基于单片机的安防报警系统

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题题 目目 基于单片机的家用防盗系统基于单片机的家用防盗系统 姓姓 名名 XXXX 学学 号号 XXXXXXXXXX 所在学院所在学院 电气与电子工程学院 专业班级专业班级 06 自动化 1 班 指导教师指导教师 XXXXXX 日日 期期 2010 年 5 月 25 日 湖北工业大学毕业设计 1 摘要摘要 基于单片机的家用防盗系统，是以单片机为主控中心，以为红外光电传感 器、热释电红外传感器、玻璃震动传感器、重力传感器，并附有键盘输入，液 晶显示输出的家用监控系统。主控芯片采用 TI 公司生产的 MSP430 单片机， MSP430 为 16 位 RISC 单片机，并有丰富的引脚和高性能的模拟技术，为整个 监控系统可靠稳定运行奠定良好的基础。 关键词：家庭安防，关键词：家庭安防，MSP430 单片机，传感器单片机，传感器 2 Abstract Inteligent security protection system for family is to link the familes in the subdistrict to form one great defend network.The sigal from the security protection sensor in the subdistrict is brothrough to micro-controller in the control center of the subdistrict so the security service troops are able to react to the emergence.The sensor would be installed close to the door,windows ,cabinit and all sensor are linked to the micro- controller.Micro-controller control the sensor to detect and alarm.All micro-controller are linked to form a defend network,so it is easy to manage and improve the management efficiency. Keyword：security protection forfamily,micro- controller,sensor 湖北工业大学毕业设计 3 4 目录目录 1 绪论绪论5 1.1 家用安全防盗系统的发展与现状5 1.2 本课题研究的内容与意义7 2 系统整体方案设计系统整体方案设计10 2.1 整体结构设计10 2.2 系统硬件选型11 2.2.1 CPU 选择11 2.2.2 传感器选择.15 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计.18 3.1 CPU 外围电路设计18 3.2 键盘电路设计.19 3.3 传感器电路20 3.3.1 光电开关20 3.3.2 红外对管21 3.3.3 热释电红外传感器21 3.3.4 传感器连接电路23 3.4 液晶显示电路24 3.5 RS485 通讯电路.26 3.5.1 MAX48x/49x 系列芯片特点 .26 3.5.2 MAX48x/49 系列管脚分布及典型工作电路 .27 3.5.3 整个通信电路的接线图27 3.6 电源电路.28 3.7 A/D 转换电路.29 3.7.1 芯片.29 3.7.2 接口电路设计30 4 软件设计软件设计31 4.1 系统软件整体设计31 湖北工业大学毕业设计 5 4.2 系统初始化32 4.3 系统设置程序32 4.4 键盘33 4.4.1 系统初始化程序33 4.4.2 键盘扫描程序34 4.4.3 按键分析35 4.5 传感器报警信号处理程序36 4.5.1 中断初始化程序37 4.5.2 中断处理程序38 4.6 液晶显示程序39 4.6.1 端口的初始化39 4.6.2 控制管脚电平模拟程序39 4.7 RS485 的通信程序.41 4.7.1 数据传输协议41 4.7.2 传输方式41 4.7.3 消息帧41 4.7.4 SP430 地址位多机协议通讯程序 .43 4.8 A/D 转换部分44 4.8.1 端口初始化程序44 4.8.2 SPI 串口初始化程序.45 4.8.3 转换程序45 5 系统总结与展望系统总结与展望47 5.1 系统总结47 5.2 系统展望47 结论结论49 致谢致谢50 参考文献参考文献51 附录一（外文翻译）附录一（外文翻译）52 6 1 绪论绪论 1.1 家用安全防盗系统的发展与现状家用安全防盗系统的发展与现状 随着科技信息的发展，电子智能防盗系统在现代化家庭安全防范建设中扮 演了越来越重要的角色，受到越来越多的人的欢迎。在传统的防盗系统中，人 们安装防盗门、防盗窗，物业公司雇佣了大量的保安人员，并有布防周密的安 全巡逻等措施，但是非法进入社区的事件还是频有发生，这类案的作案手法一 般都非常隐蔽，很难被发现，等到发现的时候已经造成严重的财产损失。这些 都显示出传统安防方式耗费了很大的人力物力，但还是存在很大的疏漏和弊端。 家庭安防极为重要的内容之一就是确保住宅、住户的安全。在科技高度发达的 现代社会，我们更多的要依靠科技的力量来家人和财产，采用智能安全防盗系 统可以使您在拥有美好生活的同时，确保家庭的安全。