毕业论文-智能化住宅防盗防火报警系统设计29196.doc

本科生毕业设计（论文）智能化住宅防盗防火报警系统设计摘 要在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术已渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住和办公的建筑环境不仅要求舒适健康、安全可靠、高效便利，同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。因此，将智能化引入住宅小区已成为一种趋势，并且在智能化住宅的家庭智能管理系统中对防火防盗报警进行监控已经成为民用建筑领域向信息化和网络化发展的一个重要组成部分。本文介绍了智能化住宅中的防盗防火报警系统。采用mc-51系列80c51为核心单片机控制，集智能化防盗防火功能于一体住宅报警系统，可实现自动检测与自动电话拨号报警。自动检测是指由红外探测与微波探测器构成的探测器实现智能检测，同时由温度探测器和光电感烟探测器集为一体的复合式火灾探测器完成火情检测。多传感器的应用实现了低误报率，增强了系统可靠性。自动电话拨号报警是指通过电话网络自动向相关部门发出语音求救信号。当防盗、防火探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，再由单片机控制电话接口电路，实现模拟摘机，根据险情类别，自动拨打相关部门的电话号码如小区管理中心电话。关键词：智能报警系统：防盗防火：自动拨号：语音报警；数据通讯abstractsocial informatization a growing process today, permeate a information technology application to the survival of mankind, in all areas of activity in the construction field, peoples modern life and work of the residential and office buildings require comfort not only the environment healthy, safe, reliable, efficient convenient, but also adapt to the information society, use of technology tools and equipment requirements. therefore, the introduction of intelligent residential quarters have become a trend, and intelligent residential households in the intelligent management system to monitor anti-theft alarm fire has become the field of civil construction to information technology and network development of an important component.this text has designed a kind of intellectual burglar alarming system of residential building of housing district. it introduced the details of design method and function that can realize of this system in the article, which has explained the operation principle, the design thought of hardware and software and course of realizing in detail of this warning system. this system adopts the intellectual house where the nodal controller that one-chip computer at89s51 realizes is suitable for the low cost. design and include with the peripheral circuit that at89s51 carries on for the master controller: power circuit design, warning circuit design, keyboard, display interface design, data collecting system etc. i adopted