计算机课程设计

计算机课程 目 录 第1章 绪论 ........................................................................................ 4 1.1设计背景 .................................................................................. 4 1.2 报警系统的发展状况 ............................................................. 4 1.3技术概况研究 .......................................................................... 5 第2章 系统总体设计 ........................................................................ 6 2.1 的选择 ............................................................................. 6 2.1.1 方案的比较与选择 ...................................................... 6 2.1.2 设计任务与要求 .......................................................... 6 2.2 系统总体设计思路 ................................................................. 7 第3章 硬件设计 ................................................................................ 7 3.1系统的制作与调试 .................................................................. 9 3.2 硬件电路设计(按模块)…................................................ 10 3.2.1信号电路… .......................................................... 10 3.2.2信号处理电路 ............................. 错误～未定义书签。 3.3.3单片机控制电路 ......................... 错误～未定义书签。 附 录 ................................................................................................ 18 第3章 错误～未找到引用源。 第1章 绪 论 1.1 设计背景 随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统。 就目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器，但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点。而本设计中所使用的红外线是不可见光，有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。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，热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于制动控制、接近开关、遥测等领域。 1.2报警系统的发展概况 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。 智能化住宅保安系统具有较高的自动化技术水平及完善的功能，安全性、可靠性高。每个住户单元的防盗、防灾报警装置通过网络系统与小区管理中心的监控计算机连接起来，实现不问断监控。安防报警包括:门禁系统、 红外门磁报警、火灾报警、煤气泄漏报警、紧急求助、闭路电视监控、周边防越报警、对讲防盗门系统等。 1.3 技术研究概况 防盗报警系统是用物理或电子技术，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，并辅助提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取的对策的系统。防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了入侵防范系统。 防盗报警系统通常由探测器(又称防盗报警器)、传输通道和报警控制器三部分构成。 报警器按工作方式可分为主动式报警器和被动式报警器。 报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警器、线控报警器、面控报警器和空间防范报警器。 本论文讲述了制作家庭防盗报警系统的制作过程，从元器件的选择开始，从多方面论述了所选的元器件，包括人体红外热释电元件的选择、运算放大器元件的选择、单片机的选择和无线通讯元件的选择，画出了信号检测电路、信号处理电路、通信模块电路和主机控制电路的电路图，最后着重讲述了软件的开发与程序的组成，之后调试成功，做出实物。 3 第3章 错误～未找到引用源。 第2章 系统总体设计 2.1 方案的选择 2.1.1 方案的比较与选择 利用红外设计防盗探测器主要有两种方式:红外对射和人体红外热释电。 方案一:利用红外对射进行布防实现防盗检测报警。整个系统主要是利用红外对射原理，当红外发射管与接收管之间的通路被阻断时，报警器判断为又可疑人员入侵，进而启动报警装置报警。利用红外线实现的报警器设计方法简单，原理清晰易懂，实现容易，灵敏度高，但是必须要在防盗区密集布防，容易有布防死角，因为红外对射为直线传播，这一点容易被不法分子利用，从而失去了防盗检测的作用。 方案二:人体红外热释电检测防盗报警器。普通人体都会发射出10um左右的特定波长的红外线，用专门设计的人体红外传感器就可以检测这种红外线的存在，当人体红外线照射到传感器上时，传感器将检测到的信号传送给控制中心，控制中心启动报警装置实现报警。