随着国家智能化小区建 设的推广，防盗系统已经成为智能小区的必需设备，特别是近几年，安全防范 的迫切需要给家庭防盗报警系统留下了越来越防范的市场。 智能化防盗技术经历了 20 多年的发展，已从原来的初步阶段步入到快速发 展阶段由模拟监控系统快速的发展成为现在的数字化、网络化、智能化。智能 化防盗技术的主要内涵式其服务的信息化、图像存储和处理、数据存储和处理 等等。一个完整的只能安全防范系统主要包括门禁、报警、监控四大部分。防 盗系统的主控芯片就是利用单片机对各种传感器、探测器所采集的信号进行存 储于分析，以达到智能控制的目的。 从国内来看，比较高档的一般为进口货，价格昂贵，且安装维护复杂。国 内产品尽管不少，但多为模拟电路形式，且结构和功能简单，可靠性差。本文 利用单片机技术和传感器技术，开发一种便宜、简单、可靠的家用防盗系统。 非常便宜的造价可以让大多数家庭都使用的起，非常简单方便的安装完全可以 由个人自己动手完成，并且系统的设备都是体积都非常小巧，便于安装在家庭 里，不会影响家装的美观。家是每个人心灵的港湾，是生活的支柱，对于大多 人来家说意味着安全、温馨、舒适，而家庭安全的保护除了法律的保护外，也 更需要在设备，人力上的保障。而安全防范设备绝对是家庭安全的重要保护伞， 湖北工业大学毕业设计 7 为了一个安全的家，人们肯定会非常重视家庭安防，所以家庭安防绝对有着长 远而强势的发展前景。 智能化防盗技术的发展与进入二十一世纪信息技术的腾飞正迈入一个全新 的领域，智能化安防技术与计算机之间的界限正逐步消失。目前，智能化防盗 技术的发展已取得了瞩目的成就，随着企业和住宅小区需求的凸显，数字化智 能报警系统当前面临新的发展契机。 1.2 本课题研究的内容与意义本课题研究的内容与意义 本课题研究的主要内容是利用传感器探测家庭的异常侵入，然后将探测到 的信息传送给单片机处理，单片机经过分析后，然后做出应对反应。用户可以 根据自己的需要在合适的位置安装传感器，并且可以软件设置传感器的工作情 况。在进入系统设定前，需要有密码认定，通过密码认定后才可以修改系统设 定参数。这样可以保证系统不会被其他人随意改变，也能够根据需要修改系统 的工作状况。比如可以根据用户的需要设定某个位置的某个传感器在特定的时 间内工作，在特定的时间内部工作。传感器传将探测到的信息发送给单片机后， 单片机可以根据设置，分析异常入侵的情况，如果真的发生了异常入侵，单片 机会触发报警设备，像安装在用户住宅外部的报警器等。并且还可以通过 RS485 控制总线，将整个小区所有住宅联接成一个防盗报警网络，在小区统一 设置防盗报警控制中心，在控制空心可以监控整个小区的安全情况，在发生异 常侵入的时候可以由监控中心及时做出反应。这样既降大大低了小区安全防盗 的成本，也提高了安防效率。 现在有很多家用防盗系统是基于 MCS51 单片机设计的，但由于 51 单片机 在运算速度，引脚等多方面的局限性，导致整个防盗系统的功能有限，不能满 足高性能防盗的要求。本课题采用 TI 公司生产的 MSP430 单片机作为主控芯片， MSP430 系列单片机是一种 16 单片机。由于它具有集成程度高、外围设备丰富、 超低功耗等优点，因此在许多领域内除超低功耗外，得到了广泛的运用。由于 MSP43 系列单片机的最高频率可以工作到 8MHz，指令执行的时间只需要 4 个 机器周期，是 51 系列单片机远远达不到的，因此该系列单片机具有非常强的处 8 理能力，最高可以 2MIPS，非常适合一些对处理要求比较高的系统。 本课题采用了一些现在运用技术非常纯熟的传感器，比如像红外对管等， 这些都是在工业上运用的很多的期间，由于已经被广泛运用批量生产，所以价 格也是非常的便宜，通常一只对射管，只要几毛钱而已。而它的功能却非常的 稳定，可以工作起来几乎很少出差错，并且能耗都是在微瓦级别的，是非常节 能的。这也是为传感器长时间工作提供了一个比较的基础。 本课题采用了多种传感器，这些传感器可以配合工作，一起监控某个区域， 这样既可以提高监控的可靠性，也可以减少因为某些偶然因素引起的系统误报 警。有这些传感器在市场上虽然都是比较低端的产品，但其出色的性能表现足 以满足家庭安全防范的要求，在实际效果上绝对不逊色于市场上一些主流防盗 产品，所以本课题的设计具有极高的性价比与可行性。 与其他电子防盗系统相比，本课题设计的优势有： 1、系统结构简单，防盗效果好 本同没有采用一些结构复杂的传感器和控制芯片，而使用的都是一些结构 原理比较简单的元器件。虽然在某些功能上比不上一些特殊的传感器，但是由 于合理的设计和家庭的特殊使用环境，这些简单的设备组合在一起，就具有非 常出色的性能。结构简单安装起来也非常方便，并且可以根据用户的需要自己 的需要设计传感器的安装位置等。 2、针对性强，操作简单 本课题设计的家用防盗系统可以根据用户的住宅，用户的特殊需求来做出 调整，调整起来也只是线路问题，非常便于操作。虽然系统采用的是 44 的键 盘，LCD 液晶显示，设备略显简陋。但是，这些简单的设备使用起来非常的方 便。用户只需要做简单的设置，系统就会自动按照设置运行，操作起来非常的 简单易行。 3、质量可靠，故障率低 评判电子设备性能的一个非常重要的指标就是稳定性，功能再好，但是老 是出问题，那也不会是一个好的系统。现在中国生产的很多电子产品都有功能 多，质量差的特点。而本课题设计的防盗系统，从实用稳定着手，把稳定实用 放在第一位，让系统真正“好用” 。 湖北工业大学毕业设计 9 4、成本低，便于推广 由于本系统大量使用一些简单的元器件，所以造价非常低廉，这样可以让 一般的家庭都买的起。