基于单片机的学生宿舍防盗报警系统设计Word下载.docx

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防盗系统的通知模块能在有盗情时通知管理中心，达到及时报警的目的，使人们能对现场进行高灵敏度监听。

第二章任务要求与系统方案的论证

2.1设计任务及要求

（1）实现人体检测与声光报警功能。

（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。

（4）实现异地监控。

（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。

（6）宿舍无人时提示锁门。

（7）能记录最近几天的宿舍安防情况。

（8）实现网络控制，可在监控平台监控多个宿舍。

（9）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。

2.2总体方案论证

根据题目要求的需要，本系统设计规划成三个主要模块：

一个主机模块，两个从机模块（以两个从机模拟多个从机）。

主机模块主要由无线接收模块、液晶显示模块、声光报警模块、键盘解警模块和电源模块等构成；

从机模块主要由无线发射模块，各种检测模块和电源模块等构成。

硬件部分就应该包括以下几部，如图2.1所示。

图2.1系统总体结构图

2.3主控单元的选取方案

在该系统的两个组成部分中，都存在着MCU的选取问题，MCU的性能及其成本决定着整个系统的性能和成本。

在异地监控站部分，MCU主要是对红外报警器进时监控、记录宿舍内的安防情况以及当警报发生时通过输入特定密码以达到解警行实的目的，因此可以有二种主控单元的选择方案。

方案一：

选用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

FPGA作为新一代的可编程器件使得其应用较为灵活，功能从简单到复杂都可以实现，但是在该系统中，若使用FPGA则会提高系统的成本，同时由于增加的FPGA,也会给电路的维修工作带来不可必要的麻烦。

方案二：

选用AT89C51单片机。

AT89C51单片机具有体积小、驱动能力强、可靠性高、低功耗、处理中断能力强等特点，5V低电压供电，功耗较低；

16位微处理器芯片能保证任务快速准确的执行；

AT89C51具有丰富的功能模块资源：

RAM、ROM空间大，AT89C51单片机自身支持ＡＤ/ＤＡ转换，功能强大，该芯片内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试，同时简化了外围电路，极大地提高了开发效率。

综上，将AT89C51单片机作为主控单元的最终选取方案。

2.4无线信号传输模块的选取方案

在该系统中无线信号传输模块主要完成对报警信号的采集以及完成报警信号的无线发送，因此有以下两种方案可供选择:

方案一：

采用挪威Nordic公司生产的nRF905无线发射与接收模块。

nRF905工作在433/868/915MHz3个ISM频道，传输距离1000米左右，对于该系统来说，正合适对整个宿舍楼进行检测。

虽然其成本高，但其器件得到充分利用。

方案二：

采用PT2262/PT2272无线发射与接收模块。

PT2262/PT2272工作于315MHz，传输距离比nRF905要近，但该系统是对整个宿舍楼进行远距离监控，其传输距离不足。

因此选用nRF905作为该系统的无线发射与接收模块。

2.5宿舍人员检测模块的选取方案

热释电红外传感器（人体红外感应模块）是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。

它目前正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。

比如：

在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；

电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构；

开启监视器或自动门铃上的应用；

结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动.

红外发射接收有两种方式，可以采用主动和被动方式。

主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。

为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。

主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触发误报。

如果有物体坠落遮挡，都会导致误报。

被动式红外传感技术是利用红外敏感元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施监控。

它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。

同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。

综合考虑后本设计采用被动式红外传感器作防盗传感器。

红外线波长范围大致在0.76—1000μm之间。

物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足

λm*T=2989（um*k）

其中λm为最大波长，T为绝对温度。

人体的正常体温为36~37.5º

C，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为

λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um

中心波长为9.65um。

从内部结构分，热释电红外传感器有单探元、双元件、四元件及特殊型。

双探元是将两个特性一致的探测元进行串接，组成差动平衡电路，有利于抑制因探测元自身温度变化而产生的干扰。

四元件与双元件类似。

用于人体探测的热释电红外传感器多采用双（探测）元或四元的器件。

由于灵敏度要求不是很高，加之四元件价格相比双元更贵，因而设计最终采用双元的热释电红外传感器。

选择了几种器件作比较，如表2.1所示。

表2.1几种红外传感器的主要参数

型号

Q74

P228

LN084

性能说明

探测元

双元

探头类型

封装形式

TO-5

金属封装

响应度

6500V/M

4500V/M

3900V/M

衡量灵敏度的重要指标

等效噪声功率

9.6×

10-10

1×

10-9

1.1×

衡量稳定度的主要指标

窗口波长

7—15um

7—14um

探测器接收红外线的谱范围

使用温度

-55—+125℃

-40—+80℃

器件能正常使用的温度范围

从上表分析可以知道Q74的综合性能较好，且几者的价格相差不大，因而选用Q74热释电红外传感器用于电路设计。

2.6人员出入检测模块的选取方案

光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。

由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用。

按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。

对射式检测距离近，可检测半透明物体的密度（透光度）。

反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。

镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。

本系统选择对射式光电开关。

2.7显示模块的选取方案

12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵，16*8=128，16*4=64，一行只能写8个汉字，4行；

