3.3 紅外傳感器與霍爾傳感器的綜合應(yīng)用公開課教案教學設(shè)計課件資料

項目三

智能防盜系統(tǒng)傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)（初級）1

2系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)搭建與功能體驗本項目學習目標3項目三 智能防盜系統(tǒng)引導案例：任務(wù)三

紅外傳感器引導案例：看完視頻你對周圍的財產(chǎn)安全環(huán)境有什么要說的嗎？1

2

3系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)構(gòu)

本項目學習目標系統(tǒng)搭建與功能體驗任務(wù)三 紅外傳感器與霍爾傳感器的綜合應(yīng)用引導案例：搭建模擬智能防盜系統(tǒng)智能防盜模擬系統(tǒng)本項目采用在NEWLab平臺上安裝霍爾傳感模塊來搭建模擬智能防盜系統(tǒng)，實現(xiàn)了用霍爾開關(guān)模塊、霍爾線性模塊的監(jiān)測，實現(xiàn)電子圍欄防控、通道人員通過監(jiān)測、門禁開關(guān)狀態(tài)感知、財物位置移動等功能。系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)搭建與功能體驗本項目學習目標123智能防盜系統(tǒng)項目三引導案例：項目學習目標智能防盜系統(tǒng)項目學習目標圍繞本任務(wù)的實現(xiàn)可完成如下學習目標：任務(wù)描述任務(wù)描述：公司原有的多個防盜系統(tǒng)需要整合和智能化升級，具體包含紅外對射、

紅外反射、霍爾開關(guān)和霍爾線性四個模塊，并要求通過ZigBee模塊實現(xiàn)系

統(tǒng)智能化控制，通過串口通信將傳感器采集的數(shù)據(jù)送至安保中心集中處理。任務(wù)要求：利用外部中斷感知紅外對射，紅外反射和復位按鍵的狀態(tài)采集；利用IO口感知霍爾開關(guān)的狀態(tài)、控制LED報警燈狀態(tài)；利用ADC獲取霍爾線性的電壓值，并進行處理；利用串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送至安防中心完成測試程序的燒寫，實現(xiàn)智能防盜系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢測；引導問題問題1：你在日常生活中是怎樣防盜的？效果怎么樣？問題1：如果防盜的手段單一會產(chǎn)生怎樣的效果？如何避免這種情況的出現(xiàn)？任務(wù)三 紅外傳感器與霍爾傳感器的綜合應(yīng)用任務(wù)資訊01任務(wù)實施03任務(wù)計劃與決策02任務(wù)小結(jié)04電信號的形式與轉(zhuǎn)換任務(wù)資訊312智能防盜系統(tǒng)架構(gòu)分析傳感器作用分析及GPIO端口分配電信號的形式與轉(zhuǎn)換電信號的形式與轉(zhuǎn)換信息是指客觀事物屬性和機互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài)。表示信息的形式可以是數(shù)值、文字、圖形、聲音、圖像以及動畫等。信號是信息的載體，

是運載信息的工具，信號可以是光信號、聲音信號，電信號。電話網(wǎng)絡(luò)中的電流就是一種

電信號。人們可以將電信號經(jīng)過發(fā)送、接收以及各種變換，傳遞雙方要表達的信息。數(shù)據(jù)

