畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于單片機的防火防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：基于單片機的防火防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計 系 別： 信息與控制學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 王艷秋 2011年 6 月15 日摘 要近年來，隨著科技的發(fā)展和人們安全防范意識的提高，鋼質(zhì)防盜門和鋼質(zhì)窗戶防盜網(wǎng)等傳統(tǒng)的防盜措施已不能滿足人們的需要。迫切需要一種面向普通家庭用戶，性價比高，運行可靠，可拒非法入侵者于戶外的智能防盜報警系統(tǒng)來代替防盜門、防盜網(wǎng)。因此本設(shè)計的目的就是為了找到一種適合普通家庭式防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了超聲波測距傳感器與單片機的結(jié)合，其中采用超聲波測距傳感器來提供報警信號的方法使得成本低，易于維護，探頭小，可安放于隱蔽的地方且不易被發(fā)現(xiàn)，接受信號靈敏，因此有明顯的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。本次設(shè)計的產(chǎn)品以AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制核心，完成對外來人員的連續(xù)監(jiān)測，提供了一個帶有4位LED顯示、并使其集中到一塊面板上，使得操作方便快捷，直接在LED顯示實時溫度，該設(shè)計中使用DS18B20作為溫度測量傳感器，對溫度進行實時采集，使用紅外傳感器采集人體信號信息，使用煙霧傳感器采對氣體煙霧進行檢測，返回信號都由單片機接收并將信息反饋出來。該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)防盜控制方法的優(yōu)點，還具有易于維護和實現(xiàn)非接觸、高可靠監(jiān)測的特點，并且硬件開銷成本低，適宜大多數(shù)普通家庭、寢室、辦公住所等。 關(guān)鍵詞： 單片機； 紅外檢測； 溫度檢測； 煙霧檢測AbstractIn recent years, with the development of science and technology and people safety awareness enhancement, steel guard against theft and steel window dooryard tradition such as preventive measures already cannot satisfy peoples needs. In desperate need of a user oriented to ordinary families, cost-effective and reliable operation, may refuse illegal invaders in the outdoors intelligent anti-theft alarm system to replace burglary-resisting door and dooryard. So this design goal is to find a suitable for ordinary family security systems.This intelligent security control system application design method and general anti-theft system is different, this system USES a ultrasonic range-finding sensors and MCU combination, including ultrasonic range-finding sensors to provide alarm signal approach to make the low cost and easy maintenance, probe small, can put in hidden place and will not be discovered, accept signal sensitive, therefore has the obvious advantages and prospect.This design is for intelligent security control system design and research. Initially find information, produce the overall design thoughts, then draw principle diagram, welding hardware and software and hardware debugging. The design of the product by AT89C52 single chip computer as control core and complete system of nonnative personnel, provides a continuous monitoring with four LED display, and make it on a panel, make convenient operation directly in LED display real-time temperature, this design USES DS18B20 as temperature measurement of the temperature sensor, real-time