基于AT89C52单片机的防盗报警系统设计

1、基于at89c52单片机的防盗报警系统设计 目录实习分工情况1摘 要21 引言311发展概况312设计背景713设计任务与要求814防盗报警系统的构成915防盗报警器的分类102 总体设计方案1121方案选择1122系统总体设计13com功能要求15com设计1523系统的相关技术15com 传感器技术16com pir的原理特性18com pir结构特性及安装19com 单片机技术22com lm317概述3224系统软件设计35com流程图35com st89c52单片机的工作过程和工作方式36com数流程图3925主控芯片单片机的选择40com st89c52的主要性能42com st8

2、9c52的引脚结构4226传感器的选择42com传感器的红外辐射与红外探测的原理结构44com温原理44com外传感器的结构45com 菲涅尔透镜4827热释电红外传感器控制电路芯片选择493 系统硬件设计5131设计电路的功能和主要性能指标51com路的功能51com路的主要性能指标5132单元电路的设计过程5233整机电路和各部分电路的工作原理说明5334 模块电路57com 低频带通放大电路57com较整形电路58com压比较器的工作原理59com警电路59com示电路60com 供电电源电路61com路62com最小系统6235 主机电路设计63com路64com复位电路65com路6

3、8com电路70com红外探测器电路设计71com移传感器电路设计7236 电路元器件介绍7437设计电路的优缺点和进一步改进的设想754报警器软件设计7741程序语言设计77com言的分类77com汇编语言程序设计的基本步骤79com言程序设计方法7942 报警系统的程序设计79com设计79com断程序设计82com术83com断程序设计85com制字8643 关键代码88com盗报警系统程序 v1088com数定时计数器t189comt0中断函数89com断0布防撤防功能90com90com0初始化程序91com0中断服务程序925 系统测试926结论95参 考 文 献100致谢101实

4、习分工情况姓名考研实践任务报告任务陈东单片机控制代码软件设计步骤褚效维是整体流程构思与设计报告格式修正排版单凯是电路设计目录摘要流程图顾明洲电板焊接硬件设计步骤李菁是单片机控制代码软件设计步骤刘建飞电板焊接实践心得摘 要整个系统主要由st89c52芯片热释电传感器声光报警键控组成性能好工作稳定非常适合防盗报警领域而今制作简单成本低安装比较方便而且防盗性能比较稳定抗干扰能力强灵敏度高安全可靠这种防盗器安装隐蔽不易被盗贼发现同时它的信号经过单片机系统处理后利于跟pc机通信便于多用户统一管理该报警器能探测人体发出的红外线当人进入报警器的监视区域内即可发出报警声适用于家庭办公室仓库实验室等比较重要场合

5、防盗报警从上世纪初报警系统就已经在北美稍具雏形在北美报警呼救箱放置在街头巷尾在呼救时发出声响提示以寻求附近警察的帮助同时这种呼救箱直接连接到附近的警局使得稍远一些的警察也能够收到呼救信息随后由于通信技术的发展提供远程通信服务的电报公司加入到这个行业中从而使得报警信息可以通达到更远的地方不过这种电报方式毕竟难以普及所以稍后出现的电话理所当然地成为报警通讯的主要手段而此后自动拨号系统的出现以及电话普及到千家万户更使得通过电话线报警的方式得到了前所未有的发展从以上过程来看报警行业的发展是以工业技术发展为基础的只有具备良好的通信手段才能够把各地的报警信息汇聚到相应的权威部门然后由权威部门负责分配有限的

6、警力来帮助到所有的社会个体红外线不见光很强的隐蔽性和保密性因此在防盗警戒等安保装置中得到了广泛的应用热释电红外传感器热红外传感器是一种能检测人体发射的红外线红外perkinelmer 公司的lhi954lhi958美国hamastsu 图0-1实物图公司的p2288日本nippon ceramic公司的sca02-1rs02d等虽然它们的型号不一样但其结构外型和特性参数大致相同大 图1 热释电传感器实物图部分可以彼此互换使用热释电红外线传感器由探测元滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成如图0-1所示对不同的传感器来说探测元的制造材料有所不同如sd02的敏感单元由锆钛酸铅制成p2288由li

