基于51单片机的寝室防盗警报监控系统设计.docx
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基于51单片机的寝室防盗警报监控系统设计
0902班张德欢2009118010232
目录
1绪论................................................................................................1
1.1发展概况与设计背景............................................................1
1.2本设计概述........................................................................2
2总体设计方案...........................................................................3
2.1方案选择论证....................................................................3
2.2主控芯片单片机的选择....................................................3
2.2.1AT89C51的主要性能...................................................4
2.2.2AT89C51的引脚结构...................................................5
2.3传感器的选择..........................................................................6
2.3.1传感器的超声波探测的原理结构..................................7
2.3.2超声波探测原理..............................................................7
2.3.3超声波传感器的结构.....................................................8
3系统硬件设计.........................................................................13
3.1低频带通放大电路...........................................................13
3.2电压比较整形电路...........................................................14
3.2.1双限电压比较器的工作原理.......................................14
3.3报警电路............................................................................15
3.4灯光警示电路....................................................................16
3.5状态显示电路....................................................................17
3.6供电电源电路....................................................................17
3.7单片机最小系统................................................................18
4系统软件..................................................................................19
4.1主程序流程图....................................................................19
4.2中断函数流程图................................................................20
5结论...........................................................................................21
致谢...............................................................................................22
参考文献.............................................................................................23
附录一：
系统电路图...................................................................24
附录二：
系统程序.......................................................................25
1绪论
1.1发展概况与设计背景
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，人们私有财产也不断地增多，因而也对防盗措施提出了新的要求。
从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。
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。
它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进，不但可以用于单一的住宅区，也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统，它的工作性能好，不易出现不报和误报现象，安全可靠。
不仅如此，它使用了单片机做信号处理器，这样有利于与计算机相连接，利用计算机统一管理，使整个小区的住户基本情况、资料等在计算机内存储起来，方便来访人的查询和保安人员的统一管理。
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：
（一）压力触发式防盗报警器由于压力板式安装在垫子内，当主机停止工作，主人在家走动时，都很容易失报和误报，其可靠性低。
（二）开关式电子防盗报警器一般只有一个定点，有效范围小，而且各种开关也易坏，失报和误报率就高，不可靠。
（三）遮光式触发防盗报警器在受到太阳光照射就会引起误报，同时如果由于风吹窗帘的摆动等遮住了光也会引起误报，所以这种报警器的可靠性也不高。
再者，就闭路监控电路防盗系统而言：
它的安装线路复杂，而且技术要求比较高，价格也比较昂贵，不利于广泛利用。
1.2本设计概述
综合以上报警器的不足，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利于跟PC机通信，便于多用户统一管理。
2总体设计方案
2.1方案选择论证
防盗报警系统一般是由入侵探测器、防盗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。
该系统设计方案有以下两种：