是把事件的屬性規(guī)范化以后的表現(xiàn)形式，它能被識別，可以被描述，是各種事物的定量或

定性的記錄。信號數(shù)據(jù)可以表示任何信息，如文字、符號、語音、圖像、視頻等。從電信號的表現(xiàn)形式上，可以分為模擬信號和教字信號。電信號的形式與轉(zhuǎn)換1模擬信號數(shù)字信號234A-D轉(zhuǎn)換CC2530中的ADC模塊電信號的形式與轉(zhuǎn)換1）模擬信號模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量所表達的信息，如溫度、濕度、壓力、長度、電流、電壓等，通常模擬信號稱為連續(xù)信號，它在一定的時間范圍內(nèi)可以有無數(shù)多個不同的取值。電信號的形式與轉(zhuǎn)換1模擬信號數(shù)字信號234A-D轉(zhuǎn)換CC2530中的ADC模塊電信號的形式與轉(zhuǎn)換2)數(shù)字信號數(shù)字信號指自變量是離散的、因變量也是離散的信號，這種信號的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個數(shù)字來表示，在計算機中，數(shù)字信號的大小常用有限位的二進制數(shù)表示。由于數(shù)字信號是用兩種物理狀態(tài)來表示0和1的，故其抵抗材料本身干擾和環(huán)境干擾的能力都比模擬信號強的多；在現(xiàn)代技術(shù)的信號處理中，數(shù)字信號發(fā)揮的作用越來越大，幾乎復雜的信號處理都離不開數(shù)字信號，只要能把解決問題的方法用數(shù)學公式表示，就能用計算機來處理代表物理量的數(shù)字信號。電信號的形式與轉(zhuǎn)換1模擬信號數(shù)字信號234A-D轉(zhuǎn)換CC2530中的ADC模塊電信號的形式與轉(zhuǎn)換3)A-D轉(zhuǎn)換A-D轉(zhuǎn)換通常簡寫為ADC，是將輸入的模擬編號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。各種被測控的物理量(如速度、壓力、溫度、光照強度、磁場等）是一些連續(xù)變化的物理量，傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的電壓和電流就是模擬信號。單片機系統(tǒng)只能接收數(shù)字位號，要處理這些信號就必須把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模限/數(shù)字轉(zhuǎn)換是數(shù)字測控系統(tǒng)中必須的信號轉(zhuǎn)換。電信號的形式與轉(zhuǎn)換1模擬信號數(shù)字信號234A-D轉(zhuǎn)換CC2530中的ADC模塊電信號的形式與轉(zhuǎn)換3)A-D轉(zhuǎn)換CC2530的ADC模塊支持最高14位二進制的模擬數(shù)字特換，具有12位的有效數(shù)據(jù)位。它包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有8個各自可配置的通道：以及一個參考電壓發(fā)生器。轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA寫人存儲器，還具有多種運行模式。電信號的形式與轉(zhuǎn)換任務(wù)資訊312智能防盜系統(tǒng)架構(gòu)分析傳感器作用分析及GPIO端口分配智能防盜系統(tǒng)架構(gòu)分析智能防盜系統(tǒng)又稱為智能防盜報警系統(tǒng)，是