与市面上其他的防盗系统相比，在功能相仿的前提下， 本系统有着非常大的价格优势，可以让更多的人们享受到科技防盗的成果。 5、便于维护，维护成本低 本课题设计由于采用的都是使用目前使用的比较成熟的设备，这些设备无 论从购买、维修还是使用其他资源，都是非常方便的。维护起来比较简单易行， 不需要专业人员，自己就可以动手维护，非常方便。维护的成本也是很低的， 可以避免在系统适用中出现二次投资的情况。 本系统设计的另一个非常重要的特点就是极强的系统扩展性，因为运用了 性能较高的 16 为单片机，为系统的扩展奠定了基础。如果用户需要可以扩展如 视频监控，自动拨号报警，扩展 Internet 连接等功能。 10 2 系统整体系统整体方案设计方案设计 2.1 整体结构设计整体结构设计 MSP43下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 LCD下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 RS485 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 本系统以 MSP430 单片机为控制中心，外接了五种传感器：压力传感器， 红外对管，红外光电开关，热释电红外传感器和玻璃破碎传感器。输入设备采 用 44 的键盘，输出设备采用 MG-12232 大液晶显示屏，通过键盘输入密码后， 可以设定传感器的工作状态、工作时间，可以查看系统的工作日志。当传感器 检测到异常情况，并确定有异常侵入时，单片机会触发报警输出设备发出声光 报警。并且可以通过 RS485 总线将报警信息发送到监控中心，让监控中心对异 常情况作出反应。 用单片机将传感器连接成一个系统，统一配置传感器的工作，这样可以准 确探测到异常情况，并且有效的排除错误的探测信息，以提高系统的准确性和 稳定性。由于采用了性能比较高的单片机，所以系统保留了较高的可扩展性， 可以实现监控视频，自动短信报警等功能。 本课题设计的最大的特色在于，简单、稳定、可行性高，对于一般家庭来 说，有着非常好的实用性和易实施性。 湖北工业大学毕业设计 11 2.2 系统硬件选型系统硬件选型 2.2.1 CPU 选择选择 在很多类似的家用防盗系统中，很多的主控芯片都是靠传统 51 芯片完成的。 但 51 芯片有一下缺点： 1、引脚少 51 单片机在处理比较复杂的系统的时候其 I/O 口很实在很难满足需要，很 多时候都必不可免的需要扩展接口，但是扩展接口需要专门的接口芯片，让系 统的软、硬件变的更复杂，降低了系统的稳定性也增加了设计的难度。本系统 需要接键盘、液晶显示、A/D 转换、多种多个传感器，RS485 总线，如果使用 51 单片机，那需要比较多的扩展芯片，会让系统变得冗余复杂。 2、中断、定时器等资源有限 在处理比较小的系统的时候，51 单片机的两个定时器 5 个中断还是足够应 付的，但一旦系统软件设计比较复杂的时候，为了完成比较复杂的系统功能， 可能需要多个定时器同时工作，这时候 51 单片机的两个定时器基本上是很难满 足需要的。本系统如果多个传感器同时触发中断，此时需要实时控制多个传感 器，这时候对于 51 单片机来说，几乎不可能完成。 3、51 计算速度慢 51 作为 8 位单片机，其指令采用的是“CISC”的复杂指令，一共具有 111 条指令。而 MSP430 是 16 位单片机，采用精简指令“RISC”只有 27 条简洁的 指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加 多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。 虽然从成本上来说，传统的 51 单片机确实要比 MSP430 要便宜一些，但是 高性能的 51 系列，比如 STC89C52，C8051F 的价格跟 MSP430 相比也相差不 多。但 MSP430 更为强大的功能，显然是具有更高的性价比。并且 51 作为最早 进入中国的单片机，虽然现在任占有很大的市场份额，但跟 TI 公司近几年推出 的 MSP430 相比，51 单片机是逐渐将被淘汰的产品，16、32 位单片机肯定将占 领市场的主动。就本系统而言，使用 MSP430 单片机，其引脚数量更多，片内 功能模块更多，计算速度更快，显然能够更好的完成系统中最重要的中控功能。 12 MSP430 的技术说明： 1、引脚图 2、引脚功能说明 MSP430 系列单片机最多有 6 个 I/O 口：P1P6，每个端口有 8 个管脚。每 个管脚可以单独设置成输入或者输出方向，并且每个管脚都可以单独的读或者 写。P1 口和 P2 口具有中断功能，P1 口和 P2 口的每个管脚都可以单独设置成 中断，并且可以设置成上升沿或者下降沿触发中断。P1 口的所有管脚共用一个 中断向量，同样 P2 口也共用一个中断向量。AVCC 为模拟正电源，AVSS 引脚内 部链接与 DVSS，DVCC 为数字正电源端，DVSS 为数字地，NC 为空角，P1.0 为通 用数字 I/O 并复用其他功能。 3、处理单元 处理单元基于相容的正交设计的 cpu 和指令集，这种设计结构源于类似的 精简指令系统，具有高度的应用开发透明性并且易于设计。除了流程控制指令 外，所有的操作系统和寄存器操作类似，其中源操作数有七种寻址方式，目标 操作数有四种寻址方式。 