【基于單片機的安防系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設計案例6300字】

基于單片機的安防系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11882基于單片機的安防系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)的設計案例 115895第1章系統(tǒng)的硬件設計 1320191.1總體電路設計 1202321.2主控電路設計 25847第2章系統(tǒng)的軟件設計 1455582.1軟件介紹 1473772.2系統(tǒng)主程序流程圖 14122932.3按鍵程序流程圖 1786532.4ADC0832程序流程圖 1870372.5DS18B20程序流程圖 19第1章系統(tǒng)的硬件設計1.1總體電路設計總體電路設計可分為主控電路、煙霧探測模塊電路、液晶顯示模塊電路、聲光報警提示模塊電路、溫度采集模塊電路、按鍵模塊電路、射頻卡模塊電路、繼電器模塊電路八個板塊組成，各板塊間配合實現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)通過煙霧探測和溫度采集功能檢測當前環(huán)境的煙霧值和溫度值，并顯示在液晶顯示屏上，液晶顯示屏共顯示實時煙霧值、溫度值和預設煙霧上限值和溫度上限值四組數(shù)據。當檢測到環(huán)境實時煙霧值超過預設上限值時，蜂鳴器會響起蜂鳴聲警報，黃色LED燈常亮示警，繼電器吸合，模擬排煙。當檢測到環(huán)境實時溫度值超過預設上限值時，蜂鳴器同樣會響起蜂鳴聲警報，紅色LED燈常亮示警。當檢測到環(huán)境實時煙霧值和溫度值均超過預設上限值時，此時判斷火災發(fā)生，蜂鳴器響起蜂鳴聲警報，黃色和紅色LED燈同時亮起示警，繼電器吸合，模擬灑水。射頻電路檢測到射頻卡信號后根據能否識別閃爍相應頻率的黃色指示燈，并設置兩個按鍵實現(xiàn)射頻卡的注冊和注銷。如圖1.1所示：圖1.1總體電路1.2主控電路設計STC89C52是\t"/item/STC89C52/_blank"STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程\t"/item/STC89C52/_blank"Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進使得\t"/item/STC89C52/_blank"芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位\t"/item/STC89C52/_blank"CPU?和在系統(tǒng)可\t"/item/STC89C52/_blank"編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C51引腳介紹，如圖1.2所示：①電源引腳（2根）VCC：芯片電源，接入＋5V電源GND：接地端②時鐘引腳（2根）XTAL1：晶體振蕩電路反相輸入端XTAL2：晶體振蕩電路反相輸出端③控制引腳（4根）RST/VPD：復位引腳，復位信號輸入端/備用電源ALE/PROG：地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖PSEN：外ROM讀選通信號EA/VPP：內外ROM選擇/片內EPROM編程電源④可編程I/O線（32根）P0口：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P3口還具有第二個功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。圖1.1STC89C52DIP封裝圖1.3煙霧探測電路設計如圖1.7所示，煙霧檢測電路由MQ-2電路模塊和ADC0832電路模塊兩部分構成，由MQ-2煙霧傳感器實時監(jiān)測環(huán)境煙霧后生成模擬量信號傳遞給ADC0832轉換芯片，在由ADC0832轉換成數(shù)字量信號傳遞給單片機。MQ-2煙霧傳感器一共有6個引腳，1-3號引腳接VCC端電源正極，5號引腳可直接接地，這里串聯(lián)了一個5.1歐姆的保護電阻。4號引腳和6號引腳外接了一個470歐姆的電阻后再接地起到串聯(lián)分壓的作用，中間節(jié)點與ADC0832轉換芯片的2號引腳連接，ADC0832轉換芯片總共有8個引腳，4號和8號引腳分別接地和電源正極。