2.2.1 AT89C51 芯片介绍AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容7。下面就是一个 AT89C51 单片机的外观及引脚图：中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 8 页 共 44 页图 2.2 AT89C51 引脚封装图2.2.2 AT89C51 主要特性参数（1）与 MCS-51 兼容 （2）4K 字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000 写/擦循环（4）数据保留时间：10 年（5）全静态工作：0Hz-24Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8 位内部 RAM（8）32 可编程 I/O 线（9）两个 16 位定时器/计数器（10）5 个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路2.2.3 AT89C51 的管脚介绍 VCC：供电电压。 GND：接地。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 9 页 共 44 页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 FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FLASH 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 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 2.1 所示：表 2.1 部分管脚定义口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断 0）P3.3/INT1（外部中断 1）P3.4T0（记时器 0 外部输入）P3.5T1（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）中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 10 页 共 44 页 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平时间13。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。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。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8。 /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。2.2.4 AT89C51 振荡器特征XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入端和输出端，如下图所示。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 应悬空。由于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。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 11 页 共 44 页图 2.3 内部振荡电路图图 2.4 外部时钟驱动电路图2.2.5 AT89C51 的时钟特性AT89C51 的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。2.2.6 AT89C51 功能特性概述AT89C51 提供以下标准功能：4K 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，5 个中断向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0 HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所以部件工作直到下一个硬件复位9。考虑到 AT89C51 本身固有的特点，设计时需注意以下几点：首先，它的程序存储器空间为 2KB，因此所有的跳转和分支转移指令都要限制在这个范围内。其次，它没有 MOVX 指令，也就是说，它不支持外部存储器操作，这一点设计时一定要考虑到。此外，AT89C51 自身还有一些其它特点，譬如：通过使用命令使其工作在低功耗模式等。单片机利用 T0 定时器和 INT0 引脚来测量输入方波信号的周期，而使用外部中断 0 来控制定时器 T0 是否开始定时。当定时器 T0 的运行控制位复位时，不管 P3.2 引脚是何值，定时器都不工作。只有当定时器 T0 的运行控制位置位后，才能根据 P3.2 引脚状态来决定定时器是否工作。当 P3.2 引脚出现高电平时，定时器 T0 开始定时；而在其出现低电平时，定时器 T0 停止工作，并中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 12 页 共 44 页将测量信号的周期保存在定时器的存储器中11。系统初始化时可通过设置使 T0 和 T1 定时器工在模式 1。