4、中央处理器 CPU 中包含的 16 个寄存器用于缩短指令执行时间，可以在一个时钟周期内 DVcc 1 P6.3/A3 2 P6.4/A4 3 P6.5/A5 4 P6.6/A6 5 P6.7/A7 6 VREF+ 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 VeREF+ 10 VREF-/VeREF- 11 P1.0/TACLK 12 P1.1/TA0 13 P1.2/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SMCLK 16 P1.5/TA0 17 P1.6/TA1 18 P1.7/TA2 19 P2.0/ACLK 20 P2.1/TAINCLK 21 P2.2/CAOUT/TA0 22 P2.3/CA0/TA1 23 P2.4/CA1/TA2 24 P2.5/Rosc 25 P2.6/ADC12CLK 26 P2.7/TA0 27 P3.0/STE0 28 P3.1/SIMO0 29 P3.2/SOMI1 30 P3.3/UCLK0 31 P3.4/UTXD0 32 P3.5/URXD0 33 P3.6 34 P3.7 35 P4.0/TB0 36 P4.1/TB1 37 P4.2/TB2 38 P4.3 39 P4.4 40 P4.5 41 P4.6 42 P4.7/TBCLK 43 P5.0 44 P5.1 45 P5.2 46 P5.3 47 P5.4/MCLK 48 P5.5/SMCLK 49 P5.6/ACLK 50 P5.7/TBoutH 51 XT2OUT 52 XT2IN 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0/A0 59 P6.1/A1 60 P6.2/A2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 湖北工业大学毕业设计 13 完成寄存器与寄存器间的操作。其中 4 个寄存器作用特殊：一个是程序计数器， 一个堆栈指针，一个状态寄存器和一个常数发生器。其余寄存器都可以用作通 用寄存器。外围模块通过数据、地址和控制总线与 CPU 相连。通过所有存储器 操作指令可以很容易的对他们进行控制。 5、指令集 采用寄存器寄存器结构的指令系统，提供一种非常强大易用的汇编语 言，整个指令集由 51 条指令构成，具有四种格式和七种寻址方式。 6、工作方式 通过对不同模块操作模式和 CPU 状态的智能化管理，MSP430 芯片的工作方 式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求，即便在中断处理期间也一样。一 个中断时间可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过 RETI 指令返回到中断以 前的工作状态。系统适用的时钟信号有 ACLK 和 MCLK。ACLK 就是晶振的频率信 号，MCLK 和 SMCLK 是 ACLK 的倍频信号，作为系统和子系统时钟。 下面是芯片支持的六种工作方式： 1、活动方式（AM）：CPU 和不同组合的外围模块被激活，处于活动状态。 2、低功耗方式 0（LPM0）：CPU 停止工作，外围模块继续工作，ACLK 和 SMCLK 有效，MCLK 的环路控制有效。 3、低功耗方式 1（LPM1）：CPU 停止工作，外围模块继续工作，ACLK 和 SMCLK 有效，MCLK 的环路控制无效。 4、低功耗方式 2（LPM2）：CPU 停止工作，外围模块继续工作，ACLK 有效， SMCLK 和 MCLK 环路无效。 5、低功耗方式 3（LPM3）：CPU 停止工作，外围模块继续工作，ACLK 有效， SMCLK 和 MCLK 环路控制无效，并且数字控制振荡器（DCO）的 DC 发生器被关闭。 6、低功耗方式 4（LPM4）：CPU 停止工作，外围模块继续工作（如果提供 外部时钟） ，ACLK 信号被禁止（晶体振荡器停止工作） ，SMCLK 和 MCLK 环路控制 无效，并且数字控制振荡器（DCO）的 DC 发生器被关闭。 外围模块： 通过数据总线、地址总线和控制总线和 CPU 相连的外围模块，可以通过所 14 有内存操作指令进行控制。 振荡器和系统时钟： 本系统可以使用四种时钟： 主系统时钟信号 MCLK，供 CPU 和系统适用； 子系统（控制）时钟 SMCLK，供外围模块使用； 辅助时钟 ACLK，由 LFXT1CLK（晶振频率）产生，供外围模块使用； ACLK 源自低功耗，低频率，或高频率晶体构成的振荡器，或者来自外部时 钟源（XTS_FLL 必须置 1） 。当前的操作模式不使用 ACLK 时，可以关闭晶体振荡 器。 2.2.2 传感器选择传感器选择 现在使用比较多的家用防盗传感器主要有： 1、热释电红外传感器 热释电红外传感器的工作原理是，由于人体一般是恒温 37，所以会发出 特定的 10M 左右的红外线，而热释电红外传感器会接收人体发射的这种红外 线，将其转化为电信号最终转化为开关量提供给单片机。由于热释电红外传感 器有本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉，技术稳 定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 2、微波雷达传感器 微波雷达传感器是一种将微波收，发设备合置的探测器，工作原理基于多 普勒效应。微波的波长很短，在 1MM1MM 之间，因此很容易被物体反射。