方案一；利用固定点电话联网防盗报警系统来实现家庭防盗报警，该系统由编程主机、探测器、门磁和遥控器组成，一旦发生警情，能把报警信息通过邮电通讯网络瞬间远程传输到用户设定的固定电话上，同时向接警中心报告，中心联网电脑可通过电子地图、数据库、电脑语音提示、监听现场情况，显示发生警情的单位、地址、方位、发案时间、所辖派出所（巡逻大队）经历分布，及时调动警力做出快速处理。
方案二；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。
通过比较，方案二能满足我们实时快捷的要求，更加简单有效，固本设计选择方案二。
2.2主控芯片单片机的选择
20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。
目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：
美国intel公司：
MCS-51系列及其增强型系列
美国Motorola公司：
6801系列和6805系列
美国Atmel公司：
89C51等单片机
美国Zilog公司：
Z8系列及SUPER8
美国Fairchild公司：
F8系列和3870系列
美国Rockwell公司：
6500/1系列
美国T1（德克萨司仪器仪表）公司：
TMS7000系列
NS（美国国家半导体）公司：
TMS7000系列
尽管单片机的品种很多，但是在中国使用最多的还是intel公司的MCS-51系列单片机和美国的Atmel公司的89C51单片机。
MCS-51系列单片机包括三个基本型8031、8051/8751。
8031内部包括一份8位CPU、128个字节，21个特殊功能寄存器（SFR）、
4个8位并行I/O口、1个全双工串形口、2个16位定时器，但片内无程序
存储器，外扩EPROM芯片。
比较麻烦，不予采用。
8051是在8031的基础上，片内集成有4KBROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。
所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。
也不予采用。
8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM,它构成了程序小于4KB的小系统。
用户可以将程序固定在EPROM中，可以反复修改程序。
但是价格相对8031较贵。
8031为外扩一片4KBEPROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低。
随着大规模集成电路不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。
不予采用。
80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash许程序存储区在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52位众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效地解决方案。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
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。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
故此设计采用AT89C51。
2.2.1AT89C51的主要性能
1）与MCS-51单片机产品兼容
2）4k字节在系统可编程Flash存储器
3）1000次擦写周期
4）全静态操作：
0HZ~24HZ
5）三级程序存储器锁定
6）32个可编程I/O口线
7）两个16位定时器/计数器
8）五个中断器
9）可编程串行通道
10）低功耗空闲和掉电模式
11）看门狗定时器
2.2.2AT89C51的引脚结构
图2-1AT89C51的引脚结构图
超声波测距原理：
超声波在相同的传播媒体里（大气条件）传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,波动的传播方向与振动方向一致,是纵向振动的弹性机械波,它是借助于传播介质的分子运动而传播的,波动方程描述方法与电磁波是类似的。
式中,A（x）为振幅,A0为常数,ω为圆频率,t为时间,x为传播距离,k=2π/λ为波数,λ为波长,α为衰减系数。
衰减系数α与声波所在介质及频率的关系为
α=af2（3）
式中,a为介质常数,f为振动频率。
在空气里,a=2×10-13s2/cm,当振动的声波频率f=40kHz（超声波）代入式（3）可得a=3.2×10-4cm-1,即1/α=31m;若f=30kHz,则1/α=56m。
它的物理意义是:
声波在空气媒质里传播,因空气分子运动摩擦等原因,能量被吸收损耗。
在（1/α）长度上,平面声波的振幅衰减为原来的e分之一,由此可以看出,频率越高,衰减得越厉害,传播的距离也越短。
考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时,选用频率f=40kHz的超声波,波长为34000/40000=0.85cm。
超声波测距应用：
1.超声波流量计：
测量水的流速，这是因为超声波是一种机械波，依靠介质才能传播，其传播方向受介质运动影响，因此，水可以改变传播方向。
进而可以做出超声波流量计，可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。
还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。
2.超声波测距仪：
用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。
3.报警器：
盲人探路器、防盗报警等
4.定位系统：
用以探测超声波发射源位置，在生活中有重要意义，如人说话、呼吸的时候不光产生声波，同样也会产生部分超声波，呼出的气体分子与空气分子碰撞就产生超声波。
气管漏气，轮胎漏气，阀门泄漏、阀门气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。
通过接收器看以看出哪里有漏洞。
超声波发射头研究：
保持vi不随f变化，测量数据如下：
（频率单位：
khz，输出电压为峰峰值，单位V）
f
10
20
30
35
38
40
42
45
50
51
52
53
55
60
Vo
9.52
8.16
6.08
5.44
4.32
3.76
4.32
6.48
3.28
1.6
1.92
6.8
8.32
6.32
从图中可以得出结论：
Ø超声波发射的串联谐振频率有两个，一个是40khz，一个是51khz；
其对应的阻抗分别为：
1.27kΩ和381Ω
方案一
超声波发射电路
图1-1
由单片机产生40KHz的方波，并通过单片机的P1.0口接到CD4069，而后面的CD4069则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。
超声波发射电路信号走向
图1-2
超声波接收电路
图1-3
当超声波接收头收到发射信号时，便通过CX20106进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、积分及施密特触发比较得到解调处理后的信号。
7脚为信号输出口，没收到信号时为高电平，收到后变为低电平，之后又恢复高电平。
（a）为接收信号，（b）为有源峰值检波，如图1-4
图1-4
CX20106使用
超声波接收电路使用了集成电路cx20106AI到。