fingerprint recognition sensor, bludgon sensor and heat into clear up electricity infrared sensor which made the system had large some measure the function to come true especially in data collecting system, and enable the controller to also design the communication of principal and subordinate machine in the system to be measured touringly by the check pointing, which makes the guarding against theft of the residential building of the district report to the police and achieve reunification and control and manage, and concentrated on reporting to the police and offering many kinds of protection for guarding against theft in the house, which makes the family to feel safer. key words： smart alarm system; anti-theft fire; automatic dial-up; data communications目 录第1章 绪 论51.1 智能防盗防火报警网络系统的背景11.2 防盗防火系统的主要特点6第2章 系统设计方案论证72.1防盗报警系统设计方案72.2防盗报警系统方案论证82.3系统经济可行性分析9第3章 系统硬件设计103.1 下位机cpu的选择103.1.1 算术/逻辑运算部件113.1.2 专用寄存器、通用寄存器简介113.1.3 rst功能113.1.4 复位113.1.5 省电方式133.2 下位机输入通道设计143.2.1 传感器的选择143.2.2 a/d转换器的选择183.3 下位机数据采集系统设计193.4 上位机键盘/显示接口电路设计203.4.1 8279的电路组成和工作原理203.4.2 管脚、引线与功能说明223.4.3 命令格式与命令字233.4.4 状态格式与状态字263.4.5 8279与at89s51的接口设计273.5 显示器的选择273.6 上位机输出通道设计293.6.1 报警电路设计293.6.2 看门狗电路设计303.7 电源电路设计323.8 主从机通信设计33第4章 系统软件设计344.1 系统软件设计思想344.2 主机主程序流程图354.3 主机查询通信子程序流程图364.4 从机主程序流程图374.5 从机中断通信子程序流程图384.6 查找报警点子程序流程图394.7 显示和报警子程序流程图41第5章 结 论42参考文献43致 谢44附 录45附 录47附 录48 52第1章 绪 论近年来，伴随我国房地产业的迅速发展以及国家产业政策的调整，加上智能化系统集成商的推动，国内智能住宅小区得到飞速发展。 住宅小区的智能化是指利用现代通信网络技术、计算机技术、自动控制技术、ic卡技术，通过有效的传输网络，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息服务系统、物业管理系统以及家居智能化组成的小区服务和管理集成系统，为小区及每个家庭创建安全、舒适、温馨和便利的生活环境。相反地，经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应。城乡、区域收入进一步拉大，流动人口也开始迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出了增长趋势，人们越来越渴望有一个安全生活的空间，但是犯罪分子的作案手段越来越高明，他们甚至采用一些高科技的作案手段。使得以往那种依靠安装防盗门窗，或靠人防的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求；与此同时，随着生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了大多数家庭，各种家用电器也得到了广泛的应用。人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患的危险。这时，传统的家庭住宅显然已经远远不能满足人们的需求，人们迫切需要一种智能型的家庭安全防范报警系统，能可靠地进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态。