2.32.3 执行电路执行电路执行电路是本课题设计的重点，是防盗报警系统的重要组成部分，组成框图如图 2.5 它主要包括报警系统、自动拨号系统、语音电路及显示电路。控制器语音电路DTMF 收发电路摘挂机电路电 话接 口报警显示电 路报警器图 2.5 执行电路框图在执行电路中报警器是一种传统的报警方式，当发现警情是报警器受控制器控制发出报警声音，但当用户远离警区时简单的声光报警器就失去了它的作用，因此我们在电路中接入了自动拨号报警系统，自动拨号报警系统是随着科技的发展应人们的需求而发展出来的一种新技术产品，它能在发现警情时通过单片机的控制实现向预存电话号码自动拨号，并由语音电路实现语音报警。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 13 页 共 44 页3 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计热释红外探头声 光报 警驱 动电 路键 盘AT89C51单片机拨号电路MT8888放大电路BISS0001看门狗DS1232语音电路ISD2500电话接口电路电源电路LED数码管驱 动电 路图 3.1 系统硬件结构总图本设计为单片机应用系统，结构图如图 3.1 所示。防盗报警电路以 AT89C51为主控核心，主体电路由单片机系统基本电路、传感器模块电路、声光报警电路和语音拨号报警电路组成。单片机系统具有看门狗系统监控电路，可以应付大多数的意外干扰和程序错误。输入部分具有多种传感器模块输入接口，可以实现多种场合的防盗检测。输出部分具有声光报警电路和拨号报警电路，可以在警报触发的时候发出声光警告，同时自动拨打预设的电话号码报告主人。3.13.1 热释电人体红外线传感器热释电人体红外线传感器 防盗报警器入侵信号的探测是由热释电人体红外线传感器完成的，系统要探测非法入侵信号，用传统的办法目标明显易于被破坏，灵敏度低。因此我们考虑采用热释电人体红外线传感器，它具有反应速度快、准确、稳定性好、不易被破坏安全性好等特点。因此，广泛用于银行、办公楼、实验室、家庭等场合的防盗报警系统中。3.1.1 热释电人体红外线传感器的工作原理热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化，而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为 0.110Hz）和对中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 14 页 共 44 页特定波长红外线（一般为 515um）的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰12。热释电人体红外线传感器与报警器配套使用，是报警器中的核心探测元件，红外光谱原理，由发射端主动发射多束红外光线，在接收到红外线射束时，形成红外的网状，并进入防卫状态，当防卫射束被完全阻断超过 40 毫秒时，红外传感器将信号传入专用集成电路并由专用集成电路转换后输入单片机控制系统，由单片机控制系统完成控制报警器报警任务。3.1.2 热释电人体红外线传感器的主要性能参数热释电人体红外线传感器的主要性能参数：电源电压 2.210.0V 源极电压 0.32.0V 源极阻抗 47K Id=643uA 电 平 衡 10%Max） 频率响应0.330Hz 12db（Max）响应波长 7.514um 平均大于 70%工作温度-1050。其输出电压与特性曲线如图 3.2 所示。图 3.2 Rv 与 的关系曲线3.23.2 测量及放大电路设计测量及放大电路设计如图 3.3 所示的电路是由测量元件、补偿元件及电阻组成的测量电路，其中A1为测量元件，A2为补偿元件，R1、R2为纯电阻。在正常情况下，调节 A2是电桥输出电压 U0=0，当控制区域的探测温度增加时，A1的阻值增加，则输出电压也增加，通过测量输出电压 U0即可得探测的温度变化。其中 Ui为稳压源，它的稳定性决定了测量的精度。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 15 页 共 44 页由于探测电路的输出信号比较弱，必须对信号进行放大，本设计采用由单运放组成的测量放大器，如图 3.4 所示。电路中，利用三个运放组成了一同相差动放大电路，其中电路配置时，一般使 Rf1=Rf2，通过调整 RW，改变放大器的增益。 图 3.3 测量电路 图 3.4 放大电路3.33.3 热释红外传感信号专用集成电路设计热释红外传感信号专用集成电路设计3.3.1 专用集成电路芯片 BISS0001根据系统的需要作者在这里选择了 BISS0001 芯片，其内部原理框图如图3.5。图 3.5 BISS0001 原理BISS0001 采用 CMOS 工数模混合、16 脚 DIP 封装、具有独立的高输入阻抗运算放大器、内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰、静态电流极小等特点。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 16 页 共 44 页BISS0001 芯片管脚图如图 3.6。图 3.6 BISS0001 芯片管脚图表 3.1 管脚说明引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。2VOO控制信号输出端。