振动报警器的设计Word文档下载推荐.docx
《振动报警器的设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《振动报警器的设计Word文档下载推荐.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Thisarticleintroducessomeofthemorecommonsecurityalarmsystemanditsapplication.Itistodesignschemes-purecircuittypeandbasedonsinglechipmicrocomputertype.MainlybasedonSCMvibrationalarmascenter,thisbrieflyintroducesthesingle-chipdevelopmentandapplicantandelaboratedandthecircuitandprogramdesignmethod.Expecttodesignachievethepurposewhichwillbeissueswhenthedetectedvibrationalarmsound.Thewholesystemcircuitdesignissimple,easytoimplement.Thedesignofthevibratingalarmisapplicabletofamilyalarm.
Keywords
SingleChipMicrocomputer;
Vibrationsensor;
alarm
前言
一、选题背景
自改革开放以来，随着科技的普及，人们的生活和文化知识水平得到了很大的提升，但是同时一些不稳定的社会因素也随之而来了，这样就促成了人们对安防意识的加强。
而随着安防技术的不断发展，安防报警系统也开始应用于家庭生活、工农业生产、交通、机动车、通信、防灾等领域，安防设备的种类也越来越多，主要是根据环境的需要不同而安装合适的安防设备。
而安防设备中除了如监控摄像类的设备是由人工监视并对看到的事情做出相应的处理之外，最多见的还是安防报警系统，可以达到自动报警去提醒人们某个事件的发生。
伴随着国力的增长，本国科技水平有了很大的提高，在人们的生活中对于科技产品的应用也是越来越多，在这样的时代背景下，震动报警系统从技术水平和应用范围上有了长足的进步。
二、设计要求
本次设计基于单片机，选择震动传感器作为信号采集部分，经过放大电路和单片机处理，通过驱动蜂鸣器和数码管可以实现以下功能：
1当震动报警器捕捉到信号后，蜂鸣器将发出响声，
2在蜂鸣器报警的同时，LED灯将能过实现光报警。
3通过复位模块可以随时终止单片机工作。
三、论文主要内容
针对设计题目的特点，作者对论文的内容和结构将做如下安排：
（1）初步方案的论证和选择
搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。
最终选定了以PC机为上位机，单片机为核心控制器件，震动传感器为信号采集部分。
（2）方案实现
以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。
经过对比选择选定AT89C51单片机为核心控制器件，论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。
（3）软件编写
根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。
程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。
然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。
（4）验证与测试
调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。
在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。
在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。
通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。
（5）结论
设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。