这样，人们可以安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。于是，有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视。现在市场上也出现了各种名目繁多的报警装置，但多由于可靠性差，功能单一或造价高而难于普及。而随着电子通讯技术的飞速发展，单片机以其具有体积小、集成度高、性价比高等突出优点在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广范的应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行等重要场所的低价位、运行可靠的多功能智能型安全防范报警系统，对室内出现的各种紧急意外事件如发生入室盗窃，火灾等自动发出报警信息并通知户主进行及时处理已经势在必行。住宅防盗防火报警系统是为了保证住户在住宅内的人身财产安全，通过在住宅内门窗及室内安装各种探测器进行昼夜监控。当监测到险情时通过住宅内的自动电话拨号系统直接向小区的管理系统发出报警信息。接收机将准确显示等情发生住户的名称、地址和入侵方式等，提示保安人员迅速确认险情，及时赶赴现场以确保住户人身和财产安全住户也可通过固定式紧急呼救报警系统在住宅内发生抢劫和突发疾病时，向管理中心呼救报警，中心可根据情况迅速出警。1.1 智能防盗防火报警网络系统的背景随着经济的发展,生活水平的日益提高,人们对居住环境的要求也日见增高,希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。国家建设部规定,目前住宅小区应实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范系统自动化监控管理,住宅的火灾,有害气体泄漏实行自动报警,火灾报警系统应是以烟、温及可燃气体等探测器为主体。防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器,系统应能与计算机安全综合理系统联网,计算机系统能对防盗报警系统进行动态拨号电路、报警显示电路和密码控制电路等。它可以通过多种方式进行报警和预警,并借助电话等现代化通讯手段进行信息传递。此外，人们对保安设备的需求量大为增加，为了满足广大用户的需求，许多科研人员用国内和国外器材研制了许多功能先进、实用、成本低廉的智能防盗报警器。这些报警器可以实现防开启、防接近、防玻璃破碎、防火灾等全面的保安功能。开放式的安全防范体系，就是不采用防盗铁门、铁窗护栅的封闭式做法。在小区内运用先进的科学技术建立起小区周界防卫、电视监控、保安人员巡更管理，以及与家庭智能化安全防范相结合的综合开放式安全防范体系。整个住宅小区保持环境清洁优美，如有非法犯罪分子闯入居民家庭，即可通过报警网络向小区保安中心报警，由小区保安中心立即接警处警，主动快速出击，不仅可以抓获现行，对犯罪分子起到威慑作用，居民家庭的生命和财产得到保障。1.2 防盗防火系统的主要特点智能小区防盗报警系统主要应用了单片机技术和现代化电子通信技术，具有多项功能。并且防盗防火报警系统具有性能稳定、能全天候工作、耗电省，安装使用方便等特点。防盗系统监测模块前端传感器有红外线探头、温度传感器，采用热释电技术的红外探头，具有超低误报率、防电磁干扰、自动温度补偿、长探距、大角度、功耗小等特点，应用较广；、防盗防火系统的报警模块为声、光报警，形式多样、反应迅速。当系统监测模块检查到入侵信号报警模块能将被盗状态以声音和指示灯方式传输到十几米甚至几十米的范围。防盗系统的通知模块能在有盗情时自动拨打小区管理中心，达到及时报警的目的，使人们能对现场进行高灵敏度监听，并进一步核实火情和盗情。第2章 系统设计方案论证2.1系统设计方案防盗报警系统负责对建筑内外各个点、线、面和区域的侦测任务。它一般由传感器、下位机和上位机三个部分组成。防盗报警系统组成结构如图2.1所示。防盗报警系统是按其三层结构进行工作的，即最底层的传感器是探测和执行设备，它们负责探测非法入侵活动，有异常情况时发出声光报警，同时向下位机发送信息。第二层下位机，负责接受传感器采集到的数据，通过通信将得到的信息传给上位机。上位机再通过其连接的报警电路达到报警的目的。报警电路电源电路上位机看门狗电路键盘及显示电路下位机红外传感器指纹识别传感器冲击传感器图 2.1防盗报警系统组成结构（1）传感器本系统采用红外传感器、冲击传感器和指纹识别传感器来获得报警的信号。这几种传感器处于第一层，用来将探测到的信息发传送给第二层的下位机。（2）下位机下位机位于系统的第二层，本次设计采用atmel公司的at89s51，它在功能上有了较大的增加，是at89系列的增强型。at89s51的功能与at89c51相比，他的功能有了很大的增强，内部flash容量4kb，而且可以下载。静态工作频率为033mhz,大大拓宽了工作频率和运算速度，还新增了其他功能，如可编程监视器（看门狗）等。（3）上位机上位机同样采用at89s51，这样使得上下位机间的通信更加方便快捷，并且减少了芯片的使用量，节俭了经济上的花费。