圖1.2煙霧檢測電路1.1.1MQ-2介紹MQ系列傳感器使用的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體，傳感器加熱后，在不同氣體濃度中電導率不同。使用簡單的電路就可以將電導率的變化轉換成與該氣體濃度相對應的信號輸出，是被廣泛應用的低成本傳感器。MQ-2煙霧傳感器具備以下特點：MQ-2傳感器屬于二氧化錫半導體材料制作，具備穩(wěn)定的R阻值，即在純凈空氣環(huán)境下阻抗穩(wěn)定，所以抗干擾能力強，穩(wěn)定性高，響應時間短。使用單電源進行供電，MQ-2煙霧傳感器功耗僅在0.7W左右。在實際檢測氣體時靈敏度高，信噪比滿足需求。如圖1.3所示，是元件外形結構圖，基座采用耐高溫酚醛塑料壓制，引腳為鍍鎳銅絲，上罩采用雙層密紋不銹鋼網壓制，有較高的強度和防爆能力。加熱器為煙霧傳感器使用時提供了加熱條件，否則工作性能不穩(wěn)定。MQ-2型煙霧傳感器一共有6個引腳，其中4個引腳的功能是作為信號取出存在，另外兩個為加熱提供電流。圖1.3MQ-2型元件外形結構圖如圖1.4所示是測試MQ-2型煙霧傳感器在不同通電時間下的特性曲線。由測試結果可以得出，當MQ-2型煙霧傳感器通電時間在一分鐘以后，元件處于穩(wěn)定待測工作狀態(tài)。圖1.4MQ-2通電特性曲線1.1.2ADC0832介紹ADC0832是\t"/item/ADC0832/_blank"美國國家半導體公司生產的一種8

\t"/item/ADC0832/_blank"位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，已經有很高的普及率。學習并使用ADC0832可使我們了解\t"/item/ADC0832/_blank"A/D轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。ADC0832封端以及各端子如圖1.5所示：圖1.5ADC0832封端以及各端子芯片接口說明如下：CS_片選使能，低電平芯片使能。CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。GND芯片參考0電位（地）。DI數(shù)據信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據信號輸出，轉換數(shù)據輸出。CLK芯片時鐘輸入。Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復用）。1.4液晶顯示電路設計液晶顯示電路如圖1.6所示，液晶顯示電路選擇LCD1602作為液晶顯示電子元件，LCD1602，有16個引腳，特別注意3號引腳串聯(lián)了一對1K歐姆和10K歐姆的電阻，作用是串聯(lián)分壓調節(jié)屏幕灰度。1602液晶也被稱為1602字符型液晶，是以顯示行數(shù)和每行字節(jié)數(shù)來命名的液晶模塊。02代表模塊顯示行數(shù)為2行，16代表每行顯示16個字符數(shù)字，1602液晶作為市面上最常用的電子元件之一，日常生活中的萬年歷的顯示屏、電子手表的顯示屏和計算器上都能看到他的身影。選擇LCD1602A作為本項目設計的顯示模塊主要考量到在實際應用中有以下幾個優(yōu)點：LCD1602A顯示質量高。液晶模塊任一點接收到傳來的信號后就會恒定發(fā)光，始終保持顯示的色彩和亮度。和陰極射線管類型的顯示模塊相比，不需要不斷刷新亮點，不會閃爍，減少使用者用眼疲勞。LCD1602A電磁輻射少。普通顯示器在顯示材料上使用熒光粉，且為了保證散熱效果使內部電路盡可能與空氣接觸，這些都會產生強大電磁輻射并使內部電路產生的電磁波外泄。而液晶模塊本身并不會產生輻射，內部電路產生的少量電磁波被封閉在模塊內。LCD1602A可視面積大。相比陰極射線管顯示器，液晶模塊不存在邊框。LCD1602A體積小，質量輕。液晶模塊不需要射線管，減小了整體體積和質量。LCD1602A是數(shù)字接口。不需要信號轉換直接輸出會使色彩和定位更加完美。圖1.6液晶顯示電路（1）引腳說明：引腳號1：引腳名VSS，作用是電源地引腳號2：引腳名VCC，作用是接+5V電源引腳號3：引腳名VL，作用是液晶顯示器對比度的調整端。引腳號4：引腳名RS，作用是進行高電平1時數(shù)據寄存器或者低電平時0時指令寄存器的選擇。引腳號5：引腳名R/W，作用是進行高電平1時讀或者低電平時0時寫的選擇。引腳號6：引腳名E，作用是使能端，高電平時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。