第一章系统整体设计
1.1系统整体构架
按照设计的功能要求，本设计分为硬件设计和软件编程两大部分，总体上来说分为信号采集模块、放大电路、控制模块、报警电路、键位控制电路、LED控制电路、驱动电路几相关程序组成。
信号采集模块通过震动传感器将捕捉到的信号通过放大电路传递给AT89C51控制模块，控制模块根据采集到的信息将指令通过驱动电路传递给声光报警电路并使其工作，同时根据设计要求通过键位控制电路可以随时停止声光报警和控制模块复位[1]。
流程如1-1图所示。
图1-1红外线报警器工作原理图
1.2主要元件介绍
1.1.1传感器介绍
传感器主要分为振动传感器、压电片谐振式振动传感器、机械式振动传感器、全方位微型振动传感器、全方位微型振动传感器、电磁感应式搬动传感器、灵敏度可调节的振动传感器。
振动传感器（VibrationTransducer）是能感受机械运动振动的参量（如振动速度、频率，加速度等）并转换成可用输出信号的传感器。
振动传感器可以分为压电片谐振式振动传感器、机械式振动传感器、全方位微型振动传感器、电磁感应式搬动传感器、灵敏度可调节的振动传感器等多种。
压电片谐振式振动传感器：
它可以使用压电片直接将振动信号转换为电信号输出。
它有结构简单、取材方便，安装方便、使用寿命长等优点。
缺点为谐振频率高，容易受到声音的干扰，输出阻抗高，输出信号弱[2]。
机械式振动传感器：
采用的是最基础的振动检测方式。
有机械结构简单、电路中输出的信号幅度大，输出阻抗低。
缺点是它的振动金属球和金属筒容易氧化生锈造成检测信号失效，安装方向对传感器的灵敏度有一定的影响，体积较大。
全方位微型振动传感器：
采用的结构和机械式振动传感器是一样的，只是它将材料是耐氧化的金属材料等。
它有结构简单、便于安装，输出阻抗低等优点。
电磁感应式搬动传感器：
利用电磁感应的原理设计的一种振动传感器.其结构由永久磁铁和一个钱圃组成，根据磁铁固定和位移又分为静磁结构和动磁结构两种形式。
动磁结构的线圈固定不动，当振动出现后，永久磁铁振动位移，从而引起线圈中的磁通量发生变化，在线圈中产生感生电动势;
静磁结构的线圈固定在一块永久磁铁上，受到振动位移后.与磁铁组成的磁路磁阻发生变化，从而引起线阁中磁通量的变化，线圈中产生感生电动势[3]。
电磁感应式振动传感器的优点是:
无触点使用寿命长、振动体的谐振频率由弹簧结构决定，做到次声频率范围或者更低，减小鞭炮，打雷等商源的干扰。
其缺点是：
结构相对复杂、整个结构体积略大、输出信号幅度较低。
灵敏度可调节的振动传感器：
此种振动传感器可以满足用户的一些特殊要求，即灵敏度可以由用户来调节。
使用更加方便。
本次设计中使用的传感器为Z04B，是片状高灵敏振动模块，它的形状如同一枚硬币。
具有灵敏度高、功耗低和较好的性价比[4]。
Z04B模块的外形如图1-2所示。
图1-2Z04B模块外形图
Z04B对振动信号灵敏度高、安装简单、抗干扰性好抗冲击强度好、体积小等优点。
它底部的黄铜板能直接检测极其微弱的振动，经内部芯片的放大、滤波整形、积分电路的延时和电平转换后输出一个高电平,约十几秒后又自动转换为低电平,待下次触发[5]。
模块输出的高电平可作为其他器件的控制信号,也可直接驱动小功率三极管或晶闸管。
1.1.2AT89C51单片机
AT89C51单片机是本毕业设计的核心部件，控制着整个报警系统，同时键位控制电路也是基于AT89C51单片机的，AT89C51单片机是具有CMOS结构的八位处理器，芯片具有功率消耗低的特点。
在其内部具有FLASH、RAM、I\O双全工串行口。
同时拥有128字节RAM和2个16位计时器和5个中断结构，同时还具有可擦除只读存储器。
由于具有相应的特点配合少量的外围电路时用，可以完成很多功能设计，同时这种设计紧凑的结构可以帮助降低功率消耗，还可以提高对应系统的稳定性[6]。
有关于单片机的各部分构成图如图1-3所示。
图1-3单片机个部分组成
AT89C51单片机引脚
AT89C51单片机一共有40的引脚。
从实际焊接角度来说，AT89C51单片机各个引脚的功能才是关键，值得一提的是，由于受到引脚数量的限制，不少引脚都具有第二功能（本次设计没有涉及到）。
还需要提及的是如何识别电路图中引脚，为了电路图的书写方便，常常变换引脚位置，对于刚刚学的同学来说很容易早场焊接的错误，其实识别方法很简单，就是从芯片正上方的左边为一号引脚，逆时针依次增大一。
下面介绍一下在设计中使用到的AT89C51单片机引脚的功能[7]。