acquisition, using infrared sensors to collect information, the use of human body signals to smoke sensors gather smoke for testing, return gas by microcontroller receiving signal and information feedback out.The system design is simple and not only inherited the traditional security control method, also has the advantages of easy maintenance and realize non-contact, high reliable monitoring, and the characteristic of hardware overhead cost low, suitable for most ordinary families, dormitories, office accommodation, etc.Keywords: SCM；Infrared detection；Temperature detection；Smoke detection目 錄1 緒 論11.1 防火防盜報警系統(tǒng)的概述11.2 國內(nèi)外防盜控制系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展11.3 研究的目的和意義32 系統(tǒng)的總體設(shè)計42.1 總體設(shè)計思想42.2 系統(tǒng)總機構(gòu)52.3 系統(tǒng)設(shè)計原理圖53 檢測信號放大電路設(shè)計73.1 熱釋紅外線傳感器典型電路73.2 紅外線探測信號放大電路設(shè)計83.2.1 集成電路運算放大器103.2.2 精密多功能運算放大器INA105113.2.3 低功耗、雙運算放大器LM358134 單片機接口電路設(shè)計144.1 單片機的選型144.1.1 AT89S51的主要功能特性144.1.2 AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳154.2 溫度檢測電路174.2.1 溫度傳感數(shù)據(jù)采集電路174.2.2 DS18B20溫度傳感器引腳功能184.3 鍵盤電路194.4 顯示電路205 軟件部分設(shè)計245.1 主程序245.2 按鍵掃描程序245.3 按鍵執(zhí)行程序26結(jié) 論29致 謝30參考文獻31附錄A 英文原文33附錄B 中文翻譯39附錄C 電路圖43附錄D 程序44附錄E 實物圖片52III沈陽理工大學(xué)1 緒 論1.1 防火防盜報警系統(tǒng)的概述防盜控制廣泛可應(yīng)用于工廠、家庭、汽車等場合。實現(xiàn)無接觸、智能化報警是防盜控制系統(tǒng)目前的發(fā)展方向。隨著工業(yè)的發(fā)展，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，近年來防盜控制的研制得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。從監(jiān)測范圍來說，有的防盜控制只能監(jiān)測幾厘米，有的卻可達幾十米。從監(jiān)測條件和環(huán)境來說，有的非常簡單，有的卻十分復(fù)雜。例如:有的是利用紅外線感溫傳感器，有的是壓力傳感器，有的震動，也有聲響來監(jiān)測，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護上提出嚴(yán)格的要求等。因此在進行綜合分析后進行了該設(shè)計。它將實現(xiàn)自動監(jiān)控的智能防盜系統(tǒng)，通過超聲波傳感器采集距離信號，通過AD傳給系統(tǒng)核心單片機，單片機通過處理與分析將距離值顯示于三位的數(shù)碼管上，檢測到需要報警時，LED二極管將實時點亮，達到報警的功能，本設(shè)計的程序應(yīng)用單片機C語言編寫實現(xiàn)。國外關(guān)于防盜控制早期從防火的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，逐步向智能化自動化發(fā)展，并且發(fā)展及應(yīng)用了許多新的監(jiān)測原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善、功能有了很大的提高，從國內(nèi)外關(guān)于防盜控制系統(tǒng)的發(fā)展來看當(dāng)前的發(fā)展熱點向非接觸，如超聲波傳感器，紅外線傳感器，無線報警等1。1.2 國內(nèi)外防盜控制系統(tǒng)的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展防盜報警系統(tǒng)是用物理方法或電子技術(shù)，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的侵入行為，產(chǎn)生報警信號，并輔助提示值班人員或其主人發(fā)生報警的區(qū)域部位，顯示可能采取的對策的系統(tǒng)。防盜報警系統(tǒng)是預(yù)防搶劫、盜竊等意外事件的重要設(shè)施。一旦發(fā)生突發(fā)事件，就能通過聲光報警信號，使于迅速采取應(yīng)急措施。防盜報警系統(tǒng)與出入口控制系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、訪客對講系統(tǒng)和電子巡更系統(tǒng)等一起構(gòu)成了入侵防范系統(tǒng)。防盜報警系統(tǒng)通常由探測器（又稱防盜報警器）、傳輸通道和報警控制器三部分構(gòu)成。 