引腳號7-14：引腳名D0-D7，作用是8位雙向數(shù)據端。引腳號15：引腳名BLA，作用是背光源正極。引腳號16：引腳名BLK，作用是背光源負極。（2）指令說明指令序號1：指令碼01H，清顯示，將光標復位到00H地址。指令序號2：將光標復位返回到00H地址。指令序號3：進行光標和顯示模式的設置。I/D：高電平光標移動方向右移，低電平光標移動方向左移。S：高電平表示所有文字左移或右移有效，低電平表示左右移無效。指令序號4：整體顯示和光標顯示、閃爍開關。D：高電平表示整體為開顯示，低電平表示整體為關顯示。C：高電平表示光標為開顯示，低電平表示光標為關顯示。B：高電平表示光標閃爍，低電平表示光標不閃爍。指令序號5：S/C表示高電平顯示文字移動/低電平時光標移動。指令序號6：功能設置。DL：高電平和低電平時分別是4位總線和8位總線。N：高電平和低電平時分別是雙行顯示和單行顯示。F：高電平和低電平分別顯示5*10和5*7的點陣字符。指令序號7：對字符發(fā)生器的RAM地址進行設置。指令序號8：DDRAM地址設置。指令序號9：BF代表忙標志位，進行忙標志或地址的讀取。高電平表示忙，低電平表示不忙，當忙時模塊不接收命令和數(shù)據。指令序號10：寫數(shù)據到GGRAM或DDRAM。指令序號11：從GGRAM或DDRAM中讀取數(shù)據。1.5聲光報警提示電路設計聲光報警提示電路由燈光提示電路和聲音報警電路兩部分組成。共同實現(xiàn)檢測到環(huán)境實時煙霧值超過預設上限值時，蜂鳴器響起蜂鳴聲警報，黃色LED燈常亮示警；檢測到環(huán)境實時溫度值超過預設上限值時，蜂鳴器響起蜂鳴聲警報，紅色LED燈常亮示警；檢測到環(huán)境實時煙霧值和溫度值均超過預設上限值時，蜂鳴器響起蜂鳴聲警報，黃色和紅色LED燈同時亮起示警功能。1.5.1燈光提示電路如圖所示1.7，燈光提示電路由2.2K歐姆分壓電阻與紅色LED燈串聯(lián)，1K歐姆分壓電阻與黃色LED燈串聯(lián)，兩條LED燈線路并聯(lián)組成。由電路右端接入電源正極，左端連接單片機I/O口，當單片機I/O口輸出低電平時，電路連通，LED燈亮起。因為LED燈的供電電壓為3V，所以此處要串聯(lián)分壓電阻，且由于紅色LED燈與黃色LED燈的電量電流不一樣，紅色LED燈的點亮電流更小，所以分壓電阻阻值更大，黃色LED燈的點亮電流更大，所以分壓電阻阻值更小。圖1.7燈光提示電路1.5.2聲音報警電路如圖1.8所示，聲音報警電路的設計利用了三極管在飽和態(tài)和截止態(tài)兩種工作狀態(tài)的開關作用，上端接入電源正極，下端接地，電路設計的元件包括2.2k歐姆的電阻，起到限流作用，當單片機I/O接口輸入低電平時經過限流電阻，三極管就會導通，電流從電源經過蜂鳴器、三極管后接地，蜂鳴器就會發(fā)出蜂鳴警報。圖1.8聲音報警電路1.6溫度采集電路設計如圖1.9所示，溫度采集電路采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度采集電子元件，1號引腳接地，3號引腳接電源正極，2號引腳與單片機I/O接口連接，當檢測當前環(huán)境溫度后直接向單片機傳遞數(shù)字信號。圖1.8溫度采集電路1.6.1DS18B20概述計算機發(fā)展至今，處理信息的速度已經非常快了，極大地提高了人們的工作效率和生活質量，滿足人們的工作需求。但無論是大型計算機，還是單片機最小系統(tǒng)，都只能接收和處理數(shù)字信號，對溫度、濕度、壓力、煙霧等模擬量信號的接收處理十分麻煩，以本設計的煙霧模塊為例，需要由MQ-2和ADC0832共同完成對煙霧值的測量和轉換，先對環(huán)境煙霧進行檢測生成模擬量信號后在對模擬量信號進行轉換才能得到可被識別的數(shù)字信號。而DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測溫度后可直接輸出數(shù)字信號，不需要轉化芯片對信號進行處理就可以直接被單片機接收識別，這樣設計出來的系統(tǒng)電路簡單，節(jié)約了設計轉化芯片的成本和體積。DS18B20憑借體積小，價格優(yōu)，適用電壓更廣、設計電路簡單，穩(wěn)定性強，型號齊全，可根據應用場合改變外觀、對溫度變化敏感測量溫度準確等優(yōu)點被廣大單片機愛好者和公司認可和選擇。DS18B20的性能特點如下：接口采用單總線方式，即使在惡劣的環(huán)境下也能方便使用。（2）具備-55～+125℃的廣泛測量范圍，當前測量范圍在-10℃～+85℃的時候，測量存在的誤差會穩(wěn)定在0.5℃以內。