如图1-4所示。
图1-4AT89C51单片机引脚图
40脚：
通过外部电源位单片机供5V电源，在本设计中，设计实物通过下载线与电脑USB口连接为电路供电[8]。
20脚：
连接地线。
18脚：
反向放大器输出端。
19脚：
反相放大器输入端。
9脚：
复位信号输出端，在输入高电平是有效[9]。
30脚：
在单片机正常工作之后，该脚连续不断输出正脉冲信号。
通过他也可以判断单片机是是否正常工作。
29脚：
引脚产生负脉冲时表示单片机正在访问外部存储程序[10]。
用示波器观察脉冲可以判断单片机是否能过正常读取外部存储程序。
31脚：
当该脚输入高电平的时候单片机访问内部程序存储器，但是当读取范围超过年初至的时候，系统将开始读取外部程序存储器里的内容。
当该脚输入低电平的时候，只能读取外部程序存储器里的内容[11]。
P0：
提供8位双向I/O，同时具有上拉电阻，同时于地址总线的低8位联合使用，可以驱动8个负载。
P1：
提供8位双向I/O，具有上拉电阻，可以驱动4个负载。
P2：
提供8位双向I/O，，同时具有上拉电阻，同时与地址总线高8为联合使用，可以驱动4个负载。
P3口比较特殊是一个具有两个功能的复用口，上文提到由于受到引脚数量的限制，一些引脚具有第二功能，P3口就有第二功能[12]。
如表1-1
表1-1P3口第二功能
引脚
第二功能
P3.0（10脚）
RXD串行输入口
P3.1（11脚）
TXD串行输出口
P3.2（12脚）
INT0外部中断0
P3.3（13脚）
INT1外部中断1
P3.4（14脚）
T0
P3.5（15脚）
T1
P3.6（16脚）
WR外部数据存储器写
P3.7（17脚）
RD外部数据存储器读
第二章硬件设计
2.1系统硬件电路的设计
具体实现可以将总体电路分为电源模块、控制模块（包括单片机和时钟电路）、复位电路模块、传感器检测模块和报警模块等五个模块组成。
系统电路总体框图如图2-1所示。
图2-1系统电路总体框图
其中电源模块给各模块电路提供+5V直流电压，以便电路正常工作；
复位电路给单片机提供复位电平，可使参数复原，重新运行。
时钟电路给单片机提供频率，单片机检测传感器检测模块发送来的信号，并根据其改动而进行相应的处理活动，即控制报警的启动与停止[13]。
2.2控制模块与复位电路
控制模块与复位电路如图2-2所示。
图2-2控制模块与复位电路
2.2.1时钟电路
以MCS-51单片机为例，该单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成时钟振荡电路，XTAL1引脚为该放大器的输入端，XTAL2为该放大器的输出端。
单片机的时钟电路主要有内部时钟方式和外部时钟方式两种[14]。
各个方式的说明如下。
（1）内部时钟方式。
其时钟电路图如图2-3所示，利用MCS-51内部的高增益反向放大器，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡。
通常采用的是石英晶振和电容所构成的电路，电容一般取30Pf[15]。
图2-3时钟电路与单片机连接原理图
2.2.2复位电路
当单片机的复位引脚RST（9脚）接受到2个机器周期（即24个振荡周期）以上的高电平时即可确保器件复位。
复位完成后，若RST引脚继续保持在高电平状态，单片机就会一直处于复位状态，只有当RST端恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。
本处使用的复位电路属于外部复位电路[16]。
RST端的外部复位电路复位操作方式有两种：
上电自动复位和按键手动复位。
（1）上电自动复位电路：
在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定宽度的高电平，只要高电平事件足够长，就可以使单片机有效复位。
（2）按键手动复位电路：
按键手动复位电路分为电平方式和脉冲方式两种。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc接通来产生的，；
按键脉冲复位电路则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
本设计中采用了手动电平复位电路，因为它将上电复位电路也包括在其中，不会垂涎加电后CPU从一个随机的状态开始工作而造成的不能正常运行，也满足了设计任务中的要求。
设计中复位电路如图2-4所示。
图2-4复位电路原理图