報警探測器是由傳感器和信號處理組成的用來探測入侵者入侵行為的電子和機械部件組成的裝置，是防盜報警系統(tǒng)的核心，而傳感器又是報警探測器的核心元件。采用不同原理的傳感器件，可以構(gòu)成不同種類、不同用途、達到不同探測目的的報警探測裝置2。 中國防盜控制技術(shù)的發(fā)展大致起源于上世紀(jì)60年代初北京故宮博物院的安防報警系統(tǒng)。當(dāng)年，中國老一輩的安防技術(shù)工作者在完全隱蔽、可靠報警、絕對防火的全木質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境下完成了該系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，該系統(tǒng)就發(fā)揮了很好的作用。之后的若干年，中國安防技術(shù)一直是以防盜報警系統(tǒng)為主，其應(yīng)用場合也主要限于金融與文博系統(tǒng)。由于當(dāng)時基于光電導(dǎo)攝像管的攝像機體積大且價格昂貴，因而在安防技術(shù)市場中可視化的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例極少。隨著時代的變遷，智能防盜技術(shù)有了較大的發(fā)展， 1994年秋在北京全國農(nóng)業(yè)展覽館舉辦的展覽會上，展出了部分關(guān)于防盜控制系統(tǒng)產(chǎn)品；1995年夏在天津國際展覽中心的消防安防設(shè)備展覽會上，展出了更多的安防技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品，氣氛火熱。緊接著到1996年，由中國安防產(chǎn)品行業(yè)協(xié)會等單位主辦了全國首屆“國際社會公共安全產(chǎn)品博覽會”，一下子吸引了國內(nèi)外300多廠商參展，由此標(biāo)志了中國防盜及安防技術(shù)市場的形成。在國內(nèi)安防防盜市場開始蓬勃發(fā)展的同時，2001年11月，中國安防界在深圳成功舉辦了首屆中國安防論壇，全國人大副委員長、中國科協(xié)主席周光召院士題詞。中國科學(xué)院和中國工程院的5位院士以及國內(nèi)30多位安防領(lǐng)域的知名專家、教授發(fā)表了演說，較全面地展示了中國安全防范領(lǐng)域的技術(shù)動態(tài)和發(fā)展方向，促進了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的交流與合作，探討了中國公共安全行業(yè)如何應(yīng)對WTO，以及行業(yè)發(fā)展、管理、動作更加科學(xué)化、規(guī)范化的有關(guān)問題。首屆安防論壇的舉辦，為架構(gòu)中國安防的理論體系，研討中國安防的發(fā)展戰(zhàn)略，開創(chuàng)良好的學(xué)術(shù)氛圍，為舉辦更大規(guī)模的學(xué)術(shù)論壇積累了經(jīng)驗，創(chuàng)造了條件。到2008奧運項目首都國際機場捷運系統(tǒng)監(jiān)控項目就是在先進的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)中進一步整合了無人駕駛車輛自動傳感監(jiān)控系統(tǒng)、無線移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及多系統(tǒng)的智能網(wǎng)管系統(tǒng)，一改傳統(tǒng)電視監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是畫面監(jiān)視及簡單報警聯(lián)動的實現(xiàn)方式，而安防系統(tǒng)整體解決方案（Total Solution）概念必將成為現(xiàn)代電視監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向8。對于超聲波監(jiān)測的應(yīng)用隨著自動測量和自動控制技術(shù)的發(fā)展特別是微機技術(shù)的發(fā)展，促進了超聲測量技術(shù)的研究和應(yīng)用。80年代中后期，單片機技術(shù)的應(yīng)用使超聲波傳感器的監(jiān)測向高性能、智能化方向發(fā)展。由于使用了單片機作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理、進一步提高了超聲波監(jiān)測的測量精度，而且還能設(shè)計出友好的人機界面。超聲波傳感器是當(dāng)前應(yīng)用較多的非接觸型傳感器。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理?？蓪崿F(xiàn)非接觸監(jiān)測、測量范圍寬、并且測量量不受其他因素的影響，因此它的適用范圍非常廣泛，超聲傳感器監(jiān)測技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。由于超聲波傳感器沒有可動部件，不存在機械磨損、機械故障，因而其可靠性和使用壽命比多數(shù)接觸型傳感器要高。該監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其它附加設(shè)施，且安裝、使用和維護都較方便。隨著電子技術(shù)的發(fā)展。單片機嵌入應(yīng)用，超聲波液位計的精度有了進一步的提高，功能更加齊全9。目前，在現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的支持下，電子地圖、多媒體操作、管理與控制軟件引入到防盜報警系統(tǒng)中。這種新的系統(tǒng)采用多媒體技術(shù)同時處理多種信息，并使信息之間、信息與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間建立邏輯聯(lián)系，集成為一個交互式的系統(tǒng)，從而達到自動識別、自動預(yù)測、自動處理警情，使整個安防系統(tǒng)成為一種具有智能化的“活”的系統(tǒng)，讓它發(fā)揮巨大、有效、可靠、靈活的系統(tǒng)功能。