这种红外传感器只对波长为10um左右的红外辐射敏感，所以其他物体不会引发传感器工作。人体红外线传感器的功耗很小，可以长期可靠的工作，只要检测到移动的人体红外信号即可出发报警信号，同时由于人体红外线传感器不发射任何有辐射性质的信号，很难被常规方法侦测到，所以在安全监控领域里得到了大量的使用。 综上所述，从实用性与安全性方面考虑，本设计选用第二种设计方案，采用人体红外热释电检测防盗报警器。 2.1.2设计任务与要求 (1)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、报警等模块子函数。 (2)本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、功能设定模块等部分组成。 (3)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 [1]机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声。 (4)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;其二是尽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。 报警系统一般是由入侵探测器、报警控制器和接警中心(硬件加软件)组成。它的最简单形式是本地(家庭、单位)报警系统，它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器，以及声光报警器。 通过传感器检测家庭安全隐患，把检测结果送入单片机，通过单片机控制报警灯和高音报警器的启动。 2.2 系统总体设计 2.2.1总体设计思路 (1) 本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、报警等子模块。电路结构可划分为: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。 5 第3章 错误～未找到引用源。 (2)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，经单片机处理运 [1]算后驱动执行报警电路使警号发声。 从设计的要求来分析该设计须包含如下结构:热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件组成;它们之间的构成总体设计框图所示: LED发光显示 驱动 复位电路 AT89 S51 驱动 报警执行电路 信号检测电路 放大 图 2—1 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，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 [4]除报警。 第3章 硬件设计 3.1 系统的制作与调试 1. 选择一块合适大小的万用板作为主机控制器模块，根据电路原理图在万用板上合理布线。 2、进行元器件的焊接工作。焊接时要注意电烙铁的通电时间不宜过长，不使用时一定要将电烙铁断电。 3、焊接好后检查是否有虚焊和连焊的地方，可以用万用来测试。 4、 4、硬件电路板制作好后将程序编译生成的.hex文件烧写入单片机中并安装到电路板上进行测试。 5、上电后用万用表检测LM324的第二级放大输出的电平，当人体从红外热释电传感器前方通过时，万用表检测到电压为4点几伏，说明信号检测处理部分电路正常。 6、系统仿真成功后，给单片机输入程序，实物装上电池。 7、将信号检测处理部分接至单片机的P2.0引脚后上电，人体红外热释电探测器工作前需要预热一分钟，然后才能正常工作。 8 人体通过红外热释电传感器前方，红外探测器探测到人体发出的红外线，单片机控制无线发送模块发送报警信号，主机控制器端的无线接收模块接收到报警信号后通知单片机，然后单片机控制蜂鸣器响和LED灯亮，实 7 第3章 错误～未找到引用源。 现声光报警。 本设计所用元器件如表所示 元器件清单 数量 元器件清单 数量 AT89S51单片机 1 万用板 1 人体红外热释电 1 9V电池 1 11.0592MH晶振 1 10K电阻 10 蜂鸣器 1 100k电阻 2 LED灯 1 6 22P电容 按键 1 3 10U电解电容 表 3-1 元器件清单 3.2 硬件电路设计 3.2.1 信号检测电路 红外热释电传感器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。。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，经信号处理而报警。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μM左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外 感应源上。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。 本设计中采用人体红外热释电传感器D203S。D203S是通用双元热释电红外线感测器，它是利用温度变化的特征来探测红外线的辐射，采用双灵敏元互补的方法抑制温度变化产生的干扰，提高了感测器的工作稳定性。D203S应用非常广泛，例如:保险装置、防盗报警器、感应门、自动灯具、智能玩具等。D203S规格尺寸如下: 红外接收电极:2×1mm，2个灵敏元; 窗口尺寸:4×3mm; 接收波长:5-14μm; 透过率:?75%; 输出信号峰值[Vp-p]:?3500mW; 灵敏度:?3300V/W; 探测率:(D*)?1.4×10^8cmHZ^1/2/W; 杂讯峰值[Vp-P]:<70mV; 输出平衡度:<10%; 源极电压:0.3-1.5V; 电源电压:3-15V; 工作温度范围:-30-70?; 保存温度范围:-40-80?; 视场:138?×125?; D203S的引脚图如图3-1所示: 图3-1 D203S引脚图 9 第3章 错误～未找到引用源。 3.2.2 信号处理电路 (1) LM324简介 LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四运算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一(对每一个放大器而言)。