基于單片機的多功能智能化防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本科畢業(yè)設(shè)計 題目：基于單片機的多功能智能化防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 性質(zhì)：軟硬件結(jié)合 專業(yè)：通信工程 日期：XXXX年X月 第1章緒論31.1課題背景31.2防盜報警系統(tǒng)的動向51.3本論文的工作及論文結(jié)構(gòu)7第2章 單片微機小區(qū)防盜報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的接收基礎(chǔ)82.1小區(qū)家庭防盜概述82.2單片機的簡單介紹92.3單片機的串口通信14第3章系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)193.1硬件實現(xiàn)的總體思想193.2硬件各個模塊的具體實現(xiàn)203.3按鍵電路213.4數(shù)碼管顯示電路233.5數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波輸出電路263.6本章小結(jié)28第4章防盜報警系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)294.1軟件的總體思想294.2系統(tǒng)流程294.3數(shù)碼顯示子程序304.4本章小結(jié)31第5章 電路調(diào)試與仿真325.1硬件焊接325.2調(diào)試335.3硬件調(diào)試方法335.4軟件調(diào)試方法365.5仿真中出現(xiàn)的問題及解決辦法37參考文獻(xiàn)38源程序41protel原理總圖44致謝45畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定表46第1章緒論1.1課題背景本世紀(jì)八十年代以來，計算機、信息、電子、控制、通信等技術(shù)得到迅速發(fā)展，促使了社會生產(chǎn)力的提高，也使人們的生產(chǎn)方式和生活方式產(chǎn)生日新月異的變化。隨著近年來我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和國家住房制度的改革，人民生活和自身素質(zhì)得以不斷提高，人們對住房條件的要求越來越高，對環(huán)境的舒適性、便利性、安全性有了較高要求，加之電子信息產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展并向人們生活的各個領(lǐng)域滲透，與此相適應(yīng)，各種不同檔次的公寓、生活小區(qū)紛紛提出了自己不同的智能需求，由于住宅小區(qū)與綜合性智能建筑有著很大的區(qū)別，如何根據(jù)小區(qū)的特點，賦予小區(qū)各種功能以適應(yīng)不同層次的居民的需求，對小區(qū)實現(xiàn)統(tǒng)一、有序、智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理，這是智能建筑行業(yè)巫需解決的問題。 在智能小區(qū)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用和控制方式的也不斷變化。計算機網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入住宅小區(qū)，使住宅控制與管理技術(shù)發(fā)生深刻變化。八十年代，住宅控制方式主要為電子型。九十年代初為程序型控制方式，九十年代末發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)型控制方式。在二十一世紀(jì)，住宅控制方式將演變?yōu)橹悄芸刂菩?。各種家電設(shè)備都“上網(wǎng)”，實現(xiàn)家電接口標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備控制智能化、系統(tǒng)功能集成化。家庭自動化系統(tǒng)是適應(yīng)現(xiàn)代生活對家庭功能逐漸增長的需求發(fā)展起來的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)的內(nèi)容、構(gòu)成和配置因國度、家庭的經(jīng)濟實力、家庭的知識結(jié)構(gòu)以及個人喜好的不同而不同。因此，家庭自動化系統(tǒng)的配置與住宅小區(qū)的定位(安置型、實用型、舒適型還是豪華型)以及住戶的類型比例(經(jīng)濟實力、知識結(jié)構(gòu)等)有著密切的關(guān)系。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們擁有的財富越來越多，許多人都期望有一個安全舒適的住處。智能住宅小區(qū)依托先進(jìn)的科技手段，為住戶提供了一種安全、舒適、方便、快捷的生活空間，正受到越來越多人的青睞隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,人們都迫切希望在一種安全而舒服的環(huán)境下生活，隨著城市人口的急劇增加，人們的居住環(huán)境發(fā)生了根本變化。樓宇住宅向高層化、單元封閉式住宅小區(qū)發(fā)展。高層化樓宇建筑必須智能化。智能化住宅必須具備安全防范自動化監(jiān)控管理、火災(zāi)有害氣體泄漏的自動報警緊急呼叫系統(tǒng)，并能對關(guān)鍵設(shè)備、設(shè)施的運行狀態(tài)實施遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前市場上常見的產(chǎn)品：防盜門、防盜窗、防盜鎖、火災(zāi)報警器、遙控器等，品種繁多，式樣、功能各異。