1.3 研究的目的和意義隨著微電子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于居住環(huán)境的安全、方便、舒適提出了越來越高的要求，因此智能化住宅隨之出現(xiàn)，也隨著改革開放的深入和市場經(jīng)濟的迅速發(fā)展、提高，城市外來流動人口大量增加，帶來許多不安定因素，刑事案件特別是入室盜竊、搶劫居高不下，因此家庭智能安全防范系統(tǒng)是智能化社區(qū)建設(shè)中不可缺少的一項，而以往的做法是安裝防盜門、防盜網(wǎng)，但普遍存在有礙美觀，不符合防火要求，而且不能有效地防止犯罪分子對住宅的入侵，故利用高科技的電子防盜報警系統(tǒng)也就應(yīng)運而生。目前家庭住宅的主要防范措施是利用防盜門，商店的防盜措施主要是監(jiān)控器和出門口的紅外報警器。隨著人們認(rèn)識的深入，利用智能防盜、防火、防煤氣將成為人們的首要選擇，智能安防也是安防行業(yè)的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)采用常用的AT89S52單片機系列作為系統(tǒng)的核心控制部分，是一個利用紅外傳感器作為信號輸入控制部分的多路智能報警器。當(dāng)有不明物體經(jīng)過某一發(fā)射器與接收器中間時，會有控制信號輸入單片機，進而輸出刺耳的報警聲來引起相關(guān)人員的注意，同時利用顯示器來顯示不明物體的地理位置，這樣很大程度上減少了搜索時間，從而提高了實效性。達到了信號接收靈敏度高，顯示反映快，報警聲音響的效果。2 系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 總體設(shè)計思想以單片機為控制中心，外部傳感器為檢測元件，通過按鍵控制其報警溫度與傳感器的開關(guān)，輸出由LED顯示數(shù)碼管與聲光報警電路組成，其中溫度傳感器使用數(shù)字化的一線總線技術(shù)的傳感器DS18B20作為檢測器件，煙霧傳感器使用檢測煙霧氣體的凱聰BS03作為煙敏器件，紅外傳感器JS-311作為人體熱釋電檢測器件，單片機I/O口通過接收各個傳感器的返回狀態(tài)值來判斷是否進行報警，報警電路由單片機控制輸出信號，蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴，對應(yīng)報警指示燈點亮，且數(shù)碼管可以顯示實時溫度，整個系統(tǒng)設(shè)計簡單合理，通過單片機控制其外圍器件，更加簡單可靠，防盜控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖單片機按鍵輸入顯示輸出紅外檢測溫度檢測煙感檢測聲光報警2.1所示。圖2.1 防火防盜報警系統(tǒng)框圖2.2 系統(tǒng)總機構(gòu)為了實現(xiàn)設(shè)計要求的基本功能，本系統(tǒng)必須包含四個基本功能模塊：1.單片機控制模塊2.傳感器模塊3.報警模塊4.顯示模塊其中單片機控制模塊主要用于回應(yīng)傳感器信號和進行顯示程控；傳感器模塊主要用于感應(yīng)是否有物體通過，并形成電平信號輸出；報警模塊主要用于報警聲響提示；顯示模塊主要用于顯示報警地點。為完善系統(tǒng)的功能同時能夠達到系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，本系統(tǒng)必須包含以下功能模塊：1.復(fù)位電路：實現(xiàn)單片機的復(fù)位控制2.振蕩電路：提供所需的單片機時鐘頻率2.3 系統(tǒng)設(shè)計原理圖本系統(tǒng)基本原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2 系統(tǒng)基本原理結(jié)構(gòu)圖由以上系統(tǒng)基本原理框架圖可以看出，本系統(tǒng)的外圍電路相對比較簡單，功能的實現(xiàn)主要是從外部獲取控制信號之后在單片機中進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理完畢之后單片機便將控制信號輸出到報警電路進行報警，將顯示數(shù)據(jù)輸出到顯示電路進行顯示。所以本系統(tǒng)的單片機數(shù)據(jù)處理方面的程序相對比較復(fù)雜一些，所有的感應(yīng)信號和顯示數(shù)據(jù)的處理和輸入控制都是在單片機中進行處理，這就要求在設(shè)計程序的時候要認(rèn)真思考單片機存儲空間的合理分配和管腳的分配問題。系統(tǒng)基本原理利用單片機監(jiān)控傳感器信號來判斷防火以及防盜事務(wù)發(fā)生并做出相應(yīng)的反映，以到達時刻預(yù)防意外發(fā)生并在乎外發(fā)生時作出及時的調(diào)停辦法。設(shè)計分為3個部門：信號監(jiān)視部門，信號處理部門以及調(diào)停實行部門。信號監(jiān)視部門由于設(shè)計的要求，分為兩個分離的小部門，1個用于防火的煙霧傳感器，1個是用于防盜的紅外線發(fā)生器以及吸收器。煙霧傳感器有1個極限值，當(dāng)煙霧濃度超過這個極限時檢驗測定電路就會輸出1個低電平的煙霧信號。紅外線發(fā)生器以及紅外線吸收器是一路事情的，紅外線發(fā)生器拍發(fā)某頻率的紅外線信號給紅外線吸收器，一般情況下，發(fā)生器以及吸收器中間是沒有反對物體的，吸收器吸收到的信號是連續(xù)的，而當(dāng)她們中間有物體顛末反對時，吸收器吸收到的信號就會有1個跳變，這里吸收器就會輸出1個低電一般信號給單片機申明有物體進入該區(qū)域。信號處理部門是1個承結(jié)上下兩個部門的存在，它的事情是單片機接收到監(jiān)視部門發(fā)過來的信號來做出相應(yīng)的處理，并調(diào)用相應(yīng)的程序來處理事務(wù)。