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。功能特性:短路保护输出;真差动输入级;单电源工作:3.0伏至32伏;低输入偏置电流:最大100纳安;每一封装四个放大器;内部补偿;共模范围扩展到负电源;行业标准引脚输出;在输入端的静电放电箔位增加可靠性而不影响器件的工作。参数如下: 放大器数目:4; 增益带宽:1.2MHz; 针脚数:14; 工作范围温度:0?-70?; 变化斜率:0.5V/μs; 电源电压:3V-32V; 输入偏移电压:最大7mV; 运放特点:高增益频率补偿运算; 引脚及内部结构如图3-2所示: 图3-2 LM324引脚及内部结构图 这个是最常用的运算放大器，1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。 (2) 信号处理电路设计 信号处理电路如图3-3所示。红外热释电检测到人体发出的红外信号后将其转换为电信号，由于该电信号是比较微弱的，需要进行放大处理。本设计中利用LM324设置了2级放大电路，由输出信号电压与输入信号电压比=反馈电阻与输入电阻比得出，第一级放大电路的输出信号电压/输入信号电压=R4/R2=1M/10K=100，即信号放大了100倍。第二级放大电路的输出信号电压/输入信号电压=R6/R5=100K/10K=10，即信号放大了10倍。2级放大电路共放大了1000倍。第二级放大器的输出直接接至单片机引脚。为了使设计原理看起来更加清晰，直接用放大器符号来表示LM324的其中2路放大器。 图3-3 信号处理电路 3.2.3单片机控制电路 (1) 单片机简介 AT89S51单片机内部主要由9个部件组成:1个8位中央处理器; 11 第3章 错误～未找到引用源。 4KBFlash存储器;128B的数据存储器;32条I/O口线;2个定时器/计数器;1个具有6个中断源、4个优先级的中断嵌套结构;用于多处理机通信、I/O扩展或全双工UART的串行口;特殊功能寄存器;1个片内振荡器和时钟电路. 中断技术是计算机中的重要技术之一，它既和硬件相关，也和软件相关，正因为有了“中断”才使得计算机的工作更加灵活、效率更高。所谓中断实际是一个处理时间的过程，这一过程一般是由计算机内部或外部某种紧急事件引起并向主机发出请求处理的信号，主机在允许情况下相应请求，暂停正在执行的程序，保存好“断点”处的现场，转去执行中断处理程序，处理完后自动返回到原断点处，继续执行原程序。引起中断的原因，或是能发出中断申请的来源，称为中断源。AT89S51提供5个中断源，即: 外部中断源/INT0:由P3.2输入; 外部中断源/INT1:由P3.3输入，I/O设备中断请求信号，或掉电故障异常事件中断请求信号都可以作为外部中断源连/INT0、/INT1。 定时器/计数器T0溢出中断:TF0做标志，由P3.4输出; 定时器/计数器T1溢出中断:TF1做标志，由P3.5输出; 片内串行口产生的中断:RX、TX。 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。 ALE/PROG:地址锁存允许信号输出. PSEN:片外程序存储器选通信号，低电平有效。当AT89S51执行来自外部程序存储器的指令代码时，PSEN/每个机器周期两次有效。在访问外部数据存储器时，PSEN/无效。 EA/VPPEAEA:片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。当接地 EA时，CPU只执行片外存储器中的程序;当接Vcc时，CPU首先执行片内程序存储器中的程序(0000H~0FFFH)，然后自动转向执行片外程序存储器 EA中的程序(1000H~FFFFH)。如果程序锁定位LB1被编程(P)，那么值将在复位时由片内锁存。在与Flash并行编程/校验期间，该引脚施加12V的编程电压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) 单片机最小系统 单片机最小系统由晶振电路和复位电路组成。电路如图3-4所示。 晶振电路用于产生单片机工作时所需要的时钟信号，单片机的指令必须在时钟信号下按照时序执行。晶振电路通常用两种设计方式:内部振荡方式和外部振荡方式。内部振荡方式是在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接一个晶体振荡器，与单片机内部的振荡器组成时钟信号;外部振荡方式是在外部将已有的脉冲信号引入单片机内，一般用于使单片机的时钟与外部信号保持同步。本设计选用内部振荡方式，在XTAL1和XTAL2引脚之间连接一个12MHz的晶振，再分别外接30p的对地电容。 单片机在启动时需要复位，使系统各器件处于初始状态。复位引脚为RST，当系统上电后晶振电路稳定后，RST引脚有一个高电平且持续2个机器周期以上，单片机系统就可以实现复位功能。复位一般有手动复位和上电复位功能。 手动复位是在RST引脚设置按键，当按键按下时，RST引脚会有高电平，即可实现复位功能;上电复位是在RST引脚连接一个电解电容接至电源，再接一个电阻接地，系统上电时，电容充电，只要电源的上升时间不超过1ms，就可以实现复位功能。本设计选用按键复位。 13 第3章 错误～未找到引用源。 图3-4 单片机最小系统电路 (3) 单片机控制电路设计 监测点单片机控制电路如图3-4所示。单片机要工作首先必须有晶振电路，晶振电路起振为单片机提供指令周期。本设计晶振电路通过在XTAL1和XTAL22个引脚之间接一个11.0592MHz的晶振来实现的。复位电路用于使系统的状态恢复到初始状态，通过在单片机的RST引脚引入2个机器周期以上的高电平实现复位功能，本设计中通过按键来实现，按键S1按下，即可在RST引脚引入高电平。单片机的P2.0引脚检测红外热释电检测电路，当P2.0引脚为高电平时，即监测到报警信息，单片机通过P1口控制无线收发模块NRF24L01发送报警信息。为了避免主人回家时产生报警信息的误报，设计中增加了一个按键，按下按键可以关闭报警检测功能，关闭报警按键由单片机的P3.3引脚控制。 图3-4 单片机控制电路 15 附录一 单片机控制的红外防盗报警器原理图 附录二单片机控制的红外防盗报警器PCB图 第3章 错误～未找到引用源。