雖然也能起一定的防范和方便作用，但功能單一，不適應(yīng)于無人場合，沒有系統(tǒng)化，不適用于智能住宅。同時也不能實時反應(yīng)警況、時間不能遠(yuǎn)距離傳遞信息，靈活性差等缺點。 現(xiàn)在，在全國各地都在如火如荼地開展建設(shè)安全文明小區(qū)的活動，而且很多地方都提出拆除防盜網(wǎng)的口號，故家庭電子防盜報警系統(tǒng)也應(yīng)運而生。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為新型的更為可靠的住宅防盜系統(tǒng)提供了新的技術(shù)手段。單片微型計算機又名微控制器，是70年代中期發(fā)展起來的一種大規(guī)模集成電路器件，它在一塊芯片內(nèi)集成了計算機的各種功能部件，構(gòu)成了一種單片式的微型機算機，本課題就是從單片機的功能強、體積小、可靠性高，面向控制和價格廉價等一系列優(yōu)點入手，應(yīng)用8051設(shè)計了一防盜報警接收子系統(tǒng)。1.2防盜報警系統(tǒng)的動向目前國內(nèi)居民住宅的防盜設(shè)備發(fā)展十分迅速，最初是使用純機械式的手段，接著輔以電子器材，并逐漸代替原機械器材。由單戶、單棟樓的防范擴展到緒個住宅小區(qū)的防范。其發(fā)展過程可分為四個階段:防盜鐵門+防盜鐵柵;防盜鐵柵+樓宇對講系統(tǒng);防盜鐵柵+樓宇影視對講系統(tǒng);樓宇影視對講+防盜報警+小區(qū)管理系統(tǒng)。前三個階段的防盜設(shè)備作用只是對犯罪起著阻攔和屏障作用，而后一階段產(chǎn)品具有報警功能，還具有小區(qū)管理手段。 當(dāng)前，防盜設(shè)施的主要形式仍是防盜鐵柵+樓宇對講。由于安裝防盜鐵柵會破壞建筑物整體的美觀，并且給消防帶來不便，不能適應(yīng)廈門建設(shè)國際性港口風(fēng)景城市的要求。因此，廈門市政府已經(jīng)明確，今后的住宅建筑不再安裝防盜鐵柵，取而代之的，就是采用小區(qū)防盜報警系統(tǒng)。 小區(qū)防盜報警系統(tǒng)是在原樓宇對講系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是將樓宇對講系統(tǒng)單一的功能發(fā)展為數(shù)位式的影視對講十防盜報警+小區(qū)管理三機一體的機種。由于采用了微計算機技術(shù)、超薄型的顯像管(厚度僅為4. Scm)和高解析CRT，使得系統(tǒng)的功能多樣化，兼?zhèn)浞辣I和管理作用，傳輸品質(zhì)穩(wěn)定，線材簡單，施工單純簡便，不占空間，不會破壞建筑總體美觀。其功能可由器材的不同組合可強、可弱，并形成住戶至整棟樓至整個小區(qū)的防范范圍。1.3本論文的工作及論文結(jié)構(gòu)本論文作者在大學(xué)期間，深入學(xué)習(xí)了MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計、模擬電子與通信、軟件工程的理論與技術(shù)，并兩次參加了院里組織的電子小制作活動，積累了一些經(jīng)驗和認(rèn)識。因此在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，設(shè)計了單片微機小區(qū)防盜報警系統(tǒng)的多機通訊發(fā)送子系統(tǒng)，將告警信號傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)。此設(shè)計過程主要分三個步驟進(jìn)行：第一，設(shè)計整機系統(tǒng)方案，并對其進(jìn)行認(rèn)證；第二，完成由單片微機控制的小區(qū)防盜報警系統(tǒng)的樣機制作，并安裝調(diào)試；第三，對硬件、軟件進(jìn)行聯(lián)機仿真調(diào)試，達(dá)到設(shè)計要求。本論文的結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論，綜述了國內(nèi)外智能建筑的發(fā)展?fàn)顩r和智能小區(qū)防盜報警系統(tǒng)的技術(shù)動態(tài)，介紹了論文的主要內(nèi)容。第二章單片微機小區(qū)防盜報警系統(tǒng)（發(fā)送）基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了此系統(tǒng)中所用到的熱釋紅外傳感器、LM324、AT89C51等元件的結(jié)構(gòu)與工作特性。第三章系統(tǒng)硬件分析與設(shè)計，畫出了系統(tǒng)硬件框圖，并對系統(tǒng)中各單元電路的組成與功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)，畫出了系統(tǒng)的軟件流程圖，確定了上位機與下位機的通信協(xié)議，并描述了主程序流程和關(guān)鍵流程。此外，根據(jù)第三章的功能分配要求，介紹了軟件功能。第五章系統(tǒng)硬件、軟件的聯(lián)機仿真調(diào)試，使此設(shè)計達(dá)到理論聯(lián)系實際，提高作者實際工作能力的要求。最后是結(jié)論，總結(jié)論文的主要成果，并指出了今后進(jìn)一步在本研究方向的展望與設(shè)想。第2章 單片微機小區(qū)防盜報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的接收基礎(chǔ)2.1小區(qū)家庭防盜概述我國“安居工程”的啟動著重大力發(fā)展安全文明小區(qū)的建設(shè)，而在嚴(yán)峻的社會治安形勢下，需要建立并完善安全文明小區(qū)防盜報警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系。如何解決在當(dāng)前每個家庭經(jīng)濟承受能力有限的情況下，建設(shè)滿足防范功能及可靠性需求的安全文明小區(qū)防范防盜報警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是當(dāng)前急須解決的課題之一。