7、tao3 制成将这些材料做成很薄的薄片每一片薄片相对的两面各引出一根电极在电极两端则形成一个等效的小电容因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的因此形成的等效小电容能自身产生极化在电容的两端产生极性相反的正负电荷传感器中两个电容是极性相反串联的本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的家庭式电子防盗系统它在以前的防盗器基础上进行了很大的改进不但可以用于单一的住宅区也可以规模用于比较大规模住宅区的防盗系统它的工作性能好不易出现不报和误报现象安全可靠不仅如此它使用了单片机做信号处理器这样有利于与计算机相连接利用计算机统一管理使整个小区的住户基本情况资料等在计算机内存储起来方便来访人的查询和保安人员的

8、统一管理目前市面上装备主要有压力触发式防盗报警器开关电子防盗报警器和压力遮光触发式防盗报警器等各种报警器但这几种比较常见的报警器都存在一些缺点 1红外线不见光很强的隐蔽性和保密性因此在防盗警戒等安保装置中得到了广泛的应用12设计背景该报警器能探测人体发出的红外线当人进入报警器的监视区域内即可发出报警声适用于家庭办公室仓库实验室等比较重要场合防盗报警防盗由智能报警器及相关的控制管理软件组成通常使用双元件型热释电红外传感器在这种传感器内部两个敏感元件反相连接当人体静止时两元件极化程度相同互相抵消但人体移动时两元件极化程度不同净输出电压不为0 从而达到了探测移动人体的目的因此可把报警系统设置在外出布

9、防状态使探测器工作当有人闯入时热释电红外传感器将探测到动作设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号经放大电路比较电路送至门限开关打开门限阀门送出ttl 电平至st89c52单片机经单片机处理运算后驱动执行报警电路使警号发声4红外线具有隐蔽性在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人此类装置设计的要点其一是能有效判断是否有人员其二是尽可能大地增加防护范围当然系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标至于报警可采用声光信号现时社会治安问题严峻各种入室抢窃偷盗事件时有发生治安问题更加突出为了防护自己越来越多的家庭采用智能防盗报警产品防盗报警系统是利用探测器装置对建筑物内外

10、重要地点和区域进行布防探测当探测器探测到非法入侵报警器工作状态变为报警状态1可实现非法入侵报警2采用复合式防盗传感器热释电红外传感器和振动位移传感器并接使用增加报警可靠性3蜂鸣器报警并能显示出出事地点4采用双电源技术主电源停电或被切断被动电源自动工作14防盗报警系统的构成防盗报警系统是用物理方法或电子技术自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为产生报警信号并提示值班人员发生报警的区域部位显示可能采取对策的系统防盗报警系统是预防抢劫盗窃等意外事件的重要设施一旦发生突发事件就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点使于迅速采取应急措施防盗报警系统与出入口控制系统闭路电视监控系统访客对讲系统和

11、电子巡更系统等一起构成了安全防范系统防盗报警系统由探测器传感器控制器报警器显示器几部分构成如图所示控制器实现对热释电红外探测器和振动位移传感器的循环扫描并控制报警信号处理电路作出相应状态处理如果有报警信号的话延时12秒对该端口进行一次扫描确保真的有险情时立即发出报警信号控制报警电路报警同时通过数码显示单元显示具体的事发位置图1-1 防盗报警系统构成图15防盗报警器的分类1报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器微波报警探测器被动式红外微波报警探测器玻璃破碎报警探测器振动报警探测器超声波报警探测器激光报警探测器磁控开关报警探测器开关报警探测器视频运动检测报警器声音探测器等许多种类2报警探测器

12、按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器3报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器线控报警探测器面控报警探测器和空间防范报警探测器4防盗探测器采用电源分类可分为无源和有源两种从防盗探测器与报警主机后端处理器的连接方式可分有线与无线21方案选择防盗报警系统一般是由入侵探测器防盗报警控制器和接警中心硬件加软件组成它的最简单形式是本地家庭单位报警系统它的组成部分是入侵探测器和本地报警控制器以及声光报警器热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换由于探测元输出的是电荷信号不能直接使用因而需要将其转换为电压形式场效应管输入阻抗高达104m接成共漏极形式来完成阻抗变换使用