預防盜竊、搶劫等意外事件發(fā)生的重要設(shè)施。不僅能減少枯燥的人員值守，降低安防人員的工作強度；同時能靈敏準確的提示出事地點，指示安防人員快速進行處理。安防行業(yè)智能化成為重要的發(fā)展趨勢。智能化其實就是在普通的監(jiān)控報警的過程中增加了智能分析反應(yīng)、智能控制的功能。智能化可以讓防盜報警系統(tǒng)工作更有效率，讓用戶更省心。本案例重點介紹基于CC2530單片機為核心的綜合以紅外對射技術(shù)構(gòu)成的電子圍欄、紅外反射技術(shù)構(gòu)成的通道人員檢測、霍爾數(shù)字量技術(shù)構(gòu)成的門磁系統(tǒng)、霍爾模擬量構(gòu)成的貴重物品放置檢測等傳感技術(shù)共同組成的智能防盜系統(tǒng)。為便于理解和操控，每類傳感器在本案例中只出現(xiàn)一個。智能安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2-1所示：外部中斷MCU判斷位置及入侵性質(zhì)紅外對射紅外反射霍爾線性報警輸出ADC霍爾開關(guān)防控中心服務(wù)器復位開關(guān)串口通訊普通IO輸出圖3-3-2智能防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電信號的形式與轉(zhuǎn)換任務(wù)資訊312智能防盜系統(tǒng)架構(gòu)分析傳感器作用分析及GPIO端口分配霍爾效應(yīng)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢1傳感器功能分析GPIO端口分配和功能定義2傳感器作用分析及GPIO端口分配1)傳感器功能分析紅外對射模塊和紅外反射模塊即案例中的電子圍欄和通道檢測按風險等級分別設(shè)置在不同區(qū)域，通過數(shù)字量采集器或連接zigbee模塊的輸入端，檢測電平變化可以感知通過位置、次數(shù)、時間，從而通過指揮中心分配相應(yīng)的巡防人員進行有目的的檢查和防范。紅外反射模塊和紅外反射模塊的輸出原理大致相同。紅外對射模塊監(jiān)控的距離較遠，設(shè)備一般較為笨重，適合安放在圍墻上或可能開放的窗戶上。紅外反射模塊發(fā)射端和接收端一般集成在一起，設(shè)備較為小巧，但感測距離較近，適合安放在空間較為狹窄的區(qū)域。傳感器作用分析及GPIO端口分配1)傳感器功能分析霍爾線性元件模塊可以輸出連續(xù)的電壓，在常態(tài)工作時輸出中間電壓，磁鐵S極越靠近輸出電壓越高，磁鐵N極越靠近輸出電壓越低?；魻柧€性元件可檢測帶磁標的貨物是否移動、貨物放置的方向，還可精確檢測磁性物體離檢測元件的距離、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度等數(shù)據(jù)。本案例中通過檢測霍爾線性傳感所輸出的電壓值來判斷貨物是否離開指定位置，從而判斷貨物是否被移動或失竊?；魻栭_關(guān)輸出模塊在常態(tài)工作時輸出高電平，當磁鐵S極靠近時即工作狀態(tài)時輸出低電平。任務(wù)中的門窗的打開和閉合狀態(tài)檢測可采用在門口安置磁鐵和霍爾開關(guān)模塊，即設(shè)置門磁系統(tǒng)，通過感知S極完成對門窗開合的感知，由MCU程序接收感知結(jié)果統(tǒng)計生成打開和關(guān)閉的次數(shù)和時間等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對門窗的安全監(jiān)測?；魻栃?yīng)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢1傳感器功能分析GPIO端口分配和功能定義2傳感器作用分析及GPIO端口分配CC2530單片機是本案例的核心單元，通過GPIO的

功能設(shè)定，可以感知傳感模塊的實時狀態(tài)，從而實現(xiàn)報警指示。CC2530共有21個數(shù)字I/O引腳，本案例中一共需要使用3個外部中斷端口（紅外對射、紅外反射、復位按鍵），1個普通I/O輸入口（霍爾開關(guān)量），1個ADC輸入口（霍爾線性）3個普通I/O輸出端口（三個指示燈）。輸入信號中電子圍欄、通道人員感應(yīng)、系統(tǒng)復位等信號為數(shù)字量信號，并且在判斷中只要有電壓跳變即可確定觸發(fā)，同時信號的判斷和感知中需要實時進行，若進行循環(huán)判斷輸入將浪費大量單片機資源，為節(jié)省資源提高單片機工作效率，可選用外部中斷輸入模式；傳感器作用分析及GPIO端口分配霍爾開關(guān)量也是數(shù)字量，但作為門磁感應(yīng)需判斷霍爾開關(guān)輸出的電平狀態(tài)，從而確定門禁的開合狀態(tài)，故此類輸入不能只判斷電壓跳變，需設(shè)置為普通I/O輸入端，通過內(nèi)部定時器定時讀取即可?；魻柧€性傳感模塊需要讀取輸出電流的大小，選擇ADC模塊對數(shù)據(jù)進行獲取并處理；報警燈光輸出只在報警條件觸發(fā)時工作，因此只需要將四類報警狀態(tài)通過燈光點亮次序區(qū)分開來即可，因此可選用普通I/O輸出即可。為實現(xiàn)CC2530前端模塊與控制中心服務(wù)端間通訊，需