cx20106A是日本索尼公司生产的红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路，可用来代换多种型号的遥控接收集成电路。
CX20106A的内电路框图及信号流向如图1-4所示。
CX20106内部结构如下：
图1-5
集成电路Cx20106A可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和
波形整形等功能，各部分参数值如表1-1所示。
其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。
CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。
同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减小电噪声。
CX20106主要引脚说明（表1-1）：
脚号
符号
引脚名称
说明
1
IN
信号输入端
该脚输入阻抗约为40士5k9
2
RC
RC网络连接端
该脚与地间接有RC串联网络，用来确定前置放大器
的频率特性和增益。
电阻增大，电容值小，则增益低:
反则高。
但电容不宜过大，否则瞬态响应速度会降低。
3
c
检波电容连接端
该脚与地间连接着检波电容。
电容量大为平均值检
波，瞬态响应灵敏度低;电容量小，则为峰值检波，
瞬态响应灵敏度高，但检波输出的脉宽变动大，易造
成遥控误动作。
4
GND
接地端
5
f。
带通滤波器中心频
率设置端
该脚与电源间所接电阻R用来设置带通滤波器的中
心频率f。
6
330p
积分电容连接端
该脚所接的积分电容，标准值为330PF。
当其容量值
变大，则外部噪波干扰增强，而且输出脉冲的低电平
持续时间增加，遥控距离变短。
7
OUT
信号输出端
该端口为集电极开路输出端。
该脚和电源之间连接一
只R3电阻后，输出脉冲低电平的标准值约为0.2V。
8
Vcc
供电电源端
（5士0.3）V
表1-1
CX20106参数表（表1-2）：
表1-2
当电阻在200k~220k时，f。
=40kHZ左右。
引脚6接330p的电容
3接3.3uf的电解电容
引脚2：
用以调节放大倍数，及增益，实际使用情况如下：
测试条件：
RC网络连接端中R1=5Ω,Vcc=5V，测量距离为单程，以下为粗略值，仅供参考
C1
104
103
472
332
102
手指发声距离
1.5m
0.75m
0.5m
0.3m
0.2m
测量距离
10m以上
9m
7m
6m
5m
表1-3
此电路制作成功，能够测量20cm-3m间的距离，显示最小值为1cm。
遇到的问题----已解决：
超声波T和R不能太近，如3cm，否则CX20106很容易受到干扰使图1-3的发光二极管不停地闪烁，CX20106的增益在74db以上，很高，很容易受到干扰信号的影响，实际相隔6cm时解决了此问题。
等待解决的问题：
CX20106当1脚接的超声波探头T靠近电源时，如果RC网络连接的C比较大时会受到电源的干扰，使LED闪烁。
如果超声波软件开始发射时，启动CD4069电源，发射完后关闭CD4069的电源，VDD为CD4069的电源端，其方法是利用单片机的P1.1口来控制CD4069的电源开与关。
其电路如图1-6。
实验效果表明，在本方案中CX20106会受到干扰，我想可能是电源稳定受到该影响。
然而方案二利用LM324来做接收时，原先多次显示出来的数据只有少数是正确测量出来的结果，利用此图1-6的方法确实减少了很大的干扰，但仍然有点干扰，多次显示出来的数据只有少数是不正确的结果。
图1-6
方案二
发射电路如下图1-7
图1-7
单片机P1.0为超声波脉冲发射端，P1.1为超声波发射驱动电路CD4069电源控制端，当要发射超声波时启动CD4069的电源，发射后关闭其电源，以减小超声波T带来的干扰,因为电源可能不是十分稳定，含有很小的高频的交流成分，尽管很小，但传到超声波发射端T时，会发射出去，引起接收的干扰。
本发射电路在一定程度上减小了T对R的干扰。
要进一步减小其干扰，就是让VDD=VCC，同时要求电源绝对的稳定，不受Q1开关的影响，否则接收电路LM324电压比较的参考电压将会受到影响。
超声波接收电路如图1-8
图1-8
此接收电路接收到的超声波信号经过三级20*20*10=2000倍左右的放大。
可以测量高达3m远的距离，然后给LM358做电压比较得到TTL方波信号给单片机接收。
此电路优点：
为一个40khz的带通滤波器，就是Q值过低，此电路有以下缺点：
第一：
LM324其对40khz的信号放大时，放大倍数受到频率高的限制，即增益带宽积fH*Au，使放大倍数最高位20，这是经过示波器多次数据测量和观察的结果。
第二：
电源不能很稳定，没有做稳压块，会使LM358电压比较器的参考电压受到波动，只要有一点波动会使反向放大器波形受到破坏，这个电压稳定相当重要。
第三：
带通滤波效果差，Q值低，因而外界干扰信号或噪声干扰也得到比较大的放大。
此电路制作只是半个成功，即可以测量距离，但有时显示不正确。
超声波测距注意问题及改善方法
a.温度影响测量精度：
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件.。
而超声波在空气中
传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。
其中温
度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为:
由泰勒公式展开可近似为c=331.5+0.607t式中，t是环境摄氏温度（℃）。
所以，温度每变化1℃，
波的速度变化为0.6m/s。
可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。
b.超声波在空气中传播经过多条相隔很近的路径多次来回影响，解决方法有两个：
第一是超声波发射间隔时间增长；第二就是超声波发射模块做小，同时探头T与R平行于电路板，减小其来回反射路径。
c.提高超声波发射功率，可以增加测量距离，可以采用变压器实现升压。
d.超声波发射头和接收头由于靠的很近，容易受到发射的干扰，应该尽量避免余波的干扰。
从图1-9中可以看到，当发射超声波脉冲时，几乎在同一时刻收到了。
解决方法：
一个是增加T/R之间的安装距离，第二就是软件解决，在发射完后，延长一段时间再开启检测超声波发射的信号。
这就是超声波存在最小测量距离的主要原因。
图1-9
e.避免手接触超声波电路板，容易产生干扰。
f.提高电源的稳定性
g.测量距离时，应尽量保证,传感器轴线与被测物表面垂直；
h.实际测距范围与被测物表面材料有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面;
①超声波对色彩、
关照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体）;
②对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;③超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化
优点：
物美价廉，一对超声波探头,如型号T/40-16只要4.5元；
体积小，易于集成化
3系统硬件设计
3.1低频带通放大电路
热释电红外传感器输出的检测信号很小，仅1mV左右，频率为0.1~10HZ，需经高增益、低噪声低频放大器放大后，才能进一步处理，一般来讲，要求放大器的增益为60~70dB,带宽0.3~7HZ。
放大器的带宽对可靠性和灵敏度有重要影响，带宽窄，噪声小误动作率低；带宽宽，噪声大，误动作率高！
如图3-1所示，本系统采用LM324中的两个集成运算放大器构成低频带通放大电路，LM324内部集成了四个独立的高
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