3RR1-输出延迟时间 Tx 的调节端4RC1-输出延迟时间 Tx 的调节端5RC2-触发封锁时间 Ti 的调节端6RR2-触发封锁时间 Ti 的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接 VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当 VcVR 时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端光控电路由光敏电阻器 RG、电阻器 Rl和 IC 第 9 脚内电路组成。控制执行电中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 17 页 共 44 页路由电阻器 Rl0、晶体管 V、二极管 VD 和继电器 K 组成。3.3.3 BISS0001 工作原理BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。我们以其不可重复触发工作方式下的波形和可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。来说明其工作过程。图 3.7 不可重复触发工作方式下的波形首先，根据实际需要，利用运算放大器 OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器 OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为 VM(0.5VDD)后，将输出信号 V2送到由比较器 COP1 和 COP2 组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。由于 VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V 时，可有效抑制1V 的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3 是一个条件比较器。当输入电压 VcVR 时，COP3 输出为高电平，进入延时周期。 当 A端接“0”电平时，在 Tx 时间内任何 V2 的变化都被忽略，直至 Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当 Tx 时间结束时，Vo 下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti。在 Ti 时间内，任何 V2 的变化都不能使 Vo 跳变为有效状态（高电平），可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰10。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 18 页 共 44 页图 3.8 可重复触发工作方式下的波形可重复触发工作方式下的波形在 Vc=“0”、A=“0”期间，信号 Vs 不能触发 Vo为有效状态。在 Vc=“1”、A=“1”时，Vs 可重复触发 Vo 为有效状态，并可促使 Vo在 Tx 周期内一直保持有效状态。在 Tx 时间内，只要 Vs 发生上跳变，则 Vo 将从Vs 上跳变时刻起继续延长一个 Tx 周期；若 Vs 保持为“1”状态，则 Vo 一直保持有效状态；若 Vs 保持为“0”状态，则在 Tx 周期结束后 Vo 恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间 Ti 时间内，任何 Vs 的变化都不能触发 Vo 为有效状态。通过以上分析可见 BISS0001 是一款结构新颖、功能强大的红外信号处理芯片。3.3.4 BISS0001 应用电路设计红外探测传感模块由热释红外传感器（PIR） 、热释电红外专用接口芯片BISS0001 和外围电路组成。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 19 页 共 44 页图 3.9 专用集成电路应用原理图热释电红外控制电路由集成电路 lC(BISS0001)和电阻器 R3-R9、电容器 C3-C8 组成。BISS0001 是热释电红外控制专用集成电路，其内部由输入放大器、双向限幅器、状态控制器、延时定时器、锁存定时器和基准电源等电路组成。3.43.4 “看门狗看门狗”复位电路复位电路随着计算机技术的发展，单片微型计算机在工业自动化领域和智能化产品中得到了广泛的应用，如何提高单片机产品的抗干扰能力是产品开发和设计人员所面临和必须解决的问题。美国 DALLAS 公司生产的“看门狗(WATCHDOG)”集成电路 DS1232 具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力。 “看门狗”有时又称为定时器，它的作用是强迫单片机（微控制器）进入复位状态，使之从硬件或软件电路故障中解脱出来。3.4.1 “看门狗”的工作原理在系统运行以后就启动了“看门狗”计数器， “看门狗”开始自动计数，如果到了一定的时间还不清空“看门狗”定时器，则“看门狗”计数器就会溢出从而引起“看门狗”中断，造成系统复位。所以在使用有“看门狗”芯片时要注意不时的清空“看门狗”定时器。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 20 页 共 44 页图 3.10 看门狗电路原理图DS1232 是常用的硬件“看门狗”芯片，其应用电路如图 3.10。DS1232 的 RST端接单片机的复位端，SET 端接单片机的输出 I/O 端。看门狗的实质是一个定时器，当定时器溢出时，就会输出复位信号使单片机强制复位。