通過串口通訊模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。聲聲音音傳傳感感模模塊塊的的工工作作原原理理聲音傳感模塊電路圖測測一一測測聲音傳感器的信號檢測依據(jù)是什么？涉及哪些環(huán)節(jié)？想想一一想想生活中其他用到傳感器的場景，同學們說說還有哪些？任務(wù)三紅外傳感器與霍爾傳感器的綜合應(yīng)用任務(wù)資訊任務(wù)實施任務(wù)計劃與決策01

02任務(wù)小結(jié)03

04智能防盜綜合系統(tǒng)的邏輯組成端口分配及編程架構(gòu)分析規(guī)劃與實施準備123任務(wù)計劃與決策智能防盜綜合系統(tǒng)的邏輯組成智能防盜綜合系統(tǒng)需要利用ZigBee模塊中的CC2530單片機來綜合處理紅外對射信號、紅外反射信號、霍爾開關(guān)元件、霍爾線性元件等多種傳感器所獲取的環(huán)境信息，對信息進行處理和篩選后通過I/O端口輸出給報警系統(tǒng)。同時還要把實時安防數(shù)據(jù)傳送給安防中心的服務(wù)端進行記錄或進行聯(lián)防處理。。智能防盜綜合系統(tǒng)的邏輯組成端口分配及編程架構(gòu)分析規(guī)劃與實施準備123任務(wù)計劃與決策端口分配及編程架構(gòu)1端口分配及接線確定程序流程圖2端口分配及編程架構(gòu)本案例只是模擬搭建并測試系統(tǒng)的功能，故每類模塊只選擇一個連接進系統(tǒng)進行搭建并運用。紅外對射、紅外反射用于感知非確定性因素，觀察電平變化即可判定出現(xiàn)入侵情況，但觸發(fā)的時間無法的確定，故不適合以I/O口方式完成數(shù)據(jù)采集，而可以通過外部中斷采集和時間測定，利用有限資源使系統(tǒng)具有更好的性能。具體GPIO分配如下：I/O類型

引腳編號

連接設(shè)備普通I/O輸出端P1_0LED1(通訊)普通I/O輸出端P1_1LED2(連接)外部中斷P1_2紅外對射外部中斷P1_3紅外反射外部中斷P1_4Key1普通I/O輸入端P1_5霍爾開關(guān)普通I/O輸出端P1_6繼電器ADC0霍爾線性霍爾效應(yīng)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢1端口分配及接線確定程序流程圖2端口分配及編程架構(gòu)端口確定后就可以根據(jù)每個端口的實際用途分析程序的架構(gòu)及流程，紅外對射、紅外反射、復位按鍵使用的是外部中斷，霍爾開關(guān)使用的是普通I/O輸入端口，霍爾線性使用的是ADC

輸入端，當外部中斷有改變時，觸發(fā)報警指示，同時串口發(fā)送數(shù)據(jù)；當霍爾線性數(shù)值變化時也需要觸發(fā)報警裝置并發(fā)送串口數(shù)據(jù)。當普通I/O輸入端口高低電平發(fā)生改變時，需要判斷高低電平狀態(tài)以確定門窗的開合狀態(tài)，并進行相應(yīng)的報警指示，同時發(fā)送相應(yīng)的串口數(shù)據(jù)。因此程序流程圖如左圖所示：123任務(wù)計劃與決策智能防盜綜合系統(tǒng)的邏輯組成端口分配及編程架構(gòu)分析規(guī)劃與實施準備智能防盜綜合系統(tǒng)分析與規(guī)劃項目名稱任務(wù)名稱計劃方式計劃要求智能防盜系統(tǒng)智能防盜綜合系統(tǒng)分組完成、團隊合作、學材分析、資料調(diào)研掌握CC2530單片機IO的設(shè)置方法和使用方法；掌握CC2530單片機外部中斷的使用；掌握CC2530單片機定時器的使用；掌握CC2530單片機ADC的獲取和使用；；掌握CC2530單片機串口通訊；能對CC2530單片機的端口進行分析和分類使用會對系統(tǒng)進行綜合分析，依據(jù)模塊功能綜合利用單片機內(nèi)部資源主要步驟序號12349101112聲聲音音傳傳感感模模塊塊的的工工作作原原理理聲音傳感模塊電路圖測測一一測測聲音傳感器的信號檢測依據(jù)是什么？涉及哪些環(huán)節(jié)？想想一一想想生活中其他用到傳感器的場景，同學們說說還有哪些？任務(wù)三紅外傳感器與霍爾傳感器的綜合應(yīng)用任務(wù)資訊任務(wù)實施任務(wù)計劃與決策01