1.3传感器检测模块设计
由于传感器Z04B的输出电流比较小（当模块电压大于3V时输出电流为>
0.5mA），在此次设计中，采用用传感器输出来驱动三极管的方法来加大电路[17]。
传感器检测模块电路原理图如图2-5所示。
图2-5传感器检测模块电路原理图
当Z04B检测到有振动时，会发出一段时间的高电平，使三极管导通，单片机接口可以预先设为输出高电平，若单片机检测到此端口变为低电平，则说明三极管导通，即有振动产生[18]。
1.4报警模块设计
报警模块电路原理图如图2-6所示。
图2-6报警模块电路原理图
单片机发出控制信号来驱动三极管，当输出高电平，三极管导通，蜂鸣器有电流流过，从而可以发出声音报警；
当输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器不能报警[19]。
另外，在电路中加入了工作提示灯和报警灯等。
当没有检测到振动时，工作提示灯会闪烁，以提示电路正在正常工作中，当要报警时，工作提示灯灭，报警灯会亮起。
第三章程序设计
3.1编程语言的选择
单片机的软件开发过程中，是必要使用到单片机的编程语言。
单片机常用的编程语言包括汇编语言和高级语言。
汇编语言是助记符表示的指令，是单片机常用的程序设计语言。
汇编语言与单片机硬件关系密切，可以方便地实现单片机的功能，占用单片机资源少，执行速度快。
但是，对于复杂的大型单片机系统而言，其程序代码的可读性差，不利于单片机软件的升级和维护。
高级语言的结构清晰，可读性好，有很好的可转移性，并且开发周期短。
C语言是现在单片机软件开发中常用的高级语言，采用C程序设计语言，编程者可以不用深入了解单片机芯片内部的硬件结构，只需了解变量和常量的存储类型与80C51单片机存储空间的对应关系[20]即可。
在本次设计中，采用高级语言——C程序设计语言来设计程序。
3.2主程序
3.2.1程序实现功能
在程序中，通过循环，对单片机与检测电路连接的端口（此次选P0.2口）进行持续扫描，并判断处理，若发现其发生变化（变为高电平或低电平），就去执行相应得处理（报警开启或者关闭）。
但是由于检测电路在检测到有振动时会持续发送一段时间的高电平，若在此段时间内每判断一次就运行一次相应得处理程序，则会使效率降低。
此处加入一个参数end，来代表报警的状态，值为1时表示报警电路处于关闭状态，0表示开启状态。
只有当P0.2口为0（表示检测到有振动）且end值为1时才去运行报警开启程序，当P0.2口为1（表示没有检测到振动）且end值为0时才去运行报警关闭程序，则可以大大的增高效率了。
3.2.2流程图
根据上文所述，流程图如图3-1
图3-1主程序流程图
3.3工作指示灯闪烁程序的设计
工作指示灯闪烁的程序设计方案有两个，第一是使用延时程序，在灯亮后延时一段时间再灭掉，依次循环；
第二种为使用单片机定时器中断来实现。
由于第一种方法在延时期间不能作其他的事情，则单片机无法时时得知检测电路的状态。
对效果有很大的影响，因此此处使用第二种方法来实现。
本设计中使用了定时器的工作方式1，即16位定时器/计时器功能。
则给定时器的TH0/TH1及TL0/TL1赋初值并打开中断允许，开启定时器后，定时器最大可以到65.536毫秒（12MHz晶振）或71.113毫秒（11.0592MHz晶振）。
现若在工作方式1下对定时器赋初值时为：
THX=（65536-N）/256（1-1）
TLX=（65536-N）%256（1-2）
则，定时器/计时器计数个数达到N个时便产生中断。
假设单片机的内部时钟电路晶振为fMHz，则单片机的机器周期为
Tcy=12*1/f微秒（1-3）
若想让计时器计时tus便产生以此中断，则应有：
N＝t/Tcy（1-4）
现在普遍用于单片机内部时钟电路的晶振有11.0592MHz和12MHz两种。
让计时器计时50毫秒便终端一次，通过计算，可得N的值应为：
N=50000*12/12≈50000（当f=12时）（1-5）
可以得到，当晶振取12MHz时，定时器更接近与50毫秒产生中断。
令定义变量number，每当定时器终端一次，其值加一，则当number加了10次[10]（如从0加至10），则花费了0.5秒的时间。
当计时器计时0.5秒后，在中断中让指示灯取反（从亮变灭或从灭变亮），即可实现闪烁功能了。
3.4内部中断程序
3.4.1程序实现功能
当单片机接收到来自传感器处理过的信号后，主程序开始运行，内部中断程序的功能是检测报警能否持续报警，如果不能持续程序将回到最开始的报警状态。