調(diào)停實行部門就是連結(jié)在單片機上的以及種應(yīng)急開關(guān)跟著單片機程序的執(zhí)行而進行捭闔，比如預(yù)防火災(zāi)的噴泉開首以及防盜防火共用的警報開首。設(shè)計簡單但很實用，它在只管即便削減生產(chǎn)力的情況下可以時刻保證監(jiān)控區(qū)域的安全。3 檢測信號放大電路設(shè)計紅外技術(shù)已經(jīng)成為先進科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，他在各領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。由于他是不可見光，因此用他做防盜報警監(jiān)控器，具有良好的隱蔽性，白天黑夜均可使用，而且抗干擾能力強。而本設(shè)計輸入部分主要是各種各樣的傳感器，不同類型的探測器用不同的手段探測各種入侵行為；若更換其他的傳感器，該系統(tǒng)還可以用于火災(zāi)報警、煤氣泄漏等報警。本章節(jié)主要介紹幾種不同的利用紅外線檢測報警的電路，并由此得出檢測信號放大電路。3.1 熱釋紅外線傳感器典型電路熱釋紅外線傳感器由于具有獨特的優(yōu)異功能，被廣泛應(yīng)用在國防和民用領(lǐng)域，作遙控、遙測、防盜、警戒、放火及自動化設(shè)施，其原理及典型應(yīng)用電路如圖3.1所示。 熱釋紅外線傳感器主要由高熱系數(shù)的鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等配合濾光鏡片窗口組成，它能以非接觸形式，檢測出物體放射出來的紅外能量變化，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出5。金屬、塑料封裝熱釋紅外傳感器，內(nèi)裝有變換阻抗用的場效應(yīng)晶體管，輸出阻抗一般為1047k，頂端或側(cè)面裝有濾光鏡片，用來選擇接收不同波長的熱釋紅外線。人體輻射的紅外線中心波長為910m,而這種探測元件的波長靈敏度特性在0.220m,范圍幾乎是穩(wěn)定不變的.在硅片表面上截止波長710m的濾光片,使波長超過710m的紅外線通過,而小于7m的紅外線被吸收,于是就得到只對人體敏感的熱釋紅外線。如果用菲涅耳透鏡配合放大電路，將檢測出來的紅外信號放大6070dB，則可檢測出1020m處人的行動。熱釋紅外線傳感器的文字符號為AT。圖3.3為熱釋紅外線傳感器的典型應(yīng)用電路。若AT為雙元件熱釋紅外線傳感器其內(nèi)部電路見圖3.1，其接收波長為6.514m，適用于防盜報警系統(tǒng)，輸出阻抗為10k;若AT為單元件熱釋紅外線傳感器其內(nèi)部電路如圖3.2所示，接收波長為120m，適用于溫度遙測，但同樣亦可用于防盜及自動控制系統(tǒng)。 在這例電路中，當(dāng)AT接收到人體信號時，輸出一個微弱的低頻信號，其頻率約為0.33Hz。經(jīng)晶體管VT1和運算放大器A1組成的兩級放大器將信號放大至7075dB。由A2等組成的電壓比較器，設(shè)定一個參考電壓。在無目標(biāo)進入時，末級無輸出；一旦有目標(biāo)進入探測范圍，AT則有信號輸出，經(jīng)放大后，電壓高于比較器設(shè)定電壓時，A2輸出高電位，VT2導(dǎo)通，繼電器K吸合，其觸點接通報警電路或控制電路，實現(xiàn)熱釋紅外線探測之目的。圖3.1 雙元件熱釋紅外線傳感器 圖3.2 單元件熱釋紅外線傳感器圖3.3 熱釋紅外線傳感器典型電路3.2 紅外線探測信號放大電路設(shè)計紅外線探測信號放大電路設(shè)計中紅外線探測器能探測人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人進入報警器的監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，即可發(fā)出報警聲，適用于家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。 該設(shè)計電路原理見圖3.4。由紅外線傳感器、晶體三極管、運算放大器、電壓比較器、V/I轉(zhuǎn)換器等組成。圖3.4 微弱信號放大電路(1) 檢測部分傳感器采用帶菲涅耳透鏡的熱釋電紅外線傳感器。U2-熱釋電紅外線傳感器U3-低功耗雙運算放大電路LM358U4-電壓比較器LM393U5-低漂移高增益運算放大器OP27U6-V/I轉(zhuǎn)換器芯片INA105紅外線探測傳感器IC1探測到前方人體輻射出的紅外線信號時，由U2的腳輸出微弱的電信號，經(jīng)三極管VT1等組成第一級放大電路放大，再通過C2輸入到運算放大器U3中進行高增益、低噪聲放大，此時由U3的7腳輸出的信號已足夠強。U3作電壓比較器，它的第腳由R9、VD2提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)U3的1腳輸出的信號電壓到達U3的5腳時，兩個輸入端的電壓進行比較，此時U4的1腳由原來的高電平變?yōu)榈碗娖?。此時LM393的1腳輸出的是一個方波信號，然后將之輸入到一個V/I轉(zhuǎn)換器INA105,它的輸出將是一個420mA的電流信號，以便于遠距離傳輸。U2采用進口器件Q74，波長為910um。U3采用運放LM358，具有高增益、低功耗。U4為雙電壓比較器LM393，低功耗、低失調(diào)電壓。其中C2、C5一定要用漏電極小的鉭電容，否則調(diào)試會受到影響。RP1是調(diào)整靈敏度的關(guān)鍵元件，應(yīng)選用線性高精度密封型。制作時，在U2傳感器的端面前安裝菲涅爾透鏡，因為人體活動頻率范圍為0.110Hz，需要用菲涅爾透鏡對人體活動頻率倍增。（2）單片機系統(tǒng)部分檢測信號入單片機接口圖如圖3.5所示。紅外線探測放大電路與單片機的具體連接見附錄總圖。