13、时d端接电源正极g端接电源负极s端为信号输出对于移动速度非常缓慢的物体如阳光两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的在回路中相互抵消再加上传感器的响应频率很低 一般为0110hz 即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄 一般为515um 因此传感器对它们不敏感因而无输出被动式红外报警器主要由光学系统热释电红外传感器信号滤波和放大信号处理和报警电路等几部分组成其结构框图如图2-1所示图中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

14、式输入从而加强其能量幅度热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大滤波延迟比较为报警功能的实现打下基础图2-1结构框图报警器结构图是将待测目标菲涅尔透镜热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图人体辐射的红外线中心波长为910um而探测元件的波长灵敏度在0220um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710um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biss0001是一款

15、高性能的传感信号处理集成电路静态电流极小配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器广泛用于人体通过传感器产生的信号通常使用双元件型热释电红外传感器在这种传感器内部两个敏感元件反相连接当人体静止时两元件极化程度相同互相抵消但人体移动时两元件极化程度不同净输出电压不为0 从而达到了探测移动人体的目的该设计包括硬件和软件设计两个部分模块划分为数据采集键盘控制报警和显示等模块子函数电路结构做成可划分为热释电红外传感器家庭智能报警器单片机控制电路led控制电路及相关的控制管理软件组成用户终端完成信息采集处理数据传送功能设定本地显示本地报警等功能就此设计的核心模块来说单片机就是设

16、计的中心单元所以此系统也是单片机应用系统的一种应用单片机应用系统也是有硬件和软件组成硬件包括单片机输入输出设备以及外围应用电路等组成的系统软件是各种工作程序的总称单片机应用系统的研制过程包括总体设计硬件设计软件设计在线调试等几个阶段就本设计来说也包括这些过程它们的进程框图如图2-2 所示图 2-2 单片机应用系统研制过程框图从设计的要求来分析该设计包含如下结构热释电红外传探头电路报警led显示控制电路及相关的控制管理软件组成图2-3 总体设计框图 处理器采用51系列单片机st89c52整个系统是在系统软件控制下工作的设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱转换成电信号经过放大电路比较电路送

17、至门限开关打开门限阀门送出ttl 电平至st89c52单片机在单片机内经过软件查询识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作当报警延迟10s一段时间后自动解除也可人工手动解除报警信号然后通过led显示报警次数当警情消除后复位电路使系统复位或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警com功能要求根据实际要求本文所研制的报警器的功能要求如下1可实现非法入侵报警2采用复合式防盗传感器热释电红外传感器和振动位移传感器并接使用增加报警可靠性3蜂鸣器报警显示出出事地点4采用双电源技术主电源停电或被切断被动电源自动工作com设计智能住宅安防报警系统

18、开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况根据我国住宅建设的实际情况为满足新时期居民的居住要求并充分考虑其经济性和可靠性探测器安装在用户家里需要防范的部位例如门窗厨房卧室等当系统开机时一旦有人入侵与之相应的报警探测器立即向用户端自动报警主机发出报警信号接到警情事件后自动报警主机立即进行确认确认无误后进行事件的现场声 蜂鸣器 报警同时显示出出事位置23系统的相关技术本系统主要有电源电路热释电红外传感器电路振动位移传感器模块st89c52控制电路警铃电路部分组成下面我们将简要介绍传感器技术和单片机技术com 传感器技术感应器技术是信息采集技术的第一步感应器是将能够感受到的及按规定被测量的按照一定的

19、规律转换成可用输出信号的器件或装置通常由敏感元件和转换元件组成其中敏感元件是指感应器中能直接感受或响应被测量 输入量 的部分转换元件是指感应器中能将敏感元件感受的或响应的感应量转换成适于传输和或测量的电信号的部分感应器的作用1信息的收集对某种特定要求需检测目标物的存在状态把某状态信息转换为数据对系统或装置的运行状态进行监测2信息数据的交换把以文字符号代码图形等多种形式记录在纸或胶片上的信息数据转换成计算机传真机等易处理的信号数据或者读出记录在各种媒介上的信息并进行转换3控制信息的采集检测控制系统处于某种状态的信息并由此控制系统的状态或者跟踪系统变化的目标值现在有关家庭防盗的传感器非常多有无线人