微 波信号遇到移动物体反射后会产生多普勒效应，即经反射后的微波信号与发射 信号会产生微小的偏移，此时可认为报警产生。如果安装恰当就很难被破坏， 而且可以隔墙监视。但缺点是安装要求高，如果安装不得当，微波信号会穿透 强壁而导致频繁误报，且容易受到电波的干扰。 3、玻璃破碎探测器 利用压电陶瓷的压电效应可以制成玻璃破碎入侵探测器。对高频的玻璃破 碎声音（10K15KHz）进行有效探测，可以广泛运用于各类玻璃破碎的检测。 其稳定的性能，出色的探测能力被广泛的运用于安防系统中。 4、超声波传感器 湖北工业大学毕业设计 15 利用人耳听不到的超声波（20000Hz 以上）来作为探测源的报警探测器成 为超声波探测器，它是用来探测移动物体的空间探测器。安装超声波探测器的 空间密封性要求高，不应有大容量的空气流动，不能有过多的门窗且须紧闭。 应该避开通风及气体的流动。超声波对物体没有穿透性，因此使用时应避免物 体的遮挡。 5、红外对管传感器 红外对管传感器分为发射管和接收管，在一定距离内，发射管发射的红外 线如果被接收管接受到，此时接受管会有电平跳变。红外对管传感器的接收距 离很短，一般在 02CM 之间，工作非常稳定，功耗也非常小，非常适合安装在 窗户上。当有人划开窗户时，窗扇上的红外接受管，接受不到安装在窗棂上的 红外发射管发射的红外线，此时接受管将发生电平跳变。将此跳变传输给单片 机，便可非常可靠的判断出窗户被打开。 6、红外光电开关 红外光电开光是一种可以自己发射红外线，并且自己接受红外线的设备。 如果红外光电开关前面有阻挡物时，阻挡物会反射一部分的红外线，这时候的 反射的红外线会被红外光电开关接收到，此时输出的高低电平会有跳变。如果 没有遮挡物那么输出的高低电平便不会有变化。红外光电开光的优点在于探测 范围相对较大一般可达到 01M，并且相当稳定，抗干扰能力强，不会受到外 界的声光干扰。并且安装方便，价格便宜。 7、无线门磁传感器 门磁是接近开关的一种，可以是光的，也可以是磁的。光电的成本高，永 磁的原理就好像继电器的原理一样，当门磁相对时 ，报警器的开关因无磁体的 吸引受内部弹簧的拉力影响，使开关闭合，报警器工作，产生报警。但是门磁 传感器体积比较大，安装不太方便，并且价格稍有些贵。 8、重力传感器 重力传感器是一种可以把压力转换成电信号的传感器，压力传感器的体积 非常小，灵敏度也比较高，除了可以探测到有重物外，还可比较精确的测量出 物体的重量，这样也给安防提供了非常总要的线索。 综合以上原因比较分析，考虑到传感器的稳定性、实用性、可行性后，本 16 课题选择了热释电红外传感器、红外对管传感器、红外光电开关、玻璃破碎传 感器合重力传感器五种传感器。这五种传感器工作原理都相对比较简单，探测 非常准确，工作可靠性也很高，造价也比较合适，非常适合家用防盗系统。 防盗系统除了准确的探测出异常情况外，还有非常重要的一点就是要尽量 减少误报率，所以设计在使用传感器时，在居室的重点位置实行“重点设防， 多重监测” 。具体就是在居室非常重要的地方，比如门，窗等容易受到非法侵入 的位置同时安装多种传感器，让多种传感器同时监测同一位置。这样做的目的 就是为了重点监测重点位置，同时当某个传感器出现意外状况而误报时，通过 检测其他传感器的状态可以做出正确的判断，从而减少误报。 可以居室的正门口安装红外对管传感器和红外光电开关，在进门的附近区 域安装上热释电红外传感器，有这三个传感器同时检测这一个区域，当这个区 域出现异常门被打开时，三种传感器会同时检测到门被打开，此时就可以判定 确实门被异常打开，可以发送报警信号。如果一个传感器检测到异常，而另外 两个传感器没有检测到异常，房间里其他位置的传感器也没有检测到异常，此 时不会有报警信号发出，而是将设备故障信息发送到单片机。 湖北工业大学毕业设计 17 3 系统硬件电路系统硬件电路设计设计 3.1 CPU 外围电路设计外围电路设计 DVcc 1 P6.3 2 P6.4 3 P6.5 4 P6.6 5 P6.7 6 NC 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 NC 10 NC 11 P5.1/S0 12 P5.0/S1 13 P4.7/S2 14 P4.6/S3 15 P4.5/S4 16 P4.4/S5 17 P4.3/S6 18 P4.2/S7 19 P4.1/S8 20 P4.0/S9 21 P3.7/S10 22 P3.6/S11 23 P3.5/S12 24 P3.4/S13 25 P3.3/S14 26 P3.2/S15 27 P3.1/S16 28 P3.0/S17 29 P2.7/S18 30 P2.6/CAOUT/S19 31 P2.5/S20 32 P2.4/S21 33 P2.3/S22 34 P2.2/S23 35 COM0 36 P5.2/COM1 37 P5.3/COM2 38 P5.4/COM3 39 R03 40 P5.5/R13 41 P5.6/R23 42 P5.7/R33 43 P2.1 44 P2.0/TA2 45 P1.7/CA1 46 P1.6/CA0 47 P1.5/TACLK/ACLK 48 P1.4 49 P1.3/SVSOut 50 P1.2/TA1 51 P1.1/TA0/MCLK 52 P1.0/TA0 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0 59 P6.1 60 P6.2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 * 12 32KHz xtal 0.01uF C104 Cap 0.01uF C103 Cap RESET TCK TDO TDI TMS 0.01uF C101 Cap 12 8MHz XTAL 0.01uF C102 Cap MSP430F149 EN OUTIN GND NC TPS370633 VCC 0.1uF Cap Cap Cap VCC Cap VCC GND RESET MSP430 支持超低功率，它在低频模式下使用一个 32KHz 的晶体。