1、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 2.2.1 AT89C51 的主要性能 .4 2.2.2 AT89C51 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
2、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
3、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
4、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，
5、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
6、，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
7、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
8、，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 4KB ROM，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
9、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 4KB EPROM 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
10、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 Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 的低电压、高性能 CMOS 8 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
11、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。 2.2.1 AT89C51 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： 0HZ24HZ 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
12、 11)看门狗定时器 2.2.2 AT89C51 的引脚结 构 图 2-1 AT89C51 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 , A 0 为常数 , 为圆频率 , t 为时间 , x 为传播距离 , k= 2 / 为波数 , 为波长 , 为衰减系数。衰减系数 与声波所在介质及频率的关系为 =af2 （ 3） 式中 , a 为
13、介质常数 , f 为振动频率。在空气里 , a =210 - 13 s2/cm, 当振动的声波频率 f = 40kHz (超声波 ) 代入式 (3) 可得 a = 3.2 10-4 cm-1 , 即 1/= 31m;若 f = 30 kHz, 则1/= 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/) 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 340
14、00/40000=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
15、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 jeck02468100 20 40 60 80f/KHZVop_p/vVo从图中可以得出结论： 超声波发射的串联谐振频率有两个，一个是 40khz，一个是 51kh
16、z； 其对应的阻抗分别为： 1.27k和 381 方案一 超声波发射电路 1 2U 3 A4 06 93 4U 3 B4 06 95 6U 3 C4 06 99 8U 3 D4 06 913 12U 3 F4 06 911 10U 3 E4 06 9C00 .0 1 ufC 1 10 .0 1 ufTP 1. 0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 1 2 3 4 5 6 7 8C X 2 01 0
17、 6C33 30 p+C23 .3 uC13 .3 nR52 20 kR45R21kR31 00R71 5kRR61 0kV C CQ29 01 4Q39 01 8D1L E DV C CP 3. 2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。 cx2010
18、6A 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
19、。 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