作為一個可行的住宅小區(qū)聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)，必須滿足集中監(jiān)控、系統(tǒng)容量大、防范功能齊全、性能價格比高等要求。下面我們針對主機聯(lián)網(wǎng)型住宅小區(qū)聯(lián)網(wǎng)報警系統(tǒng)做一介紹:廣泛性即要求小區(qū)內(nèi)每個家庭都能得到保護(hù)。實用性即要求每個家庭的防范系統(tǒng)能在實際可能發(fā)生受俊杏的情況下及時報f。并要求操作簡便，環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)性即要求每個家渡的防范系統(tǒng)在案情發(fā)生時.除能自身報.外，必須及時傳到保衛(wèi)部門，并同時上報當(dāng)?shù)毓矆笾行??？梢嘈约匆笙到y(tǒng)所設(shè)計的結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品經(jīng)久時用、系統(tǒng)可。投資可行性即要求系統(tǒng)投資或造價能控例在小區(qū)家庭能承受的范困之內(nèi)。2.2單片機的簡單介紹單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運算，邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD或LED驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小然而完善的計算機系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計者事先規(guī)定的任務(wù)。由此來看，單片機有著微處理器所不具備的功能，它可單獨地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機最大的特征。然而單片機又不同于單板機，芯片在沒有開發(fā)前，它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個最小的、完整的微型計算機控制系統(tǒng)，它與單板機或個人電腦(PC機)有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機的應(yīng)用屬于芯片級應(yīng)用，需要用戶了解單片機芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計應(yīng)用程序，從而使該芯片具備特定的功能。不同的單片機有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們熟悉的單片機的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應(yīng)用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。單片機控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。從最初的單片機發(fā)展到如今的新一代單片機，大致經(jīng)歷了三個年代。如以Intel 8位單片機為例，這三個年代劃分大致是: 第一代:以1976年推出的MCS - 48系列為代表。其主要的技術(shù)特征是將CPU和計算機外圍電路集成到一個芯片上，使單片機與通用CPU分道揚鐮、構(gòu)成新型工業(yè)微控制器，為單片機的進(jìn)一步發(fā)展開辟了成功之路。 第二代:以MCS一51的8051. 8052為代表。MCS一51系列8位高檔單片機是在總結(jié)MCS -48系列單片機的基礎(chǔ)上，于80年代初推出的新產(chǎn)品。其主要的技術(shù)特征是: 擴大了片內(nèi)存儲容量、外部尋址空間:程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址都增加為64Ko 4K x BROM作為內(nèi)部程序存儲器，用來存放系統(tǒng)程序、用戶的專用程序和固定常數(shù)。 這一代單片機主要的技術(shù)特征是為單片機配置了完善的外部并行總線(AB,DB,CB)和具有多機識別功能的串行通訊接口(UART)，規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器(SFR)控制模式及適應(yīng)控制器特點的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片機奠定了良好的基礎(chǔ)。 但是，無論是第一代還是第二代單片機都還未突破單片微機的內(nèi)涵。 第三代:以80051系列為代表。它包括了Intel公司發(fā)展MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8X0152, 80C51FA/FB,80C51GA/GB,8XC451,8XC452，還包括了飛利浦、西門子、ADM、富士通、OKI, Atmel等公司以80051為核心推出的大量各具特色、與MCS一51兼容的單片機。 8051系列單片機是在MCS一51的HMOS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們具有CHMOS結(jié)構(gòu)。它保留了MCS - 51單片機的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。 80C51系列單片機增設(shè)了兩種可以用軟件進(jìn)行選擇的低功耗工作方式:空閑方式和掉電方式。87051單片機是80051含EPROM的產(chǎn)品，89051單片機是80051含EZPROM的產(chǎn)品。這種單片機有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，用于保護(hù)EPROM或其中的程序，以防止非法拷貝。