32KHz 的晶体连接在 XIN 和 XOUT 管脚，不需要任何的电容，在低频模式下内部提供 了集成的电容。低速晶体振荡器在高频模式下可以在 XIN 管脚选择外部时钟信 号。MSP430 也有一个高速晶体，与低速晶体不同的是高速晶体振荡器需要的 功耗更大。高速晶体振荡器需要外接高速晶体在 XIN2 和 XOUT2 两个管脚外接 电容。在单片机应用中必须提供复位信号，以保证单片机能够进行正确的复位， 从而进入正确的工作状态。此外，单片机也需要稳定的电压信号，因此必须提 供电源电路。上图所示为电源电路。 18 由图可以看出，输入电压经过 TPS70633 芯片转换成 3.3V 的电压，以满足 单片机的工作电压要求。通过 MAX809STR 产生复位信号送给单片机。为了减 小干扰，每个芯片的电源端都加上一个 0.1F 的电容进行滤波处理。 3.2 键盘电路设计键盘电路设计 矩阵键盘电路主要利用 MSP430 单片机的一般 I/O 口来进行扩展设计。矩 阵键盘由行线和列线组成。矩阵键盘通过扫描来实现捕获键盘的输入。所谓扫 描就是单片机不断的对行线一次设置低电平，然后检查列线的输入状态，从来 确定键盘是否有输入。如图所示为键盘的电路设计。 在图中，P4.0，P4.1，P4.2，P4.3，分别是键盘的列线。P4.4，P4.5，P4.6 和 P4.7 分别是键盘的行线。列线为输出口，行线为输入口。当往行线上输出低 电平，如果键盘中某个键被按下时，则某个列线为低电平，单片机读取该列线 的状态就可以判断哪个键被按下，这就是键盘的扫描原理。 S01 S02 S03 S04 S05 S06 S07 S08 S09 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 R04 R03 R02 R01 P4.0 P4.1P4.2P4.3 R05 R06 R08 R07 P4.4 P4.5 P4.6 P4.7 VCC 湖北工业大学毕业设计 19 3.3 传感器电路传感器电路 本课题主要使用了四红外对管，光电开关和热释电传感作为主要探测器件， 先对这几种传感器的性能做简要介绍： 3.3.1 光电开关光电开关 光电开关，以光源为介质、应用光电效应，当光源受物体遮蔽或发生反射、 辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大小和明暗，而向产生接点和 无接点输出信号的开关元件。光电开关包括几种类型，自身不具备光源，利用 被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然光对光电开关的照射，物体 遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光源，发射的光源对被检测物 体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测。常用的光源为紫外光、可见光、 红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、激光管等；输出信号有开关 量或模拟量和通讯数据信息等。此种产品以光源为介质、应用光电效应，当光 源受物体遮蔽或发生反射、辐射和遮光导致受光量变化来检测对象的有无、大 小和明暗，而向产生接点和无接点输出信号的开关元件。光电开关包括几种类 型，自身不具备光源，利用被测物体发射的光的变化量进行检测的；利用自然 光对光电开关的照射，物体遮蔽自然光产生的关变化量；光电开关自身具备光 源，发射的光源对被检测物体反射、吸收、和透射光的变化量进行检测。常用 的光源为紫外光、可见光、红外光等波段的光源，光源的类型有灯泡、LED、 激光管等。 光电开关的使用电路连接图如下： 20 的常开输出输出的是 35V 的直流电压，可以直接跟单片机的 I/O 口相连接， 不需再接其他转换电路，工作起来非常的方便。 3.3.2 红外对管红外对管 红外对管一般由红外放射管和红外接受管组成，发射管可以发射红外线， 而接收管可以接收红外线。接收管在接收到红外线的时候会有电平的跳变，把 这个跳变传送给单片机，就可以触发中断。红外对管的有效工作距离比较短， 一般只有 01CM，但是工作非常稳定，非常适合长时间工作。这样可以把红外 对管安装在门床上，这样当 3.3.3 热释电红外传感器热释电红外传感器 热释电红外传感器是通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利 用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑 色膜，若有红外线间歇地照射，其表面的温度上升 T，其晶体内部的原子排 列将发生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压 U，常用的热 释电红外光敏材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸四甘肽 及肽酸铅等。 