）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

本系统选取其作为显示模块，适时显示宿舍的安防情况。

2.8时间模块的选取方案

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。

DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

DS1302时钟芯片的最大优点是当单片机掉电后DS1302时钟芯片能继续计数。

DS1302的引脚如图2.3所示。

图2.3DS1302的引脚功能图

2.9键盘的选取方案

键盘有两种，一种是编码键盘，一种是非编码键盘。

编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常作为CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断的方式接受按键的键码，这种键盘使用方便，但硬件电路复杂，一般不采用。

而非编码键盘的每个按键的作用只是使相应接点接通或断开，每个按键的键码并非由硬件电路产生，而是由相应的扫描处理程序对它扫描形成的，因此，非编码键盘的硬件电路简单，得到广泛的应用。

非编码键盘又有矩阵式和独立式两种。

矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。

一个3×

3的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。

同理，一个4×

4的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。

按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。

行线通过上拉电阻接到+5V上。

平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。

列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。

这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。

由于矩阵键盘中行列线为多键共用，各按键均影响该键所在行列的电平。

因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。

独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。

独立式按键电路配置灵活，软件简单。

但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。

为了节省I/O口，我决定使用矩阵式键盘，使用4×

4的。

第三章系统硬件设计

3.1主控单元

3.1.1AT89C51单片机的简单概述

AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes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8单元，功能强大。

AT89C51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。

3.1.2AT89C51单片机的基本组成功能方块图

图3.1AT89C51的基本组成方块图

由图可见，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。

再配置一定的外围电路，即可构成一个基本的微型计算机系统

3.1.3AT89C51管脚的说明

AT89C51采用40引脚双列直插封装形式，引脚图如图3.1所示。

AT89C51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。

其引脚分为电源及时钟引脚、控制引脚、I/O口引脚三类：

（1）电源线

VCC:

供电电源GND:

接数字地

（2）端口线

4个8位端口共32条引脚，用于传输数据、地址、控制、状态等信息。

PO口（P1.0'

P1.7）：

多功能端口，作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。

Pl口（P1.0'

单功能端口，用于数据输入／输出传输。

P1口是专为用户使用

的准双向I/O口，应先向端口输出锁存器输入高电平[11]。

P2口（P2.0'

P2.7）：

多功能端口，用于传输地址信息或作为普通I/O端口。

P3口（P3.0'

P3.7）：

P3.0:

RXD，串口输入

P3.1：

TXD，串口数出

P3.2：

INTO，外部中断O输入

（3）控制线：

共6条，传送控制信号。

ALE:

用于地址锁存，用于区分在多功能端口传送的数据／地址信息，ALE=O，锁存

数据，ALE=1，锁存地址。

PROG:

对片内flash存储器编程时，作为输入端。

RST:

复位信号输入端。

RST=1，复位。

EA:

允许访问外程序存储器。

EA=O/1:

片外／片内存储器有效。

XTALl:

反向振荡放大器的输入及内部耐钟工作电路的输入。

XTAL2:

反向振荡器的输出，如采用外部时钟源驱动器件，应不接。

图3.2为AT89C51单片机的引脚图

3.1.4最小工作系统原理

图3.3最小系统原理图

此图是单片机工作的最小系统原理图，在这个电路中又可以分为复位电路和晶振电路，如图3.4和图3.5所示：

图3.4复位电路

复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。

在系统上电的一瞬间单片机上电复位，原理是利用电容两端的电压不能突变，在一上电的瞬间电容好比短路，所以加在第九脚RST的电平是高电平，虽然时间很短，但是足以让单片机系统复位。

手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片机复位。

具体原理是，按下S1按键，因此5V电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位。

图3.5晶振电路

对于单片机系统而言，晶振电路就好比是人的心脏一样，是一个跳动的动力来源，18,19号引脚接的是11.0592M的晶振。

3.2电源模块

220V交流电压经过变压器变成12V的交流电压，然后经过整流桥变成直流电压，经过电容的滤波后和7805直接相接，在经过滤波后变成5V电压。

转化电路图如图3.6所示：

图3.6电源供电模块电路

3.3键盘解警电路设计

由于本系统所使用到的单片机端口资源较少，端口资源充足，因而在设计键盘电路时，我们采用常用IOA0-IOA7口来做一个4*4矩阵键盘，IOA4-IOA7口作为列线，通过上拉电阻接+5V，被箝位在高电平状态，IOA0-IOA3口为行线，如图3.7所示。