另外，87051單片機還可用智能編程法進(jìn)行編程?？墒姑總€字節(jié)的編程時間由50m。減少到4ms，速度快，效率高。 新一代80051系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要技術(shù)特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器完善的控制功能為己任。如:為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計提供了更加靈活的方式。飛利浦公司還為80051系列8X0592單片機引入了具有較強功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線CAN(Controller Area NetworkBUS )等，這一系列的單片機為外部提供了相當(dāng)完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴展與配置打下了良好的基礎(chǔ)。 8051系列產(chǎn)品中增加了一些外部接口功能單元如A/D,PWM;PCA(可編程計數(shù)器陣列)、WDT(監(jiān)視定時器)、高速I/0口、計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。 此外，由于SOC51系列采用了CMOS技術(shù)制造而成，較之MCS一51系列集成度高、速度快、功耗低。 雖然，現(xiàn)在MCS一51仍不失為單片機中的主流機型，國內(nèi)仍以Intel的MCS一51系列單片機應(yīng)用最廣。但是，由于80051系列所具有的一系列特點，其獲得廣泛使用將是指日可待的。誠然，單片機的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計思想。是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。2.3單片機的串口通信接口種類繁多，從傳統(tǒng)的通用外圍電路、RS-232、RS-422/485、MODEM到現(xiàn)在的USB、IEEE 1394、Internet網(wǎng)絡(luò)芯片等，它們在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號的傳輸隨著距離的增加和信號傳輸速率的提高，在傳輸線上的反射、串?dāng)_、衰減和共地噪聲等影響將引起信號的畸變，從而限制了通信距離。普通的TTL電路，由于驅(qū)動能力差，輸入電阻小，靈敏度不高以及抗干擾能力差，因而信號傳輸?shù)木嚯x短。借助接口電路，可以進(jìn)行較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。 通信接口（interface）按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議來分包括RS-232、RS-422、RS485、USB等。 RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。USB是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。 MODEM芯片通常配合串行口實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號之間的相互轉(zhuǎn)換，從而可以利用電話線或電力線進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時是2腳相對7腳（信號地）的電平，DB25各引腳定義參見圖1。典型的RS-232信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V，負(fù)電平在-5-15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3+12V與-3-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為37k。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。其有關(guān)電氣參數(shù)參見表。 規(guī)定RS232RS422R485工作方式單端差分差分節(jié)點數(shù)1收、1發(fā)1發(fā)10收1發(fā)32收最大傳輸電纜長度50英尺400英尺400英尺最大傳輸速率20Kb/S10Mb/s10Mb/s最大驅(qū)動輸出電壓+/-25V-0.25V+6V-7V+12V驅(qū)動器輸出信號電平(負(fù)載最小值)負(fù)載+/-5V+/-15V+/-2.0V+/-1.5V驅(qū)動器輸出信號電平(空載最大值)空載+/-25V+/-6V+/-6V驅(qū)動器負(fù)載阻抗()3K7K10054擺率(最大值)30V/sN/AN/A接收器輸入電壓范圍+/-15V-10V+10V-7V+12V接收器輸入門限+/-3V+/-200mV+/-200mV接收器輸入電阻()3K7K4K(最小)12K驅(qū)動器共模電壓-3V+3V-1V+3V接收器共模電壓-7V+7V-7V+12VRS-232、RS-422與RS-485都是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制訂并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布，命名為EIA-232-E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。