2.2防盗报警系统方案论证本系统由报警主机（上位机）、键盘显示接口电路、输出通道及报警电路、电源电路、看门狗电路、51单片机、输入通道和数据采集系统组成。如图2.1所示。对某小区一居民楼（设10层楼，共计100户）住户进行每户3点监控防盗报警设计。系统中用5个从机控制器控制100个用户的检测信号（每台从机控制20户），并对检测点进行巡回检测。然后通过主-从机通讯实现统一管理、集中报警。其中控制器采用单片机at89s51，检测信号由三项传感器阵列实现，采用传感器分别为：热释电红外传感器实现防接近；冲击传感器实现防冲击、防撬动；指纹识别传感器实现指纹识别鉴定。其中报警主机（上位机）采用atmel公司的at89s51，51单片机（下位机）同样采用了at89s51。它是该公司新推出的at89系列高档型单片机，它在功能上有了较大的增加，是at89系列的增强型。扩展的外围芯片全部采用串行接口芯片,使整个系统体积小,功耗低；下位机输入通道中选用a/d转换器adc0809。数据采集系统的任务是把生产现场的工艺参数采集后以数字量的形式进行存储、处理、传送、显示或打印。完成这些任务的基本手段是模拟量的输入通道，其核心部件是ad转换器。数据采集系统有两种典型结构方案：单通路结构和多通路结构。单通路结构是针对采集现场单一信号而言的，这个方案的缺点是要使用较多的ad转换器，不适合本系统。因此本系统采用多通路结构。传感器采用红外传感器、冲击传感器和指纹识别传感器。其结构图如图2.2所示。at89s51 txd rxd键盘电路报警电路txd rxd at89s51 txd rxdat89s51电源电路电源电路时钟电路时钟电路时钟电路电源电路显示电路 图 2.2 防盗报警系统结构图 本系统键盘显示接口电路中采用8279芯片。8279是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，能完成键盘输入和显示控制的功能，用于单片机应用系统中，可以大大提高cpu的效率，并可使接口电路更具有通用性。在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统能发出报警信号，报警信号可分为声光报警、鸣音报警和语言报警，本系统设计采用的是声光报警。电源电路有小功率电路与大功率电路之分。由于本次设计的系统中，负载要求功率较小，所以采用小功率整流滤波电路。看门狗电路采用maxin公司生产的max813l，它是一种性价比很高的芯片。2.3系统经济可行性分析本系统上位机及下位机均采用单片机at89s51进行控制，at89s51的功能与at89c51相比，他的功能有了很大的增强。目前单片机的广泛应用及其产生的效益令人瞩目，它以其价格便宜且应用领域广等诸多优点成为控制系统中采用最多的器件和芯片。另外，该系统在外围电路中所用到的并行i/o口芯片、译码器、显示器等器件都是单片机控制系统中常用的器件，便宜且可靠性能好。因此，该系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。第3章 系统硬件设计3.1 下位机cpu的选择本次设计的中央处理器采用了atmel公司的新推出的at89系列高档型单片机，它在功能上有了较大的增加，是at89系列的增强型。at89s51的主要性能如表3.1所示。从表3.1可见，at89s51的功能与at89c51相比，它的功能有了很大的增强，内部flash容量4kb，而且可以下载。静态工作频率为033mhz,大大拓宽了工作频率和运算速度，还新增了其他功能，如可编程监视器（看门狗）等。表3.1 at89s51的功能概况是否是mcs-51产品是片内flash/kb4工作电压/v45.5全静态工作频率/mhz033程序存储器锁存三级片内ram/位1288可编程i/o位/位32中断源/个6定时/计数器/个2（16位）全双工串行口有spi串行接口无低功耗休闲和降压模式有可编程监视器（看门狗）有双数据指针低功耗模式下有中断恢复有断电标志有中央处理器是整个检测系统的核心，a/d转换后的数据要经过cpu送显示器显示，cpu是所有数据处理的核心，下面分别介绍at89s51的组成及其功能。3.1.1 算术/逻辑运算部件at89s51的算术/逻辑运算部件（alu）包括运算器、累加器a、寄存器b、暂存器tmp、程序状态字psw、堆栈指针sp、数据指针dptr等。at89s51的alu与8051的alu完全兼容，其位处理能力非常强，这对“面向控制”特别有用，指令功能极为丰富，8位并行处理能力极强。基于这些优点，本次设计使用at89s51完全能够达到设计要求。3.1.2 专用寄存器、通用寄存器简介at89s51的专用寄存器包括累加器a、寄存器b、程序状态字psw、堆栈指针sp、数据指针dptr，其功能与8051一致，这里不再过多介绍。at89s51再片内ram的00h1fh（共32b）空间开辟了4组通用工作寄存器区，没组共有8个8位的寄存器r0r7，通过软件对psw的rs1和rs0来进行设置，选择任意一组作为前台使用，其余3组屏蔽，其优点是免去进栈保护，可减少堆栈深度，节省出入栈指令和时间，多余不用的工作寄存器组可作为片内ram访问。