P3.6單片機的P3.6口用來檢測熱釋電紅外傳感器的返回信號，傳感器傳過來的是一個420mA的電流信號，接一個250歐姆的電阻使其轉(zhuǎn)換成1V5V的電壓信號，此電路中只可能為1V和5V兩種情況，再通過一個電壓比較器LM393,當(dāng)LM393的2腳為5V時，輸出為高電平，光電耦合器導(dǎo)通，單片機P3.6的輸入口將為低電平（其余時刻為高電平），表示檢測到有人。圖3.5 檢測信號與單片機接口圖3.2.1 集成電路運算放大器集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多極直接耦合器放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，圖3.6表示集成運放的內(nèi)部電路組成框圖。輸入級一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成，輸出級一般由電壓跟隨放大器或互補電壓跟隨器組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是為各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻補償環(huán)節(jié)等18。3.2.2 精密多功能運算放大器INA105INA105精密多功能運算放大器是集成運放與外圍元件有機結(jié)合、并利用集成工藝與激光調(diào)阻技術(shù)相結(jié)合所形成的不同于常規(guī)集成運放的放大器件。利用這種新器件的不同組合連結(jié)，可以組成各種很有特色的精密應(yīng)用電路。該器件核心部分是一個精密運算放大器，其失調(diào)電壓典型值僅為50V，失調(diào)電壓漂移5V/，共模抑制比大大于86dB。與常規(guī)集成運放不同的是，它在芯片上同時制作了四個電阻，分別連接運放的兩個輸入端，如圖3.7所示。這四個電阻通過激光調(diào)阻技術(shù)將它精確到25K。這樣利用四個電阻的不同連接，就能組成很有特色的應(yīng)用電路，而且一般無需再外接精密電阻。圖3.6 集成電路運放大器內(nèi)部組成原理框圖由于激光調(diào)阻值精度極高，用它組成增益為1的電壓跟隨器（緩沖器）時，其增益誤差小于0.01%,非線性誤差小于0.001%。該器件最大工作電壓為18V，工作溫度范圍為070(后綴為P及U)及2585(后綴為M)。1、具有差動輸入的電壓電流變換器電路圖3.8是具有差動輸入的電壓電流變換器電路.輸入的差動電壓分別為V1 、V2。輸出的電流。式中R為外接電阻，改變不同的R值可獲得不同的I0值。2、精密420MA電流變送器電路圖3.9是一種由010V變化的電壓（由傳感器經(jīng)放大器輸出的電壓）經(jīng)本電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20mA的變換器電路。電路設(shè)計成在0V時為4mA電流，而在10V為20mA電流的電壓-電流變換電路。其中REF為10V的基準(zhǔn)電源。 圖3.7 INA105精密多功能運算放大器電路圖3.8 具有差動輸入的電壓電流變換器電路圖3.9 精密420MA電流變送器電路3.2.3 低功耗、雙運算放大器LM3581、概述LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。引腳圖如下所示。 圖3.10 LM358引腳圖2、LM358的特性(1)內(nèi)部頻率補償 (2)直流電壓增益高(約100dB) (3)單位增益頻帶寬(約1MHz) (4)源電壓范圍寬：單電源(330V)；雙電源(1.5一15V) (5)低功耗電流，適合于電池供電 (6)低輸入偏流 (7)低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 (8)共模輸入電壓范圍寬，包括接地 (9)差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍(10)輸出電壓擺幅大(0至Vcc-1.5V)4 單片機接口電路設(shè)計4.1 單片機的選型4.1.1 AT89S51的主要功能特性AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP (In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)等可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有適應(yīng)不同產(chǎn)品需求的PDIP、TQFP和PLCC三種封裝形式。1主要特性1) 8031 CPU與MCS-51 兼容2) 128*8位內(nèi)部RAM3) 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))4) 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz5) 三級程序存儲器保密鎖定6) 32條可編程I/O線7) 兩個16位定時器/計數(shù)器8) 6個中斷源9) 可編程串行通道10) 低功耗的閑置和掉電模式11) 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路4.1.2 AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示： 圖4.1 AT89S51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個由內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部拉高，將用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫1時，被內(nèi)部上拉電阻拉高，作為輸入。