RS-422由RS-232發(fā)展而來，它是為彌補RS-232之目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS-232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用DB25連接器時是2腳相對7腳（信號地）的電平。典型的RS-232信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5+15V，負(fù)電平在-5-15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3+12V與-3-12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為37k。所以RS-232適合本地設(shè)備之間的通信。第3章系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)3.1硬件實現(xiàn)的總體思想MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，功能更強，在原來的基礎(chǔ)上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達(dá)111條，MCS-51單片機可以算是相當(dāng)成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍與MCS-51單片機作為代表進(jìn)行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)。我們也以這一代表性的機型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品，其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存儲器(ROM)128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個專用寄存器2個可編程定時/計數(shù)器5個中斷源，2個優(yōu)先級一個全雙工串行通信口外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB外部程序存儲器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝單一+5V電源供電3.2硬件各個模塊的具體實現(xiàn)MCS-51以其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“名機”，為以后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。正因為其優(yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結(jié)構(gòu)，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了MCS-51單片機，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半導(dǎo)體公司都推出了兼容MCS-51的單片機產(chǎn)品，就連我國的臺灣WINBOND公司也發(fā)展了兼容C51(人們習(xí)慣將MCS-51簡稱C51,如果沒有特別聲明，二者同指MCS-51系列單片機)的單片機品種。近年來C51獲得了飛速的發(fā)展，C51的發(fā)源公司INTEL由于忙于開發(fā)PC及高端微處理器而無精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原來的基礎(chǔ)上發(fā)展了高速I/O口，A/D轉(zhuǎn)換器，PWM(脈寬調(diào)制)、WDT等增強功能，并在低電壓、微功耗、擴展串行總線(I2C)和控制網(wǎng)絡(luò)總線(CAN)等功能加以完善。3.3按鍵電路按鍵是一組常開的按鍵開關(guān),每個按鍵都被賦予一個代碼，稱為鍵碼。按鍵的開關(guān)狀態(tài)通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)。按鍵閉合過程在相應(yīng)的I/O端口形成一個負(fù)脈沖。閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達(dá)到穩(wěn)定，這一過程是處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。抖動持續(xù)時間的常長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般在5-10ms之間。為了避免CPU多次處理按鍵的一次閉合，應(yīng)采用措施消除抖動。本文在軟件中采用了相應(yīng)的軟件程序來消除抖動。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，延時10-20ms再查詢是否有鍵按下，若沒有鍵按下，說明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動；若仍有鍵按下，則說明閉合鍵已穩(wěn)定。本文采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路，每個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產(chǎn)生互相影響。鍵盤電路如下圖所示： 鍵盤接口電路鍵盤是人機交互的窗口，通過鍵盤實現(xiàn)人對設(shè)備的控制和設(shè)置。本裝置的鍵盤共12鍵，其中09鍵用于輸入掃頻信號上、下限頻率值；#號鍵是數(shù)值輸入結(jié)束標(biāo)志；*號鍵是頻率設(shè)定結(jié)束后的掃頻開始標(biāo)志。這12鍵與8255A的PB口和PC口的高四位相連。每個按鍵有兩個連接端：一端通過阻值為1K的電阻與電源相連，另一端通過一個阻值為10K的電阻與地相連。