3.1.3 rst功能at89s51的复位信号是从rst脚输入到片内施密特触发器中的复位电路，当系统处于正常工作状态，且震荡器工作稳定后，如在rst脚上有从低电平上升高电平维持2个机器周期（24个震荡周期）以上，cpu就可以响应并将系统复位。系统复位的方法很多，本次设计采用的是电平式开关与手动复位。电平式开关与手动复位电路如图3.1所示，既可上电复位，也可手动复位。内置定时监视器（wdt，看门狗）复位电路。wdt可以根据应用程序正常运行周期进行设定。当应用程序在运行过程中受到干扰而进入非正常状态时，wdt定时计数器产生溢出信号，复位主机，恢复正常运行状态。3.1.4 复位复位（rst）是使主机有关部件恢复为初始状态。rst引脚为主机提供一个外部复位信号的输入端口。在时钟振荡器已正常运行后，加在rst端口上的正电平信号应至少保持两个机器周期，以实现一次复位操作。cpu响应复位信号并进行内部初始化操作，将ale和psen两引脚置成输入方式（高电平）。主机在rst图 3.1 电平式开关与手动复位电路有效（高电平）后的第二个机器周期开始执行内部复位操作，并且在rst变为低电平前的每个机器周期均重复执行内部复位。复位后内部有关寄存器的初始状态如表3.2所示。表3.2 复位后主机内部有关寄存器的初始状态寄存器初始状态寄存器初始状态pc 0000ht2mod（00）acc00htcon00hb00ht2con00hsp07htl0200hdptr（0.1）00hth0200hp0p3ffhrcap2l00hip（000000）rcap2h00hie（0000000）auxr（000）scon00hauxr1（0）tmod00h3.1.5 省电方式at89s51单片机提供两种省电工作方式：休眠方式和节电保持方式。其目的是尽可能地降低系统的功耗。在省电工作方式下，vcc可由后备电源供电。（1）休眠运行方式通过软件将pcon.0位的idl置“1”指令执行完后，系统进入休眠运行方式，这时送向cpu内部去的时钟信号被封锁，cpu进入冻结状态，但内部状态被维持（冻结）包括堆栈指针sp、程序计数器pc、程序状态字psw、累加骑a以及所有其他寄存器均保持冻结前的内容不变，各端口状态也保持不变，片内ram包括全部特殊功能寄存器的内容保持不变，外部设备保持正常运行。系统进入休眠方式后有两种方法退出休眠状态。一是任何允许的中断请求被响应时会引起硬件对pcon.0位idl清“0”而结束休眠工作方式。当执行完中断服务方式指令的下一条指令开始继续执行程序。通用标志位gf1和gf0可用来表示中断是在正常情况下还是在休眠工作方式下发生的。例如，在设置休眠方式的指令前，先设置通用标志位，以便判断出系统是在什么情况下发生的中断，如gf0（或gf1）为“1”，则表明中断是在休眠状态下发生的。另一种退出西面工作方式的方法是硬件复位。由于在休眠工作方式下振荡器仍然提供时钟信号，硬件复位只需两个机器周期便可完成。加在rst引脚上的复位信号直接将pcon清0，从而退出休眠工作状态，系统仍从进入休眠工作方式的下一条指令开始重新执行程序，因为在内部系统复位信号上升到两个机器周期前内部复位算法开始控制系统硬件禁止访问内部ram区，但允许访问端口。为了防止对端口后外部数据存储器等出现意外写操作，在置休眠工作方式指令的下几条指令中禁止写端口或写外部ram的指令。（2）省电保持方式当cpu执行完置pcon.1（pd）位为“1”的指令后，系统进入省电保持方式，进入时钟振荡器的信号被封锁，内部振荡器停止工作。由于没有了时钟信号，内部所有的功能部件均停止工作。但内部ram和全部特殊功能寄存器的内部被保留，有关端口的输出状态值都保存在对应的特殊功能寄存器（sfr）中，ale和psen都为低电平。退出省电保持方式是硬件复位或者启动外部中断，复位将使所有寄存器的内容重新初始化，但不改变内部ram的内容。在省电保持工作方式下，vcc可以下降到2v，但在进入省电保持方式之前vcc不能下降。而在准备退出省电保持方式之前，vcc必须恢复到正常的工作电压值，并维持足够长的（约10ms）时间，使内部振荡器重新启动并稳定后才可退出省电保持方式。通过外部中断退出省电保持方式，这个外部中断必须使系统恢复到全部进入省电保持方式之前的稳定和灵敏水平。这个中断引脚启动约16ms（名义上的）后中断服务程序开始恢复正常操作。基于at89s51的以上功能，本次设计采用at89s51完全可以达到设计要求。并且比at89c系列的单片机芯片有所改进、增强。3.2 下位机输入通道设计本次设计的输入通道包括传感器和a/d转换器。下面对其进行分别介绍：3.2.1 传感器的选择(1)红外传感器 本系统采用热释电红外传感器。热释电红外传感器是根据热释电效应设计的一种热敏型探测器。由于热释电信号正比于器件温升随时间的变化率，响应速度比其他热探测器快得多。热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。 