因此需要在看门狗定时器溢出前，通过单片机 I/O 端口对看门狗重置，也就是说在主程序的运行过程中，要在定时时间到来之前对定时器进行复位。如果出现死循环，或者 PC 指针不能返回。则定时时间到后就会使单片机复位。3.4.2 DS1232 的功能特性(1)电源电压监视DS1232 能够实时监测向微处理器供电的电源电压，当电源电压 VCC低于预置值时，DS1232 的第 5 脚和第 6 脚输出互补复位信号 RST 和RST。预置值通过第3 脚(TOL)来设定；当 TOL 接地时，RST 和RST 信号在电源电压跌落至 4.75V以下时产生；当 TOL 与 VCC相连时，只有当 VCC跌落至 4.5V 以下时才产生 RST和RST 信号。当电源恢复正常后， RST 和 RST 信号至少保持 250ms，以保证微处理器的正常复位。(2)按键复位在单片机产品中，最简单的按键复位电路是由电阻和电容构成的，如果系统扩展存在需要和微处理器同时复位的其他接口芯片，这种简单的阻容复位电路往往不能满足整体复位的要求。DS1232 提供了可直接连接复位按键的输入端PBRST(第 1 脚)，在该引脚上输入低电平信号，将在 RST 和 RST 端输出至少250ms 的复位信号。(3)“看门狗”定时器中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 21 页 共 44 页在 DS1232 内部集成有“看门狗”定时器，当 DS1232 的 ST 端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232 的 RST 和RST 端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是非常有效的。“看门狗”定时器的定时时间由 DS1232 的 TD 引脚确定。“看门狗”定时器的周期输入信号 ST 可以从微处理器的地址信号、数据信号或控制信号中获得，不论哪种信号都必须能够周期性的访问 DS1232，对于 MCS51系列单片机，推荐使用 ALE 信号。DS1232 曾经应用到“粮食中心库粮仓温度监测系统”、“银行利率显示屏”、“多功能电脑时钟”、“电厂皮带秤测速系统”和“全自动限电计量系统”中，在实际使用中收到了良好的效果。而本文在系统的设计时则是运用了“看门狗”的定时器功能15.3.53.5 工作指示及声光报警电路设计工作指示及声光报警电路设计工作指示及声光报警电路如图 3.11 所示，工作指示灯为绿色闪烁灯，其工作状态的控制由 P1.3 完成。通过软件设置，从 P1.3 输出一方波来控制三极管 Q2 的通断，从而控制工作指示灯的闪烁。图 3.11 报警电路当传感器探头受到触发时，由软件将 P1.4 和 P1.5 置位，此时三级管 Q3 和Q1 均导通，红色报警灯亮，峰鸣器发出报警声。当警报解除后，由软件将 P1.4和 P1.5 清零，此时三极管 Q3 和 Q1 截止，红色报警灯灭，峰鸣器关闭，停止报警。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 22 页 共 44 页3.63.6 自动拨号系统自动拨号系统该系统主要通过一个单片机控制中心与电话网相连接。在正常情况下一直处在等待状态，监视是否有紧急情况发生。一旦有意外情况发生，通过发送中断信号驱动单片机，让它从等待状态进入报警过程，从而实现远程报警。3.6.1 MT8888的介绍DTMF控制芯片为常用的MT8888，MT8888是一种具有Intel微处理器接口的功能较强的双音多频(DTMF)发送和接收器件。可用于寻呼系统、交换机系统和移动通信、转帐卡系统、互接拨号器、数字通信和计算机等领域。其主要功能有：(1)完整的DTMF发送和接收功能；(2)高速Intel微处理器接口；(3)可工作于自动音频突发模式；(4)可调整保护时间；(5)呼叫音检测到-30dBm。MT8888引脚排列如图3.12所示。各引脚功能如下：图 3.12 MT8888引脚定义IN+、IN-(1，2)运放的同相和反相输入端；GS(3)增益选择端。在该引脚与IN-引脚间接反馈电阻可调节运放增益；Vref(4)基准电压输出端。通常为VDD/2，作为运放的偏置电压；VSS(5)芯片电源负端，接地；OSC1、OSC2(6、7)时钟或振荡器的输入、输出端。两引脚间接3.579545MHz晶体与内部电路构成芯片振荡器；若由外部电路提供时钟，则OSC2引脚开路；中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 23 页 共 44 页TONE(8)DTMF信号输出端，也可通过编程设置为单音输出；(9)微处理器写输入端，低电平有效，与TTL电平兼容；(10)片选信号输入端，低电平有效。该引脚可由微处理器的地址锁存信号(ALE)直接提供；RS0(11)寄存器选择控制输入端；(12)微处理器读输入端，低电平有效，与TTL电平兼容；/CP(13)中断请求信号，为开漏输出。在中断模式下，当一个有效DTMF信号突发发送或接收时，输出低电平信号。若控制寄存器设定电路工作于呼叫处理(CALL)模式和中断使能，则该端输出代表运放输入的方波信号音，但该信号频率必须落在呼叫处理滤波器的带宽内；D0D3(14-17)数据总线，与TTL电平兼容。输入需发送的DTMF编码或输出译码的DTMF信号数据。当CS=1时呈高阻状态；Est(18)初始控制输出。若电路检测到一种有效的单音对时，Est为高电平；若信号丢失，则Est返回低电平；St/GT(19)控制输入/时间监测输出。