20、体热释电传感器无线门磁传感器振动位移传感器红外线反射开关无线探头门把手人体接近感应传感器雷达波人体检测无线探头等等本系统考虑到不仅要满足可靠探测的需要而且还需经济实用和安装操作简便所以选用了无线人体热释电红外传感器完成防盗监测当盗贼企图从门窗进入室内时无线人体热释电传感器能检测到人体移动的红外信号在电子防盗人体探测器领域中被动式热释电红外探测器的应用非常广泛因其价格低廉技术性能稳定而受到广大用户的欢迎被动式热释电红外探测器的工作原理在自然界任何高于绝对温度的物体都将产生红外光谱不同温度的物体其红外能量的波长是不一样的因此红外波长与温度的高低是相关的人体都有恒定的体温一般在37所以会发出特定波长

21、10um左右的红外线被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的人体发射的10um左右的红外线通过菲泥尔滤波光片增强后聚集到红外感应源上红外感应源通常采用一些热释电元件强介电质材料如钛镐酸铅钛酸钡等作成这种元件在接受到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡向外释放电荷电荷变化最终将以电压或电流的形式输出后续电路经检测处理后就能产生报警信号被动式热释电红外探测器的特性这种探头是以探测人体辐射为目标的所以热释电元件对波长为10um左右的红外辐射非常敏感为了仅仅对人体的红外辐射敏感在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片使环境的干扰受到明显的抑制作用被动红外探头其传感器包

22、含两个互相串联或并联的热释电元件而且制成的两个电极化方向正好相反环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用使其产生释电效应相互抵消于是探测器无信号输出一旦人侵入探测区域内人体红外辐射通过部分镜面聚焦并被热释电元件接收由于两片热释电元件接收到的能量不同热释电也不同不能抵消经信号处理并报警抗干扰性能防小动物干扰探测器安装在推荐的使用高度对探测范围内地面上的小动物一般不产生报警抗电磁干扰探测器的抗电磁波干扰性能符合gb10408安全防范国家标准的要求一般手机电磁干扰不会引起误报正确的安装应满足下列条件1红外线热释电传感器应离地面20-22米2红外线热释电传感器远离空调冰箱火炉等空气温度变化敏感的地

23、方3红外线热释电传感器探测范围内不得有隔屏家具大型盆景或其他隔离物4红外线热释电传感器不要直对窗口否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报有条件的最好把窗帘拉上红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方振动位移传感器高灵敏振动位移传感器是一种集振动和位移测于一身的全方固态控制器件是目前作为状态检测和报警的最佳选择传感部分采用目前先进固态加速度检测器件既对振动有很高的检测灵敏度又对周围环境的声音信号抑制具有很强的干扰能力可广泛应用于机动车保险柜门窗等场合的防盗装置中器件的内部均含有专用的控制芯片应用非常方便可直接带动小功率负载热释电红外线传感器通常使用双元件型热释电红外传感器在这种传感器内

24、部两个敏感元件反相连接当人体静止时两元件极化程度相同互相抵消但人体移动时两元件极化程度不同净输出电压不为0 从而达到了探测移动人体的目的com pir的原理特性热释电红外线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21mm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

25、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910um而探测元件的波长灵敏度在0220um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710um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

26、线传感器一旦人侵入探测区域内人体红外辐射通过部分镜面聚焦并被热释电元接收但是两片热释电元接收到的热释电也不同不能抵消经信号处理而输出电压信号在该探测技术中所谓被动是指探测器本身不发出任何形式的能量只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化并能使监控报警器产生报警信号从而完成报警功能com pir结构特性及安装使用时端接电源正极端接电源负极端为信号输出该传感器将两个极性相反特性一致的探测元串接在一起目的是消除因环境和自身变化引起的干扰它利用两个极性相反大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿对于辐射至传

27、感器的红外辐射热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上从而使传感器输出电压信号制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料它的探测波长范围为m为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外还能将灯光阳光和其它红外辐射拒之门外当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时电路中的传感器将输出电压信号然后使该信号通过一个由组成的带通滤波器该滤波器的上限截止频率为下限截止频率为由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱通常仅有左右而且是一个变化的信号同时菲涅尔透镜的

28、作用又使输出信号电压呈脉冲形式脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定通常为左右所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大本设计运用集成运算放大器来进行两级放大以使其获得足够的增益双探测元的结构其工作电路原理及设计电路如图2-5所示在vcc电源端利用c1和r2来稳定工作电压同样输出端也多加了稳压元件稳定信号当检测到人体移动信号时电荷信号经过fet放大后经过c2r1的稳压后使输出变为高电位再经过的转化输出out为低电平图2-5 热释电红外传感器原理图图2-6 菲涅尔透镜被动红外探测器光学系统的类型被动红外探测器光学系统包括菲涅尔透镜抛物面反射镜遮挡片三种类型图2-8 双元红外传感器示意图菲涅尔透