人体辐射的红外线中心波长为910-um，而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。其应用电路图如图3.2所示。 图 3.2 热释电红外传感器应用电路图(2) 指纹识别传感器 长期以来，人类一直在追求安全、可靠的身份识别方法。但以往普遍采用的签名、加密等方法很容易被模仿、盗用甚至被人们遗忘。人们经过大量的实践后终于发现，利用人体所固有的生物特征和行为特征来辨别与验证身份，才是最有效、最可靠的办法。本系统采用atmel公司生产的芯片fcd4b14。fcd4b14是atmel生产的fingerchiptm系列指纹传感器芯片中的一种，cmos工艺制造，不需要棱镜、光源等光学部分。fcd4b14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构，为了捕捉到指纹，允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后，atmel公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。a/d转换器提供的数字信号适合于epp并行端口、usb微控制器接口或直接与微处理器接口，可以很容易地在不同识别系统应用中。 fcd4b14具有如下特征：敏感层位于0.8m的coms数组之上；图像区0.4x14mm=0.02x 0.55；图像数组8x280=2240象素；象素尺寸50mx50m=500 dpi；象素时钟高达2mhz，1780frame/s；工作电压3v5.5v；功耗20mw；20脚dip陶瓷或cob（chip-on-board）封装；耐磨损1x106次滑动操作；esd静电防护16kv；工作温度范围0c+70c。 fcd4b14可广泛应用于：pda、手机通路、 访问、 入门控制、数据保护；附加在笔记本计算机、pc上、入门控制、数据保护、电子商务；pin码交换；atm、pos机指纹识别；建筑物出入口控制；汽车、家庭等电子锁等领域。 fcd4b14的20脚封装形式如图3.3示。图 3.3 fcd4b14的封装图dipcob符号 引脚功能 11,7gnd 地 22ave 模拟输出 34tpp 温度稳定电路电源输入 46vcc 电源 58rst 复位，数字输入 610oe 使能，数字输入 712de0 数字输出 814de1 数字输出 916de2 数字输出 1018de3 数字输出 1120fpl 地 1219do3 数字输出 1317do2 数字输出 1415do1 数字输出 1513do0 数字输出 1621gnd 地 1711ackn 时钟反相信号数字输出 189pclk 象素时钟，数字输入 表3.3 fcd4b14的引脚功能fcd4b14的内部结构如图3.4所示。从图3.4可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。在传感数组中，当 280行中的某一行被选中时，被选择行的每一个象素的电信号传送到放大器（一次一列）放大。在有两列被同时选中时（奇数的和偶数的），两个特定的象素信息被传送到两个4位a/d转换器，两个象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。图 3.4 fcd4b14的内部结构图传感器部分每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化。整个时间从象素复位到预定的初始状态开始为止（这是一个时间的积分过程）。速度取决于焦热电层（pyroelectric layer）的灵敏度，在复位到积分时间结束之间的温度变化，和在积分时间的持续时间内，象素上的电荷被产生。a/d转换器将象素的模拟信号转换为可以被微处理器使用的数字信号，重构8位的指纹图像。并行端口和usb接口的数据传输率为1mb/s，重构指纹图像最低需要500frame/s速率。两个4位adc输出两个象素的内容，一次一个字节。(c)冲击传感器 在玻璃由或玻璃门上安装压电型传感器，检测由于故意破坏而引起的冲击现象。这种传感器对汽车的声音成风所引起的轻微振动没什么反应，仅对故意破坏或切割玻璃引起的高频振动作出响应，从而能够检测这种故意破坏的行为。将冲击传感器粘贴在门窗的玻璃上，当有人敲击或击碎玻璃时，传感器可以传输信号。冲击传感器的结构如图3.5所示，在其外壳的基板上固定一个螺栓，螺栓上有一个弹簧，弹簧的顶端焊有一个钢球，它们都是良导体。外壳也使用良导体制成。在静止状态时，不论传感器受到外力冲击，如砸、碰、撞、敲击、撬动时，则钢球在加速度作用下产生运动和外壳接通，便可输出报警信号，使系统工作。这个传感器在此系统中将被安放在每个用户的窗户上。 图3.5 冲击传感器3.2.2 a/d转换器的选择adc0809是一个28引脚双列直插式封装的芯片，带有8位a/d转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑cmos组件，其转换方法是逐次逼近型。