當(dāng)作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng)P2口用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址1時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳也是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入1后，它們同樣被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)。P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 /INT0(外部中斷0)P3.3 /INT1(外部中斷1)P3.4 T0(記時器0外部輸入)P3.5 T1(記時器1外部輸入)P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳，讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面。輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的，無需手動操作，然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯。如果不對端口置1，端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端，當(dāng)0Q為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1則該場效應(yīng)管就導(dǎo)通并且對地呈現(xiàn)低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低，使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準(zhǔn)備動作所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向接口。RST：復(fù)位輸入端口。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用做定時器。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)的ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號不會出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。但是在加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部為程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。XTAL1：反向振蕩放大器及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4.2 溫度檢測電路4.2.1 溫度傳感數(shù)據(jù)采集電路傳感器是檢測系統(tǒng)中的必要工具，處于檢測系統(tǒng)的輸入端，是檢測系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)，通常是檢測系統(tǒng)與被測量對象間的接口，我們將自動檢測裝置中最初感受被測量并將其轉(zhuǎn)換為可用信號輸出的器件稱為傳感器，它由敏感元件，轉(zhuǎn)換原件和其他輔助部分組成，傳感器的工作特點具有高精度，低成本，高靈敏度，穩(wěn)定性好，工作可靠，抗干擾能力強，動態(tài)特性良好，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護，功耗低等?；竟δ苋缦拢?1)它是一種測量裝置，具有一定精度，能完成檢測任務(wù)。(2)其輸入量是某一被測量，或是物理，化學(xué)，生物。(3)其輸出量是一種物理量，這種量便于傳輸，轉(zhuǎn)換處理，顯示等。(4)傳感器的輸入量與輸出量是已知的。本電路溫度傳感器數(shù)據(jù)采集部分由溫度傳感器DS18B20和電阻R14等器件組成。DS18B20支持一線總線接口，測量溫度范圍為55+125?？芍苯訉⒈粶y溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，以供單片機處理，通過編程DS18B20可以實現(xiàn)912位的溫度讀數(shù)，信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20讀、寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。由于DS18B20溫度傳感器要求，R14為上拉電阻，選R14=4.7K。如圖4.3所示：圖4.3 溫度傳感數(shù)據(jù)采集電路4.2.2 DS18B20溫度傳感器引腳功能溫度傳感器選用達拉斯公司的單線數(shù)字溫度傳感芯片DS18B20(8引腳SOIC封裝)，其引腳分布如圖4.4所示：圖4.4 DS18B20引腳分布圖引腳功能說明如下：NC(1、2、6、7、8腳)：空引腳，懸空不使用。VDD(3腳)：可選電源腳，電源電壓范圍35.5V。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。DQ(4腳)：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下高電平。DS18B20內(nèi)部有4個主要器件：64位激光ROM、溫度傳感器、非易失性溫度告警觸發(fā)器(TH和TL)和配置寄存器。DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18B20的性能特點如下：獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；無須外部器件；可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5；零待機功耗；溫度以9或12位數(shù)字；用戶可定義報警設(shè)置；報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度(溫度報警條件)的器件；負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，所以把后11位的2進制轉(zhuǎn)化為10進制后在乘以0.0625便為所測的溫度，還需要判斷正負。前5個數(shù)字為符號位，當(dāng)前5位為1時，讀取的溫度為負數(shù)；當(dāng)前5位為0時，讀取的溫度為正數(shù)。16位數(shù)字?jǐn)[放是從低位到高位。 4.3 鍵盤電路按鍵分為獨立式按鍵與行列式按鍵，兩種按鍵都可以與單片機I/O口直接相連，但是兩種按鍵的工作方式大不相同，獨立按鍵的每一個按鍵都需要一根獨立的I/O口使用，而矩陣按鍵是成陣列排列的，用行掃描控制的I/O口與列掃描控制的I/O口的個數(shù)相乘的個數(shù)即為按鍵的個數(shù)。所以在使用多按鍵的設(shè)計中，大多選用行列式按鍵作為鍵盤的輸入部分，而在本設(shè)計中使用了8個按鍵作為按鍵輸入，所以選用矩陣按鍵作為鍵盤的部分，其電路圖如圖4.5所示。使用單片機的P1.0口與P1.1口作為行控制口，使用P1.4P1.7作為列控制口，單片機通過軟件編程控制其按鍵值的判斷，在判斷中我們采用編程掃描的方式，也就是在無中斷產(chǎn)生時，不斷的掃描按鍵程序，判斷過程為：先將P1.0與P1.1置0進行行掃描，判斷是否有列值按下，其判斷時對P1口賦值0XF0，如果有按鍵按下，行列將會有一處交點，相當(dāng)于對兩個I/O短路，則另一個列I/O口也被強制下拉為低電平，該值中的高8位將會有某一列全部為0，有按鍵按下，則將該列編碼值保存，然后將P1口賦值0X0F；進行全列掃描，判斷行是否有為0的狀態(tài)，然后將這個行編碼值保存，最后將行列值的編碼值進行或運算，就組成按鍵的原始編碼值，完成了按鍵的掃描。圖4.5 鍵盤電路圖4.4 顯示電路數(shù)碼管顯示的工作原理八段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成?；?個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。如圖4.6所示:圖4.6 數(shù)碼管顯示器在選用共陰的LED時，只要在某一個發(fā)光二極管加上高電平，該二極管即點亮，反之則暗。而選用共陽極的LED時，要使某一個發(fā)光二極管發(fā)亮，則需加上低電平，反之則暗。為了保護各段LED不受損壞，需要外加限流電阻。為了要顯示某個字型，則應(yīng)使此字形段的相應(yīng)點二極管點亮，也即送一個不同的電平組合代表數(shù)據(jù)來控制LED顯示的字型，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。共陰和共陽結(jié)構(gòu)的LED顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段Dpgfedcba對應(yīng)于一個字節(jié)(8位)的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二進制碼就可以表示需要顯示的字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當(dāng)公共陰極接地(為零電平)，而陽極Dphgfedcba各段為01110011時，顯示器顯示P字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，共陽極接高電平，顯示“P”字符的字形代碼應(yīng)為10001100(8CH)。本電路采用共陰極接法。十六進制數(shù)字型代碼表如表4.1所示:表4.1 十六進制數(shù)字型代碼表共陰極接法七段代碼D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0Dp g f e d c b a 00 0 1 1 1 1 1 13FH10 0 0 0 0 1 1 006H20 1 0 1 1 0 1 15BH30 1 0 0 1 1 1 14FH40 1 1 0 0 1 1 066H50 1 1 0 1 1 0 16DH60 1 1 1 1 1 0 17DH70 0 0 0 0 1 1 107H80 1 1 1 1 1 1 17FH90 1 1 0 1 1 1 16FHA0 1 1 1 0 1 1 177HB 0 1 1 1 1 1 0 07CHC0 0 1 1 1 0 0 139HD0 1 0 1 1 1 1 05EHE0 1 1 1 1 0 0 179HF0 1 1 1 0 0 0 171HP0 1 1 1 0 0 1 173H單片機驅(qū)動LED顯示有很多方法,按顯示方式可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的數(shù)據(jù)。只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無須理睬數(shù)碼顯示管。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨具有鎖存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型代碼。這樣單片機只要把顯示的字型數(shù)據(jù)代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示要發(fā)送的字型。當(dāng)需要要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機再發(fā)送新的字型碼。另一種方法是動