29、镜作用有两个一是聚焦作用即将热释的红外信号折射反射在pir上第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区 菲涅尔透镜是凸透镜将物体的红外影像投射在热电元件表面热释电红外传感器其热释电器件及前置放大电路封装在圆型金属帽内金属帽顶部方型开孔镶嵌有抗冷白光的硅红外滤光片底部有金属引脚分别为电源引脚地线引脚热电信号输出脚热释电器件是热释电传感器的核心元件是将热辐射变为电流的动态能量转换元件热释电器件的电特征属性是一个以热电晶体薄膜为电介质的平板电容器随着温度的改变热电晶体表面自发极化电荷其规模具有跟随变化的性质即热辐射可引起该电容器的电容量变化从而可利用这一特性来探测变化的热辐射热释电红外传感器包括单元

30、双元四元三种类型现在主要使用的是双元和四元传感器被动红外传感器优缺点优点主要为1本身不发射任何类型辐射安全可靠2价格低廉缺点主要为1容易受各种热源阳光源干扰2受环境温度限制环境温度和人体温度接近时灵敏度下降3针对被动红外探测器存在的缺点可以采用不同的措施来避免产品误报和漏报现象一方面是采用新技术来加强抗干扰能力另一方面是在安装方面加以注意产品在安装过程中还需要注意安装方向由于透镜的光学特性决定横切探测区域比较敏感所以产品安装时要注意入侵方向与探测器视场的夹角最好成90o垂直这样就可以保证有人入侵时能最大程度横切探测区域com 单片机技术单片机的特点所谓单片机就是一块芯片上集成了cpuromra

31、m定时计数器和多种io接口电路等而具有一定规模的微型计算机单片机与通用微型计算机相比较它在硬件结构指令设置上均有其独到之处主要特点如下1单片机中的存储器rom和ram是严格分工的rom为程序存储器只存放程序常数及数据表格而ram则为数据存储器用作工作区及存放变量这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中有较大的程序存储空间把已调试好的程序固化在rom中而把少量的随机数据存放在ram中这样小容量数据存储器能以高速ram形式集成在单片机内以加快单片机的执行速度但单片机上ram是作为数据存储器用而不是当作高速数据缓冲存储器cache用2采用面向控制的指令系统为满足控制的需要单片机的逻辑控制能力要优于

32、同等级的cpu特别是单片机具有很强的位处理能力单片机的运行速度也较高3单片机的io引脚通常是多功能的由于单片机机芯上引脚有限为了解决实际引脚和需要的信号线数的矛盾采用了引脚功能复用的方法引脚处于何种功能可由指令来设置或由机器状态来区分4系列齐全功能扩展性强单片机具有内部掩膜rom内部eprom和外接rom等形式并可方便的扩展外部的ramrom及io接口与许多通用的微机接口芯片兼容对应用系统的设计和生产带来极大的方便5单片机的功能是通用的单片机虽然主要是作控制器用但功能上还是通用的可以像一般微处理器那样广泛地应用在各个方面单片机的应用单片机在控制应用领域中有如下几方面的优点1体积小成本低运用灵活

33、易于产品化它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器做到机电仪一体化2面向控制能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务因而能获得更佳的性能价格比3抗干扰能力强适应温度范围宽在各种恶劣的环境下都能可靠地工作这是其他机种无法比拟的4可以方便地实现多机和分布式控制使整个控制系统的效率和可靠性大为提高单片机的应用范围十分广泛下面仅列举一些典型的应用领域1工业控制数控机床温度控制可编程顺序控制电机控制工业机器人智能传感器离散与连续过程控制2仪器仪表智能仪器医疗器械液体和气体色谱仪数字示波器3电讯技术调制解调器声象处理数字滤波智能线路运行控制4办公自动化和计算机外部设备图形终端机传真机复印机绘图仪磁盘磁带机