鍵盤未按下時與地接通，輸出為低電平；按下時與電源接通，變?yōu)楦唠娖?，并輸入?255A的相應(yīng)端口。3.4數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示器成本低，配置靈活，與單片機接口簡單，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。在系統(tǒng)運行期間，單片機要完成一個相對其他微控制更為繁雜的計算輸出過程，即如何輸入的頻率值轉(zhuǎn)換為采樣點與點之間輸出的時間間隔，并準(zhǔn)確控制這個時間間隔的實現(xiàn)。為了盡量減少單片機運行任務(wù)，以便它把寶貴的資源用于實現(xiàn)頻率輸出上的原則，系統(tǒng)通過增加硬件復(fù)雜度換取減少軟件控制的方法，在數(shù)碼管顯示部分，就用靜態(tài)顯示代替了動態(tài)顯示。1. 數(shù)碼管的工作原理數(shù)碼管是由8個發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示器件。在數(shù)碼管中，若將二極管的陽極連在一起，稱為共陽極數(shù)碼管；若將二極管的陰極連在一起，稱為共陰極數(shù)碼管。本文用到的5個數(shù)碼管均是共陰極的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，它就會發(fā)光。每個二極管就是一個筆劃，若干個二極管發(fā)光時，就構(gòu)成了一個顯示字符。將單片機的I/O口控制相應(yīng)的芯片與數(shù)碼管的a-g相連，高電平的位對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，這樣，由I/O口輸出不同的代碼，就可以控制數(shù)碼管顯示不同的字符。例如：當(dāng)I/O口控制芯片輸出的代碼是時，數(shù)碼管顯示的字符為0。這樣形成的顯示字符的代碼稱為顯示代碼或段選碼。數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。在靜態(tài)顯示方式下，每位數(shù)碼管的a-g和h端與一個8位的I/O相連。要在某一位數(shù)碼管上顯示字符時， 只要從對應(yīng)的I/O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。其特點是：數(shù)碼管中的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示字符改變?yōu)橹?。動態(tài)顯示方式的每位數(shù)碼管都需要一個數(shù)據(jù)鎖存器，因此，其硬件電路比較復(fù)雜。但它的顯示程序比較簡單。選擇動態(tài)顯示方式，可以使耗電量更小。在動態(tài)顯示方式中，各位數(shù)碼管的a-h并聯(lián)在一起，與單片機系統(tǒng)的一個I/O口相連，從該I/O口輸出顯示代碼。每只數(shù)碼管的共陰極則與另一I/O口相連，控制被點亮的位。動態(tài)顯示方式的特點是:每一時刻只能有1位數(shù)碼管被點亮，各位依次輪流被點亮；對于每一位來講，每隔一段時間點亮一次。為了每位數(shù)碼管能夠充分被點亮，二極管應(yīng)持續(xù)發(fā)光一段時間。利用發(fā)光二極管的余輝和人眼的駐留效應(yīng)，可以觀察到穩(wěn)定的顯示輸出。2. 本文采用得數(shù)碼管電路本文的5個共陰極八段數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示方式，節(jié)約程序運行時間。顯示電路中的74LS138芯片用于控制量的譯碼, 每支數(shù)碼管前連接有一個74LS373鎖存器，用于鎖存由總線輸入的段碼信號。數(shù)碼顯示電路如下圖所示：圖3-6 數(shù)碼顯示電路3.5數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波輸出電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖如下所示：圖3-7 數(shù)模轉(zhuǎn)換及濾波輸出電路D/ A 轉(zhuǎn)換器是這部分的核心器件,它的速度和特性直接影響整個系統(tǒng)的性能。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選用主要看其性能指標(biāo)是否與應(yīng)用系統(tǒng)相適應(yīng)。而性能指標(biāo)中轉(zhuǎn)換時間和精度又最為主要美國國家半導(dǎo)體公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,，已能滿足系統(tǒng)要求，如果選用12位芯片,雖然轉(zhuǎn)換精度會提高，但成本會提高，綜合系統(tǒng)的性能價格比考慮，選用8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器合適。DAC0832芯片的主要特性為：(1) 分辨率8位；(2) 電流輸出，穩(wěn)定時間為l；(3) 可雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入；(4) 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；(5) 單一電源供電(+5+15v)；(6) 低功耗，20mW。低通濾波器是用來通過低頻信號衰減或抑制高頻信號。由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號?？捎迷谛畔⑻幚?、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現(xiàn)的，只能用實際的幅頻特性去逼近理想的。