若St电压大于门限VTSt，电路寄存被检测的DTMF单音对，并更新输出锁存器内容。若St电压低于VTSt，则电路不接收一新单音对，GT输出的作用是设置外部时间监测常数；VDD(20)芯片电源正端，典型值为+5V。3.6.2 MT8888的工作原理MT8888是集DTMF发送和接收功能的器件，内带呼叫处理滤波器。接收部分与DTMF接收器件MT8870类似，发送部分包括行、列计数器和D/A变换器，另外增加了一些控制寄存器和接口、数据总线缓冲器，很容易实现与微处理器的直接接口，其功能框图如图5所示。MT8888通过微处理器接口可以由RS0、 、 、D0D3等信号选择与设定内部寄存器，并控制电路的工作状态或工作模式。它共有5个不同作用的寄存器：发送数据寄存器(TDR)、接收数据寄存器(RDR)、状态寄存器(SR)、控制寄存器A(CRA)和控制寄存器B(CRB)，其控制关系如表3.2所示。 表 3.2 内部寄存器控制关系RS0/WR/RD功能001写数据发送寄存器010读数据接收寄存器101写控制寄存器中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 24 页 共 44 页110读状态寄存器图 3.13 MT8888 内部功能框图MT8888 共有 6 种工作模式，它们分别为：(1)DTMF 模式：发送与接收 DTMF 信号。输入数据经 TDR 控制可编程行、列计数器、D/A 变换器，合成需要发送的 DTMF 信号。或 DTMF 信号经拨号音抑制、分离带通滤波器、监频与确认，译成相应的 4 比特码，经 RDR 输至数据总线。(2)呼叫处理(CALL)模式：电路可以检测电话呼叫过程中的各种信号音，只要信号的频率落在 320Hz-510Hz 范围内，片内呼叫处理滤波器便可滤出。经限幅得到的方波信号，由/CP 端输出，以用于微处理器对呼叫性质和类别进行判断。若无信号滤出，则/CP 端始终保持低电平。(3)突发(BURST)模式：在 DTMF 模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为 511ms;在 CALL 模式下，工作于突发状态，信号突发和暂停时间各为1022ms，此时电路只可发送 DTMF 信号，但不能接收。(4)单/双音(S/)产生模式：电路可产生单音或 DTMF 信号(由 CRB 控制)，用于中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 25 页 共 44 页测试和监测。(5)测试(TEST)模式：使电路从 DTMF 接收部分得到延迟监测信号，并从/CP端输出。(6)中断模式：此模式下若选择 DTMF 状态，当 DTMF 信号被接收或出现在监测时间内，或准备发送更多数据(突发模式下)时，则/CP 端下接至低电平。各种模式的选择由控制寄存器(CRA 和 CRB)的相应位完成，如表 3.3 和表 3.4 所示。状态寄存器 SR 各位所表示的关系如表 3.5 所示。表 3.3 控制寄存器 A(CRA)的功能控制寄存器控制位名称功能说明B0Tout信号音输出控制逻辑“1”使能信号音输出B1CP/DTMF模式控制逻辑“1”为 CP 模式，逻辑“0”为 DTMF模式B2IRQ中断使能逻辑“1”使能中断模式，当 b0=1 时，接收到 DTMF 信号或发送完一 DTMF 双音信号，DTMF/CP 引脚电平由高变低CARB3RSEL寄存器选择逻辑“1”下次访问寄存器 CRB，访问结束转回寄存器 CRAB0BURST双音突发模式逻辑“0”使能双音频突发模式B1TEST测试模式逻辑“1”使能测试模式，以在 IRQ/CP 引脚输出延迟控制信号B2S/D单双音产生逻辑“0”允许产生 DTMF 信号，否则输出单音频CABb 3C/R列、行音选择B2=1 时，逻辑“0”使能产生行单音信号逻辑，逻辑 B2=1 时，逻辑“1”使能产生列单音信号中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 26 页 共 44 页表 3.4 状态寄存器(SR)的功能状态位名称状态标志置位状态标志清零B0IRQ发生中断：b1 或 b2=0读状态寄存器清除B1发送寄存器空（突发模式）暂停结束：准备发送新数据读状态寄存器清除B2接收寄存器满接收寄存器的数据有效读状态寄存器清除B3DTMF 信号标志位检测不到 DTMF 信号时置位检测 DTMF 信号已清除3.6.3 MT8888的接口MT8888 提供了与微处理器相连的接口，以对其发送、接收和工作模式进行控制。MT8888 可与 Intel 微处理器直接接口，即使使用 16MHz 的单片机 80C51，也无需插入等待周期。与其它微处理器接口时，则必须通过转换构造 MT8888 所需的时序。图 3.14 为 MT8888 的控制时序图。图 3.14 MT8888 的控制时序3.6.4 MT8888与单片机接口电路设计MT8888与单片机接口电路如图3.15。中北大学信息商务学院 2010 届本科毕业设计说明书第 27 页 共 44 页图 3.15 MT8888与单片机接口电路R4为输入信号增益调整电阻，晶体的频率是3.59454MHz，和单片机的接口为4位的并行接口，在MT8888输出DTMF信号的同时也会在IRQ引脚产生中断请求信号，这个功能可以在MT8888的控制寄存器A中设置，也可以在单片机程序中，发送的时候关闭外部中断，以避免出现中断紊乱。3.6.5 电话线接口电路电话线接口有3处隔离电路，目的是将电话线路和控制电路在电气上隔离，信号为绝缘式的耦合。隔离电路见图3.16。图 3.16 隔离电路摘机继电器的作用是模拟摘机和挂机，其控制