34、智能终端机5导航与控制导弹控制鱼雷制导智能武器装置航天导航系统6汽车与节能点火控制变速控制防滑车控制排气控制最佳燃料控制计费器交通控制7商用产品自动售货机电子收款机电子秤银行统计机8家用电器微波炉电视机录像机音响设备游戏机st89c52单片机的结构st89c52是一个低功耗高性能cmos 8位单片机片内含4k bytes isp in-system programmable 的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器器件采用atmel公司的高密度非易失性存储技术制造兼容标准mcs -51指令系统及80c51引脚结构芯片内集成了通用8位中央处理器和isp flash存储单元功能强大的微型计

35、算机的st89c52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案st89c52具有如下特点40个引脚4k bytes flash片内程序存储器128 bytes的随机存取数据存储器ram32个外部双向输入输出io口5个中断优先级2层中断嵌套中断2个16位可编程定时计数器2个 全双工串行通信口看门狗wdt电路片内时钟振荡器此外st89c52设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式空闲模式下cpu暂停工作而ram定时计数器串行口外中断 系统可继续工作掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位同时该芯片还具有pdiptqfp和plcc等三 种封装形

36、式以适应不同产品的需求2-9为st89c52单片机的基本组成功能方块图有图可见在这一块芯片上集成了一台微型计算机的主要组成部分其中包括cpu存储器可编程io口定时器计数器串行口等各部分通过内部总线相连下面介绍几个主要部分图2-9 st89c52 功能方块图1中央处理器cpu中央处理器是单片机最核心的部分是单片机的大脑和心脏具有运算和控制功能st89c52的cpu是一个字长为8位的中央处理单元即它对数据的处理是按字节为单位进行的2数据存储器内部ram芯片中共有256b的ram单元但其中后128个单元80h-0ffh被专用寄存器占用能作为寄存器提供用户使用的只是前128个单元00-7fh用于存放可

37、读写的数据因此常说的内部数据存储器是指前128个单元简称内部ram3程序存储器内部rom芯片内部有4 kb的掩膜rom可用于存放程序原始数据和表格等因此称为程序存储器简称内部rom4定时器计数器出于控制应用的需要芯片内部共有两个16位的定时器计数器以实现定时或计数功能并以其定时或计数结果对单片机进行控制5并行io 口st89c52共有4 个8 位的io口p0p1p2p3口可以实现数据的并行输入输出6串行口st89c52有1 个全双工的可编程串行口以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送该串行口功能较强既可以作为全双工异步通信收发器使用也可以作为同步移位寄存器使用7中断控制系统st89c52 的

38、中断系统功能较强可以满足一般控制应用的需要它共有5 个中断源2 个外部中断源into和int1 3 个内部中断源即2个定时计数中断1个串行口中断8时钟电路st89c52 单片机芯片内部有时钟电路但石英晶体和微调电容需要外接时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列系统允许的最高晶振频率为12mhz9内部总线上述部件只有通过内部总线将其连接起来才能构成一个完整的单片机系统总线在图中以带箭头的空心线表示系统的地址信号数据信号和控制信号分别通过系统的三大总线地址总线数据总线和控制总线进行传送总线结构减少了单片机的连线和引脚提高了集成度和可靠性由上所述st89c52虽然是一块芯片但它包括了构成计算机的基本部件因

39、此可以说它是一台简单的计算机st89c52 较详细的内部结构如 图 2-10 图 2-10 st89c52 内部结构框图st89c52的特点st89c52是atmel公司采用cmos工艺生产的低功耗高性能8位单片机与mcs-51单片机兼容其功能特点为14k字节闪烁存储器 flash 可进行1000次写擦除操作2静态操作外接ohz-24mhz晶振3三层程序存储器琐4128字节内部数据存储器 ram 532跟可编程输输出线6两个6位定时计数器7六个中断源8一个可编程串口9支持低功耗模式和掉电模式下面我们介绍一下st89c52的引脚st89c52引脚排列如图2-11所示各引脚的功能如下vcc供电电压

40、gnd接地po口po口为一个8位漏级开路双向io口每脚可吸收8ttl门电流当p1口的管脚第一次写l时被定义为高阻输入po能够用于外部程序数据存储器它可以被定义为数据地址的第八位在flash编程时po口作为原码输入口当flash进行校验时po输出原码此时po外部必须被拉高图2-11 st89c52引脚排列图p1口p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1o口p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流p1口管脚写入1后被内部上拉为高可用作输入p1口被外部下拉为低电平时将输出电流这是由于内部上拉的缘故在flash编程和校验时p1口作为第八位地址接收p2口p2口为一个内部上拉电阻的8位双向1o口p2口缓冲器可