对键盘的扫描过程可分为两步：

第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；

第二步是再识别是哪个键按下。

对键盘的识别方法通常采用逐行（逐列）扫描法。

图3.74*4矩阵键盘

通常按键在按下和释放时都存在一个抖动的暂态过程。

这种抖动的暂态过程大约经过5-10ms的时间，人的肉眼察觉不到，但对高速的CPU是有反应的，可能产生误处理。

为了保证按键动作一次，仅进行一次处理，必须采取措施以消除抖动，在应用系统中通常采用软件方法来消除抖动。

在本系统中同样采用软件的方法来实现。

3.4无线信号传输模块

3.4.1nRF905概述

nRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器。

组成ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。

电流消耗很低，在发射功率为-10dBm时，发射电流为11mA，快速参考数据接收电流为12.5mA.进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。

nRF905无线传输模块；

编程简单，性能也简单稳定，工作电压为1.9V～3.6V，nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码／解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低。

nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内；

nRF905较稳定，传输距离较远，且可穿透墙体。

nRF905采用Nordic公司的VLSIShockBurst技术。

ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。

通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。

nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。

在ShockBurstRX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。

在ShockBurstTX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。

3.4.2nRF905的特点

（1）载波检测

当nRF905工作在接收模式时，如果有与器件被编程通道相同的载波出现，载波检测（CD）引脚置高，这一特征对于避免工作在相同频率的不同发射机的数据碰撞非常有效，任何时候当器件准备发射数据时，应先进入接收模式，判断是否希望的通道可以输出数据，这种形式是非常简单的发射前先监听的协议，运行低功耗接收模式下的载波检测（CD）是非常强劲的RF系统，典型的载波检测水平（CD）是低于灵敏度5dBm，例如灵敏度是-100dBm时低于-105dBm的载波检测CD信号为低，例如；

0V高于-95dBm的载波检测CD信号为高，例如；

VDD-105dBm到106dBm之间的载波检测信号将触发。

（2）地址匹配

当nRF905工作在接收模式，时引入的数据包的地址与器件自身地址相同时，地址匹配AM引脚置高。

使用这个引脚控制被提示在数据准备就绪DR信号置高前，器件正在接收数据。

如果数据准备就绪DR信号没有置高，例如CRC校验错误，地址匹配AM引脚在数据包接收结束时复位置低。

这以特征对MCU来说非常有用，如果地址匹配AM引脚置高，MCU可以决定等待，观察如果数据准备就绪DR信号置高，说明一个有效的数据包已经接收，或者放弃一个可能已经接收的有效数据包并改变工作模式。

（3）数据准备就绪

在发送模式时，一个完整的数据包发射结束时DR信号置高，告诉MCUnRF905已经准备好新的动作，DR信号在数据包传输开始时或转换到其他模式如接收模式或Standby模式时复位置低。

在自动重发模式时，DR信号在前导码的开始时置高，在前导码的结束时置低，数据准备就绪DR信号在每次数据包传输的开始时产生脉冲。

在接收模式时，DR信号在接收到有效的数据包，如：

有效的地址，有效的数据长度和CRC时置高，然后MCU可以通过SPI接口，读取数据当数据缓冲起中数据被读空或者器件转换到发送模式时，DR信号置低。

（4）自动重发

在有噪声的环境或没有碰撞控制的系统中，提高系统可靠性的一种办法是将同一数据包重复发几次，这可以使用nRF905自动重发。

的特性很容易实现通过将配置寄存AUTO_RETRAN位置高，只要TRX_CE和TX_EN保持为高，电路将连续发送相同的数据包，当TRX_CE为低时，器件完成当前正在发送的数据包后转换到Standby模式。

3.4.3nRF905的外部管脚接线图

图3.8nRF905外部管脚接线图

3.4.4无线信号传输模块电路设计

通过设置IOB7、IOB8、IOB9口的电平高低设置nRF905的工作模式。

当从机有信号需发送时，在发送端时，数据打包发送完毕（打包也就是加入前导和校验码），CD置位；

在接收端，接收端监听空中的无线载波，检测到自己频段的信号后，至CD有效，然后对数据包解包，把其中“接收端地址”和自己的地址比较，匹配后至AM有效，接收数据；

不匹配则不接收数据。

3.5宿舍人员检测

3.5.1热释电红外传感器工作原理

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。

热释电传感器是对温度敏感的传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。

当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；

若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。

所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。

由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离最大可超过7m。

模块采用低功耗稳压器件7133A-1，可以保证在很宽的输入电压下稳定提供3.3V的工作电压，确保模块能正常工作。

模块有三个输出脚，由红、黄、黑三色线插座引出，红线和黑线分别接DC6～24V电源的“+”、“－”，标有“OUT”的黄线是输出脚，有人输出约3V高电平，无人输出0V低电平。

上右图中左上角蓝色箭头指示有一个检测方式设置区，产品默认设置和H连接，为可重复触发方式（见上图左上角蓝色箭头指示处，如果改成和L连接，则为不可重复触发方式），即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）；

如果和L连接为不可重复触发模式，这种模式下感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平。

模块电平输出时间约15秒左右。

3.5.2热释电红外传感器内部电路原理

热释电红外探测器电路采用的器件包括红外探测器专用芯片—红外传感信号处理器BISS0001、热释电红外探头Q74