02任務(wù)小結(jié)03

04任務(wù)實施模塊電路搭建功能實現(xiàn)結(jié)果驗證硬件環(huán)境搭建指示燈模塊的12V+端口連接繼電器1的輸出NO1端口J9，指示燈模塊12V-端口連接NEWLab實驗平臺的12V-；繼電器1的COM1端J8和背板上的電源端口12V+相連。紅外對射AD輸出1即J4連接ZigBee模塊IN0口紅外反射AD輸出1即J4連接ZigBee模塊IN1口霍爾開關(guān)AD輸出1即J4連接ZigBee模塊OUT0口霍爾線性AD輸出1即J4連接ZigBee模塊ADC0口ZigBee模塊OUT1口連接繼電器模塊J1口NEWLab實驗平臺上紅外反射模塊、紅外傳感模塊和繼電器模塊上的GND是相通的，所以可以不用考慮負極的處理。硬件環(huán)境搭建圖3-2-13門窗感應(yīng)及貨物狀態(tài)感應(yīng)系統(tǒng)實際接線圖任務(wù)實施模塊電路搭建功能實現(xiàn)結(jié)果驗證程序編寫完整智能防盜系統(tǒng)程序依次包括對按鍵和信號采集等IO端口定義部分、延時函數(shù)、ADC端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理模塊、串口通信及報警模塊，以及系統(tǒng)主函數(shù)等部分組成，圖3-3-6為系統(tǒng)中各組成模塊的組織順序。5.獲取ADC電壓值6.外部中斷初始化頭文件及宏定義

7.I/O輸出初始化全局變量的設(shè)置

8.定時器T1初始化delay延時函數(shù)

9.串口通訊初始化ADC初始化

10.串口發(fā)送一個字節(jié)11.串口發(fā)送一個字符串12.報警燈光初始化ADC電壓值處理函數(shù)串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理函數(shù)15.主程序函數(shù)定時器T1中斷服務(wù)子程序外部中斷服務(wù)子程序程序編寫其中頭文件及宏定義、延時函數(shù)、定時器T1、初始化函數(shù)、串口初始化函數(shù)、串口發(fā)送一個字節(jié)、串口發(fā)送一個字符串、ADC初始化程序、獲取ADC值等模塊在此前項目一、項目二中有詳細設(shè)計說明，本章就不再贅述，本任務(wù)的主體模塊為I/O初始化函數(shù)、外部中斷子函數(shù)、定時器T1中斷子函數(shù)、燈光報警函數(shù)、ADC數(shù)據(jù)處理函數(shù)等。程序如下。三個普通I/O輸出端口和一個普通I/O輸入端口的設(shè)定程序編寫外部中斷的設(shè)定中斷服務(wù)子函數(shù)程序編寫ADC數(shù)據(jù)采集與處理部分指示燈控制處理部分程序編寫串口發(fā)送數(shù)據(jù)主程序任務(wù)實施模塊電路搭建功能實現(xiàn)結(jié)果驗證任務(wù)實施運行程序，查看結(jié)果，對比以下動作查看燈光及串口工具顯示結(jié)果是否一致：1.遮擋紅外對射ZigBee板上的指示燈左燈閃爍，右燈熄滅，同時繼電器動作連接的LED亮。串口助手