热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件） 、 偏执电阻、EMI 电容等元器件组成，其内部电路框图如下所示： 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 EMI 下 下 GND D S 光学滤光镜的主要作用是只允许波长在 10m 左右的红外线（人体发出的 红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。 红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这连个热释电元件的 湖北工业大学毕业设计 21 电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的 热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人侵入探测区域内，人体辐 射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接受，由于角度不同，两片热释电元件 接受到的热量不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。 CS9803GP 是为热释电红外传感器配套设计的专用集成电路，采用 CMOS 工艺制造。器外围器件打打减少，节约了空间和成本及调试时间，提高整机可 靠性。非常合适作为家用防盗传感器。 性能特点： 工作电压为 4.0V5.5V(DC),工作电流小于 1mA。 外界振荡电阻、电容。 外接有硫化镉（CDS）传感器，白天抑制输出。 输出可驱动继电器可控硅。 控制时间可调。 内置稳压输出 3.1V 直接驱动 PIR。 集成过零检测，交流电源同步触发，降低电源污染。 与 WELTREND 公司 WT8072 兼容。 DIP16 封装。 传感器外围电路图： 22 电路图中的 PIR 为被动红外探测器，PIR 感应信号经内部放大，如果判断 有触发则输出高电平，这个时候计时检测电路开始计时，当计时达到一定时间 后，跳为高电平。CDS 接内部斯密特触发器，白天 CDS 阻值低，斯密特反向 器输出为低，抑制输出；天暗则相反，斯密特反向输出器为高。当红外探测器 检测到人体红外时，TRIAC 端口会有高电平输出，将此引脚与 MSP430 单片机 连接起来即可完成红外监测。 3.3.4 传感器连接电路传感器连接电路 红外光电开关、热释电传感器和玻璃破碎传感器通过一个三极管后，连接 到 MSP430 的 I/0，连三级管的作用是为了保护单片机。传感器主要连接到单片 机的 P1、P2 管脚，因为 P1、P2 每个口都可以设置成中断输入端口。下图为传 感器的连接图： DVcc 1 P6.3 2 P6.4 3 P6.5 4 P6.6 5 P6.7 6 NC 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 NC 10 NC 11 P5.1/S0 12 P5.0/S1 13 P4.7/S2 14 P4.6/S3 15 P4.5/S4 16 P4.4/S5 17 P4.3/S6 18 P4.2/S7 19 P4.1/S8 20 P4.0/S9 21 P3.7/S10 22 P3.6/S11 23 P3.5/S12 24 P3.4/S13 25 P3.3/S14 26 P3.2/S15 27 P3.1/S16 28 P3.0/S17 29 P2.7/S18 30 P2.6/CAOUT/S19 31 P2.5/S20 32 P2.4/S21 33 P2.3/S22 34 P2.2/S23 35 COM0 36 P5.2/COM1 37 P5.3/COM2 38 P5.4/COM3 39 R03 40 P5.5/R13 41 P5.6/R23 42 P5.7/R33 43 P2.1 44 P2.0/TA2 45 P1.7/CA1 46 P1.6/CA0 47 P1.5/TACLK/ACLK 48 P1.4 49 P1.3/SVSOut 50 P1.2/TA1 51 P1.1/TA0/MCLK 52 P1.0/TA0 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0 59 P6.1 60 P6.2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 * 12 32KHz xtal 0.01uF C104 Cap 0.01uF C103 Cap RESET TCK TDO TDI TMS 0.01uF C101 Cap 12 8MHz XTAL 0.01uF C102 Cap MSP430F149 EN OUTIN GND NC TPS370633 VCC 0.1uF Cap Cap Cap VCC Cap VCC Res2 VCC SENSOR1 SENSOR 2 VCC GND RESET 而重力传感器则需要接 A/D 转换后再接到单片机上，接线图如下： 湖北工业大学毕业设计 23 DVcc 1 P6.3 2 P6.4 3 P6.5 4 P6.6 5 P6.7 6 NC 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 NC 10 NC 11 P5.1/S0 12 P5.0/S1 13 P4.7/S2 