（3）不需要在引腳上接入其他外圍元件就能正常工作。（4）可以實現(xiàn)多點測溫。（5）只要滿足一定要求，內部寄生電路可以依賴數(shù)據線電源維系功能運作，減少了對外部電源的依賴，使電路設計更加簡單，使用起來更加方便可靠。（6）可根據自己的實際應用配置測量參數(shù)。（7）DS18B20對元件進行保護，即使在電源極性接反的情況下，元器件會溫度升高甚至停止工作，但在其保護作用下元件不會因此而損壞，及時更正即可。1.6.2DS18B20引腳介紹如圖所示1.12，DS18B20常用型號有3腳和8腳等，其中各引腳含義如下：UDD(VCC)：接入外部+5V電源。I/O(DQ)：與單片機連接，用于信號輸入/輸出。GND：電源地端。NC：空腳圖1.9DS18B20引腳圖1.6.3DS18B20的內部結構如圖所示1.13，為DS18B20的內部結構圖。DS18B20內部結構分為：64位ROM、配置寄存器、溫度傳感器、TH(溫度上限報警觸發(fā)器)和TL（溫度下限報警觸發(fā)器）四部分組成。圖1.10DS18B20內部結構圖1.7按鍵電路設計按鍵電路可以分為矩陣式按鍵和獨立按鍵兩種方案進行設計，矩陣式按鍵的特點是與I/O口連接少，但程序設計復雜，在復雜使用環(huán)境中穩(wěn)定性差，不符合本系統(tǒng)設計初衷。所以我們采用了獨立按鍵方式設計電路，這樣按鍵之間互不干擾，在類似火災等極端環(huán)境下有較強的穩(wěn)定性。如圖所示1.11，其工作原理是當按鍵被按下或按起時，此時按鍵電路被接通或者斷開，單片機I/O口的電平會相繼發(fā)生改變，系統(tǒng)根據是否有檢測到電平變化判斷按鍵狀態(tài)。在按鍵電路設計中另一個需要考慮的問題是：當按鍵按下時，最初按鍵在彈性作用下連接并不穩(wěn)定，當按鍵被再次按起時，也不會在第一時間斷開連接，這種現(xiàn)象在專業(yè)領域內被稱為按鍵抖動。由于不同的按鍵根據其不同的特性抖動時間也是不一樣的，一般在10~20ms之間。在本系統(tǒng)中通過設置程序達到消抖目的，當系統(tǒng)檢測到單片機I/O口高低電平之間發(fā)生轉換時，延時20ms再次讀取單片機I/O口電平情況，若在20ms以后電平讀取與上一次讀取結果相同，則判斷按鍵狀態(tài)確實發(fā)生改變，系統(tǒng)執(zhí)行相應操作。若在20ms以后電平讀取與上一次讀取結果不同，則視為干擾信號不作處理。圖1.11按鍵電路圖1.8射頻電路設計如圖1.12所示，射頻電路設計選用的是MFRC522非接觸式通信高集成度讀寫卡芯片，具備低電壓、低成本、體積小等優(yōu)點。電路設計時，由于MFRC522模塊的供電電壓必須為1.3V，所以在接電源正極的時候設置了兩個電容起到穩(wěn)定電壓的作用。射頻感應模塊一共有8個引腳，各引腳名稱及功能：引腳1：VCC，接電源正極。引腳2：RST，復位。引腳3：GND，接地端。引腳4：空腳引腳5：MISO，主輸入從輸出端。引腳6：MOSI，主輸出從輸入端。引腳7：SCK，時鐘信號。引腳8：SDK，數(shù)據輸入端。圖1.12射頻電路圖第2章系統(tǒng)的軟件設計在單片機的項目開發(fā)過程中，除了硬件的焊接和仿真圖設計外，程序的設計同樣十分重要，如果將硬件比做載體，程序就賦予其靈魂，只有在程序的驅動下才能使單片機實現(xiàn)設計的功能，同時，巧妙的程序可以簡化我們對單片機的操作，使系統(tǒng)使用更加方便快捷。單片機的編程語言使用C語言設計，其具有很強的功能性、結構性和可移植性，是非常實用的編程語言。2.1軟件介紹KeilC51是美國KeilSoftware公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，\t"/item/keil%20c51/_blank"C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個\t"/item/keil%20c51/_blank"集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。2.2系統(tǒng)主程序流程圖如圖2.1所示：當系統(tǒng)開啟后進入主函數(shù)，主函數(shù)分別對溫度傳感器、RC552射頻模塊、EEPROM、液晶屏進行初始化，然后程序會分別讀取煙霧值和溫度值，并掃描按鍵函數(shù)和讀卡函數(shù)，判斷其工作狀態(tài)，當未檢測到工作狀態(tài)時，程序會重新執(zhí)行讀取和掃描操