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高, 幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)的節(jié)數(shù)越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路調(diào)試越困難。任何高階濾波器均可以用較低的二階RC有濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。隨著階數(shù)的增加濾波效果會相應(yīng)變好，但硬件復(fù)雜度會增加。所以采用兩級比較合適。本文采用的是二階RC有源低通濾波器。它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，以改善幅頻特性。3.6本章小結(jié)本章介紹的是本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)，單片機的相關(guān)I/O口輸入輸出接口電路和各部分模塊的設(shè)計。首先介紹了單片機的復(fù)位電路和時鐘電路；其次介紹了鍵盤接口電路和數(shù)碼顯示電路；最后對系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波輸出電路進(jìn)行了介紹。各部分都附有Protel電路連接圖。第4章防盜報警系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)4.1軟件的總體思想（1）：顯示程序 顯示程序主要用于數(shù)碼管的顯示，調(diào)用顯示程序再通過串口的輸出位選和段選數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)碼管的正確顯示，是整個軟件中最主要的輸出部分。4.2系統(tǒng)流程T0中斷子程序流程圖：4.3數(shù)碼顯示子程序出?；謴?fù)結(jié)束開始壓棧保護(hù)A口送段碼R2送A，A交換高低四位C口高四位送位碼R0加1；R2加1R2=6？Y N這部分程序負(fù)責(zé)將輸入頻率值顯示在數(shù)碼管上。在內(nèi)存的(50H) (54H)單元保存著要顯示的數(shù)據(jù)。每次送段碼值之前，先選通相應(yīng)鎖存器，且每次只有一個鎖存器是處于輸入狀態(tài)。這樣可以避免顯示混亂。由于在本裝置中顯示子程序頻繁被調(diào)用，為保護(hù)Acc、PSW內(nèi)容，在程序開始要壓棧保護(hù)，在程序末位要有相應(yīng)出棧語句。數(shù)碼顯示子程序流程圖如下所示：N Y 數(shù)碼顯示子程序流程圖4.4本章小結(jié)這一章介紹了本設(shè)計的軟件設(shè)計，包含系統(tǒng)的總體流程圖和主要子程序的流程圖，所有的功能在流程圖里清晰的表現(xiàn)了出來，體現(xiàn)了設(shè)計的合理性、可實現(xiàn)性。第5章 電路調(diào)試與仿真5.1硬件焊接在完成了硬件電路的設(shè)計和軟件的編制后（并且軟件在計算機上運行是正確的），開始進(jìn)行硬件電路的焊接。在進(jìn)行焊接的過程中，由于以前對器件的接觸比較少，對于這些元器件的辨別和安裝方向不太了解，像用到的電解電容，最重要的就是要極性安裝要正確，否則就會產(chǎn)生爆炸的危險。可能由于萬能板質(zhì)量不好的緣故，在焊接過程中有些焊點脫落了，并有多處虛焊。經(jīng)過細(xì)心的焊接最終焊接完成。三極管有三只腳，判斷時比較復(fù)雜，在此介紹一下。PN結(jié)具有單向?qū)ㄐ?，并且?dǎo)通時其兩端的電壓降一定保持在0.6-0.8V之間，利用此原則就很容易找出晶體管的基極。實際測量時只需一臺萬用表，首先將數(shù)字電表切到測量二極管的檔位，找來一個發(fā)光二極管，用紅黑測試棒去接觸LED的兩根腳，看看何種接法可以點亮LED。這樣，就可以判斷出測試棒的哪一邊輸出正電壓，哪一邊輸出負(fù)電壓。要首先判斷出晶體管的基極，并能判斷出晶體管是NPN型或是PNP型。通常是左手拿著晶體管，右手像使用筷子的方式拿著兩支測試棒，以左手的轉(zhuǎn)動來變換測試腳，電表仍處在二極管測試檔位上。在變換測試腳時，可以觀察到有兩種放置方法使表頭偏轉(zhuǎn)，這兩種放法必有一測試棒在同一管腳上，這一管腳即位B極，而放在B極的測試棒若為紅測試棒，則此晶體管為NPN型；相反，則為PNP型。判斷晶體管的CE腳，可以利用萬用表上標(biāo)有NPN或PNP的插孔。前面已判斷出晶體管的型號，并知道了基極腳位，若是NPN型管，就應(yīng)該使用標(biāo)有N的三個插孔，三個插孔上標(biāo)有c、b、e符號，將基極與標(biāo)有b符號的插孔對好，分別正反插入孔中，其中的一種插法可使表頭偏轉(zhuǎn)，這時，晶體管的腳位就如插孔上的標(biāo)注所示。5.2調(diào)試焊接硬件電路后，經(jīng)過檢查，開始連接仿真器進(jìn)行調(diào)試。在此，采用的是萬利仿真器。經(jīng)過反復(fù)修改、調(diào)試，系統(tǒng)正常工作，這驗證了設(shè)計的正確性。 單片機硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是分不開的，許多硬件故障是調(diào)試軟件時才發(fā)現(xiàn)的。通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后才和軟件結(jié)合起來調(diào)試。5.3硬件調(diào)試方法(1)常見的硬件故障1邏輯錯誤 樣機硬件的邏輯錯誤是由設(shè)計錯誤和加工過程中的工藝性錯誤造成的。這類錯誤包括錯線、開路、短路、相位錯等，其中短路是最常見的故障。2元器件失效 元器件失效的原因有兩個方面：一是器件本身已損壞或性能不符合要求；二是由于組裝錯誤造成的元器件失效，如電解電容、二極管的極性錯誤，集成塊安裝方向錯誤等。