14 P4.6/S3 15 P4.5/S4 16 P4.4/S5 17 P4.3/S6 18 P4.2/S7 19 P4.1/S8 20 P4.0/S9 21 P3.7/S10 22 P3.6/S11 23 P3.5/S12 24 P3.4/S13 25 P3.3/S14 26 P3.2/S15 27 P3.1/S16 28 P3.0/S17 29 P2.7/S18 30 P2.6/CAOUT/S19 31 P2.5/S20 32 P2.4/S21 33 P2.3/S22 34 P2.2/S23 35 COM0 36 P5.2/COM1 37 P5.3/COM2 38 P5.4/COM3 39 R03 40 P5.5/R13 41 P5.6/R23 42 P5.7/R33 43 P2.1 44 P2.0/TA2 45 P1.7/CA1 46 P1.6/CA0 47 P1.5/TACLK/ACLK 48 P1.4 49 P1.3/SVSOut 50 P1.2/TA1 51 P1.1/TA0/MCLK 52 P1.0/TA0 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0 59 P6.1 60 P6.2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 * 12 32KHz xtal 0.01uF C104 Cap 0.01uF C103 Cap RESET TCK TDO TDI TMS 0.01uF C101 Cap 12 8MHz XTAL 0.01uF C102 Cap MSP430F149 EN OUTIN GND NC TPS370633 VCC 0.1uF Cap Cap Cap VCC Cap VCC GND RESET TLV2541 CS SD0 GND Vref AINSCLK FS Vcc SENSOR 如上图，重力传感器通过 TLV2541 芯片 A/D 转换后将转换后的数据通过 SPI 方式传送给 MSP430 单片机。 3.4 液晶显示电路液晶显示电路 液晶显示器不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字， 并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能，用途十 分广泛。由于液晶模块与单片机的借口是通过液晶显示驱动芯片与单片机接口 实现的,下面介绍液晶驱动芯片。 24 MG-12232 液晶模块是信利公司的产品，MG-12232 供电模块供电电压的典 型值为 3V，工作电流的典型值为 0.3mA,很适合 3V 的低功耗环境。该模块可显 示范围为：12232 点阵，即能实现所谓的“双显双排” 。MG-12232 液晶模块 采用驱动芯片是两片 SED1520F0A，每一片 SED1520F0A 控制器可以驱动 16 行 80 列。下面对 SED1520F0A 芯片进行介绍，为了便于硬件电路设计，首先介 绍 SED1520F0A 芯片的接口信号。 SED1520F0A 属于行列驱动及控制合一的小规模液晶显示驱动芯片，它用 来与单片机进行接口。单片机通过该驱动芯片来实现数据显示，因此该芯片的 管脚信号大致分成两类：单片机接口信号和液晶驱动信号。由于液晶驱动信号 与单片机的具体处理无关。用户使用时可以不考虑其内部的具体是怎么样实现 的，因此这里只是简单介绍 SED1520F0A 芯片与单片机接口信号。其信号如下： D0D7：数据总线。 A0：数据/指令选择信号。当 A0 为 1 时，表示出现在数据总线上的是数 据；当 A0 为 0 时表示出现在数据总线上的是指令或读出的状态。 RES 接口时序选择。但 RES 为 1 时，操作时序为 M6800 时序，其操作 信号是 CE 和 R/W；当 RES 为 0 时，操作时序为 Intel8080 时序，操作信号时 RD 和 WR。 RD(CE):当操作时序为 Intel8080 时序时，该信号为读，低电平有效；当 操作时序为 M6800 时序时，该信号为使能信号。 WR(R/W):当操作时序为 Intel8080 时序时，该信号为写信号，低电平有 效；当操作时序为 M6800 时序时，该信号为读、写信号。当 R/W 为 1 时，为 读信号；当 R/W 为 0 时，为写信号。 在了解驱动芯片的接口信号后，下面来介绍 MG-12232 的管脚，下面具对 具体的管脚进行介绍。 VCC： 电源管脚。 GND： 接地管脚。 V0： 液晶对比度电压。 RES： 接口时序类型选择管脚。 湖北工业大学毕业设计 25 E1、E2：使能管脚，分别控制 MG-12232 的两个显示区。 R/W： 读/写控制管脚。 A0： 寄存器选择管脚。 D0D7：数据总线。 SLA、SLK：背光管脚。 接口电路设计： 由前面的管脚介绍知道，接口电路非常接单。MSP430 单片机的的 P5 口的 P5.0、P5.1、P5.2 和 P5.3 分别与 MG-12232 的 A0、R/W、E1 和 E2 管脚连接。 单片机的 P4 口与 MG-12232 的数据总线进行连接。如图所示： VCC GND VO R/W RES 1 2 D5 D6 D7 SLA SLK D0 A0 E2 E1 D4 D3 D2 18 17 D1 Cap 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 10 3.3V 16 14 15 在模块的电源管脚处也放置一个 0