它的各引脚功能如下：in0in7：8路模拟电压信号输入端；2128：8位数字量输出端；start：启动a/d转换的控制输入端，高电平有效；ale：地址锁存允许控制信号输入端，该引脚有效时，addc、addb、adda才能控制所选择8路输入模拟通道中的1路。start和ale这两个信号端可连在一起，当通过软件输入一个正脉冲时，便立即启动a/d转换；oe：输出数据允许信号端，高电平有效。只有该信号有效时，才能打开输出三态缓冲器，用于指示转换已完成，结果数据已存在锁存器中。在中断方式下，此信号可以作为向cpu申请中断的请求信号，在查询方式下，此信号可以作为a/d转换完毕的状态信号；clock：时钟脉冲输入端；vcc：电源5v连线端；gnd：接线端；ref（）：参考电源输入端，通常此引脚与vcc相连；ref（）：参考电源地端，通常此引脚与gnd相连；addc、addb、adda选择模拟通道的地址输入端。要注意的是只有在ale引脚有效时，三个引脚才能控制选择。adc0809和at89s51连接图见图3.6。图3.6 adc0809与at89s51的接口设计3.3 下位机数据采集系统设计下位机数据采集系统结构图如图3.7所示。a/d转换器at89s51传感器检测信号图3.7 下位机数据采集系统框图其中传感器检测信号通过冲击传感器、红外传感器和指纹识别传感器来实现。a/d转换器选用adc0809。adc0809在前面的叙述中已经阐述过，因此这里不在介绍。系统通过传感器将检测到的信号经由a/d转换器传送至下位机at89s51中，完成数据的采集。3.4 上位机键盘/显示接口电路设计本系统键盘/显示接口电路采用8279芯片。8279是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，能完成键盘输入和显示控制的功能，用于单片机应用系统中，可以大大提高cpu的效率，并可使接口电路更具有通用性。8279的功能主要包括键盘输入和显示控制两个部分，其中键盘部分提供扫描工作方式，可连接64个键的矩阵键盘，并具有自动消抖和多键同时按下保护功能。显示部分则提供了扫描方式的显示接口。可与8位或者16位led数码管连接。3.4.1 8279的电路组成和工作原理8279主要由输入/输出控制、数据缓冲器、控制与定时寄存器、扫描计数器、回复缓冲器、fifo传感器ram、显示ram、显示地址寄存器等电路组成。 下面分别介绍各部分电路的工作原理。（1） 输入/输出控制及数据缓冲器 数据缓冲器足双向缓冲器，它将内部总线和外部总线连通，用于传送cpu和8279之间的命令和数据。输入/输出控制线控制/向各种内部寄行器和缓冲器发送或接受数据。cs是片选信号，只有当cs=0时，8279才被选通，cpu才能对其进行读写操作。rd、wr是来自cpu的读写控制信号。 a0用于区别信息的特性，当a0=0时，表示输入/输出的信息均为数据；当a01时，表示输入/输出的信息为指令，而输出的信息是状态字。（2） 控制与定时寄存器及定时控制 控制与定时寄存器用来寄存键盘和显示的工作方式以及由cpu编程的其他操作方式。这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生相应购控制信号，从而完成相应的控制功能。定时控制包含基本的计数链，首级计数器是一个可编程的n级计数器，n可以在231之间由软件编程，以便从外部时钟clk得到内部所需的100khz时钟。然后经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。（3） 扫描计数器扫描计数器有两种工作方式，按编码方式工作时，计数器做二进制计数，四位计数状态从扫描线sl0sl3输出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线。按译码方式时，扫描计数器的最低二位被译码后，从sl0sl3输出，因此sl0sl3提供了4中取1的扫描译码。（4） 回复缓冲器、键盘去抖及控制来自rl0rl3的8根回复线的回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行扫描时，回复线用来搜索每一行列中闭合的键，当某一键闭合时，去抖电路被置位，延时等待10ms后，再检验该键是否继续闭和，并将该键的地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据送入8279内部fifo（先进先出）存储器。控制和移位d6、d7的状态由两个独立的附加开关决定而扫描（d5、d4、d3）和回复（d2、d1、d0）则是被按键置位的数据。d5、d4、d3来自动扫描计数器，是按下键的行列编，而d2、d1、d0则来自列计数器，它们是根据回复信号而确定的列编码。在传感器开关状态矩阵方式中，回复线的内容直接被送往相应的传感器ram（即fifo存储器)。在选通输入方式中，回复线的内容在cntl/stb线的脉冲上升沿被送入fifo存储器。