3可靠性差 引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如金屬孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動；內(nèi)部和外部的干擾、電源紋波系數(shù)過大、器件負(fù)載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定。4電源故障 電源的故障包括電壓值不符合設(shè)計要求、電源引出線和插座不對應(yīng)、電源功率不足和負(fù)載能力差等。(2)硬件調(diào)試方法1脫機調(diào)試脫機調(diào)試是在樣機加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電器原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查樣機線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展總線是否存在相互間的短路或其他信號線的短路。對于樣機所用電源事先必須單獨調(diào)試，調(diào)試好后，檢查電壓值、負(fù)載能力、極性等均符合要求，才能加到系統(tǒng)的各個部件上。在不插片子的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，仔細(xì)測量各點電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機插座上的各點電位是否正常。若有高壓，聯(lián)機時會損壞開發(fā)機。2聯(lián)機調(diào)試通過脫機調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障。有些硬件故障還是要通過聯(lián)機調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。聯(lián)機前先斷電，把仿真插頭插到樣機上，檢查一下開發(fā)機與樣機之間的電源、接地是否良好。一切正常，即可打開電源。通電后執(zhí)行開發(fā)機讀寫命令，對用戶樣機的存儲器、I/O端口進(jìn)行讀寫操作和邏輯檢查。若有故障，可用示波器觀察有關(guān)波形(如選中的譯碼輸出波形和讀寫控制信號、地址數(shù)據(jù)波形以及有關(guān)控制電平)。通過對波形的觀察分析尋找故障原因，并進(jìn)一步排除故障?？赡艿墓收嫌芯€路連接上有邏輯錯誤、有斷路或短路現(xiàn)象，集成電路失效等。在調(diào)試中若發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，可能有下列情況：電源系統(tǒng)供電電流不足；聯(lián)機時公共地線接觸不良；用戶系統(tǒng)主機板負(fù)載過大；用戶系統(tǒng)各級電源濾波不完善等。5.4軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試與所選用的軟件結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計技術(shù)有關(guān)。采用模塊程序設(shè)計技術(shù)，則要逐個模塊調(diào)好以后，再進(jìn)行系統(tǒng)程序總調(diào)試。模塊結(jié)構(gòu)程序，要一個個模塊分別調(diào)試。調(diào)試的手段可采用單步運行方式和斷點運行方式，通過檢查用戶系統(tǒng)CPU現(xiàn)場、RAM的內(nèi)容和I/O口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。通過檢查，可以發(fā)現(xiàn)程序中的死循環(huán)錯誤、機器碼錯誤及轉(zhuǎn)移地址錯誤，同時也可以發(fā)現(xiàn)用戶系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設(shè)計的錯誤。在調(diào)試過程中不斷調(diào)整用戶系統(tǒng)的軟件和硬件，逐步通過一個個程序模塊。各程序模塊通過后，可以把有關(guān)的功能塊聯(lián)合起來一起進(jìn)行整體程序綜合調(diào)試。若在這階段發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運行時是否破壞現(xiàn)場、緩沖單元是否發(fā)生沖突、標(biāo)志位的建立和清除在設(shè)計上是否有失誤、堆棧區(qū)域是否有溢出、輸入設(shè)備的狀態(tài)是否正常等等。5.5仿真中出現(xiàn)的問題及解決辦法本設(shè)計的硬件實現(xiàn)是在實驗板上焊接元器件，電路調(diào)試的最初結(jié)果不是很理想，沒有按照原定的計劃實現(xiàn)擬訂的功能。按鍵沒有實現(xiàn)指定的功能。原來以為理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的電路制作成實物，實現(xiàn)起來也是相當(dāng)?shù)娜菀?。但是，后來才發(fā)現(xiàn)，真正的把硬件電路調(diào)試出來也不是很容易，尤其是檢查插件實現(xiàn)的電路。這些其實都說明，我的動手能力比較差，有待進(jìn)一步提高。當(dāng)焊好元器件，連接好電路時，我打開電源，卻意外的發(fā)現(xiàn)電路中的數(shù)碼管以及發(fā)光二極管都沒有亮起，整個電路處于癱瘓狀態(tài)。仔細(xì)一看仿真器，居然連仿真器上的指示燈都沒有亮。我懷疑整個電路連電源都沒有接上，用萬用表測量一下，原來是實驗板上原來應(yīng)該連在一起的電源線和接地線并不是等位點，于是我去掉了其中的一個點，把它們直接連上電源，在接通電路，果然電路中的器件都亮起來了。但是電路并不是很理想，掃頻的精度不是很高。我認(rèn)為是程序設(shè)計得不是很理想，仍有些有待改進(jìn)的地方，但由于時間倉促，只好推遲進(jìn)一步調(diào)試，相信最終的精度會很高。參考文獻(xiàn)1 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