3.3.2流程图
流程图如图3-2所示。
图3-2内部中断流程图
第四章系统调试
经过一段时间的设计，硬件焊接完成，软件编写完成，现在需要分别对硬件和软件调试，还需要将硬件软件进行联合调试。
这是保证设计成功的最后一道管卡。
基本的过程是软件硬件完成后开始进行调试。
调试可分为硬件调试，软件调试和系统联合调试。
4.1系统硬件部分调试方法
硬件调试主要是调试各部分的焊接是否合格和各芯片的输出输入电压是否符合设计要求，最后测试各硬件部分能否完成设计功能。
因此把硬件调试按照以下四部分分步来进行：
（1）测试所有焊点是否有短路和虚焊的现象存在；
（2）通电测试所有硬件芯片的输入输出电压是否在设计要求的范围内；
（3）测试ISP下栽线的功能是否能够实现；
（4）测试串口系统的通信功能是否能够实现。
由于最重要的显示系统功能的测试需要软件配合所以在硬件调试部分只测试单片机复位电平，功能部分测试放在系统联合调试部分来完成。
4.1.1短路与虚焊检测
检测工具为万用表，使用万用表的短路报警功能，逐个测试相临的两个焊点检测是否短路。
按照电路图检测需要连接的两点是否短路来检测是否已经连接上，以此来检测虚焊的情况。
检测和修改完成后为下一步通电检测排除了短路的危险和由于虚焊引起检测结果不真实的麻烦。
4.1.2上电测试
由于系统测试时是采用USB电源为系统电源，所以电源输入都为5V。
显示系统中单片机、译码器，驱动电路的电源电压均要求为5V所以可同时直接接入。
上电后首先观察电路是否有过热，异味，冒烟的现象出现。
经过观察，没有这些现象出现。
然后测试各器件的电源，接地及一些电平应该固定的端口的电压。
测试的结果为：
各器件电源端在4.3V～4.8V之间满足器件的电源电压要求，单片机端口在未接负载时端口电压为4.5V。
4.2程序调试
图4-1KEIL建立工程界面
如图所示，KEIL2为一款单片机集成开发环境，里面包含了多种单片机的编译器与仿真综合器，支持C语言编程，支持J-TAG等调试电路的在线仿真，并且界面友好，操作简单。
图4-2KEIL选择芯片内核界面
如图所示为使用KEIL建立工程的基本操作步骤。
1.我们首先需要建立一个项目工程，然后确定一个需要保存的文件目录，当我们生成KEIL的工程文件之后，这个文件目录下面会生成相关的编译文件，包括相关的调试信息，编译信息，以及最后下载到单片机里面的hex文件等等。
2.建立好工程文件之后，我们就可以选择使用单片机的型号，这个软件提供给我们大量的常用单片机内核，只要我们选择好确定的内核之后，KEIL软件就会调用相关的编译器编译链接把C语言程序生成相关的单片机可执行文件【17】。
3.下一步需要为工程文件添加C语言文件，我们新建一个.C文件然后添加到工程里面。
4.编写好C语言程序之后进行编译就能生成我们需要的单片机可执行程序【22】。
5.如果我们手里有J-TAG的话可以选择进行模拟程序的软件仿真，这个方法可以减少单片机ROM的擦写次数，同时也能够提高单片机编程效率，这在高级芯片的编程中应用比较广泛。
结论
通过这次设计，我掌握了现在常见防盗器的基本原理、典型电路。
同时还分析了各种防盗器的优缺点。
并针对其中比较实用的振动报警器进行了阐述，描述了基于单片机AT89C51的振动报警器的设计方法，结构简单、使用方便，适用于家庭防盗。
当然，该设计只是大概描述了该方案的总体设计思路，以及各模块需要完成的基本功能。
并初步实现了振动报警功能。
还有很多地方需要改进。
我想本次毕业设计有研究的震动无线报警是一种全新的报警模式，对于应用有很好的扩展能力，随着国力的增长和人们生活水平的提高，这种报警系统将在人们的生活中占有一定比重。
这次的毕业设计到这里就算是完成了。
可以说这是我在大学四年里对用心的一次毕业设计。
基于这次毕业设计时我会看大学习年的学习生活有很多遗憾之处，但是马上就毕业了没有时间为我在大学四年里的遗憾之处加以修复，只能将希望寄托在未来的生活中。
参考文献
[1]徐福成.常用振动传感器及其典型应用电路[J].电子制作.2008,12（10）:
13-14.
[2]张静.微型片振动模块XDZ-01[J].现代通信.1997,5（6）:
26-27.
[3]孟建华,郝晋霞.AT89S系列单片机及在线编程技术[J].电子制作.2006,13（7）:
1-2
[4]张毅刚.新编MCS-51单片机应用技术[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2009:
8-69
升级会员 