（5） fifo/传感器及其状态寄存器fifo/传感器ram是个双重功能的8x8ram。在键盘或选通方式工作时，它是fifo存储器，其输入或读出遵循先入先出的原则。fifo状态寄存器用于存放fifo的工作状态。例如，ram是满还是空，其中存有多少数据，是否操作出错等。当fif0存储器不空时，状态逻辑将产生irq1信号向cpu申请中断。在传感器矩阵方式工作时，这个存储器已变为传感器不是存储器。它存放着传感器矩阵中的每一个传感器状态。在此方式中，若检索出传感器变化，irq信号变为高电平，向cpu申请中断。（6）显示ram和显示地址寄存器显示ram用来存储显示数据，容量为168位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄行器输出。显示寄存器分为a、b两组，outa03利outb03可以单独送数，也可以组成一个8位的字。显示寄存器的输比与显示扫描配合，不断从显示ram中读出显示数据，同时轮流驱动被选中的显示器件，以达到多路复用的目的，使显示器件呈现稳定的显示状态。3.4.2 管脚、引线与功能说明8279采用40引脚封装，其管脚如图3.8所示。 图3.8 8279管脚图其引脚功能如下：d0d7（数据总线）：双向三态总线，和系统数据总线相连，用于cpu和8279间的数据/命令传递。clk（系统时钟）：输入线。当reset=1时，8279复位，其复位状态为：（1） 16个字符显示；（2） 编码扫描键盘、双键锁定；（3） 程序时钟编码为31。cs(片选)：输入线。当cs=0时，8279被选中，允许cpu对其读、写，否则被禁止。a0(数据选择)：输入线。当a01时，cpu写入数据为命令字，读出数据为状态字；当a0=0时，cpu读、写的字节均为数据。、（读、写信号）：输入线，低电平有效，来自cpu的控制信号，控制8279的读写操作。irq（中断请求）：输入线，高电平有效。在键盘工作方式中，当fifo/传感器ram中存有数据时，irq为高电平。cpu每次从ram中读出数据时，irq变为低电平。若ram中仍有数据，则irq再次恢复为高电平。在传感器工作方式中，当检测到传感器状态变化时，irq就出现高电平。sl0sl3（扫描线）：输出线用来扫描键盘和显示器。它们可以编程设定为编码（4中取1）或译码输出（16取1）。rl0rl7（回复线）：输入线，它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列（或行）信号输入线。shift（移位信号）：输入线，高电平有效。该输入信号是键盘数据的最高位（d7）通常用来扩充键开关的功能、作为控制功能键用。在选通输入方式时，该信号的上升沿可将来自rl0rl7的数据存入fiforam中。在传感器输入方式时，该信号无效。a0a3（a组显示信号）：输出线。b0b3（b组显示信号）：输出线。这两组引线都是显示数据输出线，与多位数字显示的扫描线sl0sl3同步，两组可以独立使用，也可以合并使用。bd(显示消隐)：输出线：低电平有效。该信号在数字切换显示或使用消隐命令时，将显示消隐。3.4.3 命令格式与命令字 8279的操作方式是通过cpu别8279送入命令来实现编程的。当数据选择端a0置l时，cpu对8279写入数据为命令字，读出的数据为状态字。8279共有8条命令。其功能及命令字定义如下。（1）键盘/显示方式设置命令其中：d7、d6、d5=000为设置命令特征位。d4、d3：设定显示方式，其定义如下：00：8个字符显示，左入口；01：16个字符显示，左入口；10：8个字符显示，右入口；11：16个字符显示，右入口。左入口：即显示位置从最左一位（最高位）开始，以后逐次输入的显示字符逐个向右顺序排列；右入口，即显示位置从最右一位（最低位）开始，以后逐次输入的显示字等待时，已有的显示字符逐个向左顺序排列。d2、d1、d0：用来设定键盘工作方式，如下所示。000 编码扫描键盘，双键锁定；001 译码扫描键盘，双键锁定；010 编码扫描键盘，n键轮回；011 译码扫描键盘，n键轮回；100 扫描传感器矩阵；101 译码扫描传感器矩阵；110 选通输入，编码显示扫描；111 选通输入，译码显示扫描。双键锁定于n键轮回是多键按下的两种不同的保护方式。双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。在消抖周期里，如果有两键同时按下，则只有其中一个键弹起，而另个键保持在按下位置时，才被认可。n键轮回是对若干键同时按下的保护方法。当有若干键按下时，键盘扫描能够根据检测到的他们按下的顺序，依次将它们的状态送入fiforam中。（2）程序时钟命令其中：d7、d6、d5=001为时钟命令特征位。d4、d3、d2、d1、d0用来设定外部输入clk端的时钟进行分频的分频数n。n取值为23l。例如外部时钟频率为2mhz，d4、d3、d2、d1、d0被置为10100（n20），则对输入的外部时钟20分频，以获得8279内部要求的100kmhz的基本频率。