41、接收输出4个ttl门电流当p2口被写1时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入并因此作为输入时p2口的管脚被外部拉低将输出电流这是由于内部上拉的缘故p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时p2口输出地址的高八位在给出地址1时它利用内部上拉优势当对外部八位地址数据存储器进行读写时p2口输出其特殊功能寄存器的内容p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号p3口p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向1o口可接收输出4个ttl门电流当p3口写入1后它们被内部上拉为高电平并用作输入作为输入由于外部下拉为低电平p3口将输出电流 ill 这是由于上拉的缘故p3口也可作为st8

42、9c52的一些特殊功能口如下为管脚的备选功能1p30 rxd 串行输入口 2p31 txd 串行输出口 3p32 into 外部中断0 4p33 int1 外部中断1 5p34 to 记时器0外部输入 6p35 t1 记时器1外部输入 7p36 wr 外部数据存储器写选通 8p37 rd 外部数据存储器读选通 9p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号rst复位输入当振荡器复位器件时要保持rst脚两个机器周期的高电平时间xtal1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入xtal2来自反向振荡器的输出振荡器特性xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出该反向放大器可以配置为片内

43、振荡器石晶振荡和陶瓷振荡均可采用如采用外部时钟源驱动器件xtal2应不接有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度芯片擦除整个eprom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合并保持ale管脚处于低电平10ms 来完成在芯片擦除操作中代码阵列全被写1且在任何非空存储字节被重复编程以前该操作必须被执行此外st89c52设有稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑支持两种软件可选的掉电模式在闲置模式下cpu停止工作但ram定时器计数器串口和中断系统仍在工作在掉电模式下保存ram的内容并且冻结振荡器禁止所用其他芯片功能直到

44、下一个硬件复位为止lm317 内部包括有两个独立的高增益内部频率补偿的双运算放大器适合于电源电压范围很宽的单电源使用也适用于双电源工作模式在推荐的工作条件下电源电流与电源电压无关它的使用范围包括传感放大器直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合内部频率补偿直流电压增益高 约100db 单位增益频带宽 约1mhz 电源电压范围宽单电源 330v 双电源 15一15v 低功耗电流适合于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽包括接地差模输入电压范围宽等于电源电压范围输出电压摆幅大0至vcc-15v 输入偏置电流45 na输入失调电流50 na输入失调电压29m

45、v输入共模电压最大值vcc15 v共模抑制比80db电源抑制比100db图2-13 lm317这里介绍的可调稳压电源可以实现从125v30v连续可调输出电流可到4a左右采用最常见的可调稳压集成电路lm317组成电路的核心关于lm317的详细指标参数可参阅用lm317制作简易电源电路下面简单介绍一下该电路的特点本电路中由t2d5vw1r5r6c10及继电器k构成自适应切换动作电路当输出电路低于14v时vw1因击穿电压不够而截止无电流通过t2截止k不吸合其触点k在常态位置电路输入电流14v交流电反之当输出电压高于14v时vw1击穿导通t2亦导通继电器k吸合28v交流电接入电路这样可以保证输入电压与

46、输出电压差不会大于15v此时lm317输出电流典型值为22a图中采用了两块lm317供电整个电路输出电流可在4a以上由于两块lm317参数不可能一样电路中在lm317输出端串接了小阻值电阻r3r4用以均分电流输出电压调整由rp1rp2完成附加晶体管t1的目的在于避免电位器rp1滑动端接触不良使w317调整公共端对地开路造成输出电压突然变化损坏电源及负载双色发光二极管作为保险丝熔断指示器红光兼电源只是器橙色光当电源正常时两只发光二极管均加有正向电压红绿发光二极管均发光形成橙色光当保险丝fu2断开时仅红色发光管加有正向电压故此时只发红光为保证稳压准确设计电路板时主电流回路应足够宽并焊上1mm以上的

47、铜导线或涂锡以减少纹波电压c6c8尽量靠近lm317的输入输出端并优先采用无感电容c5如无合适容量可用几只电容并联r3r4可用锰丝自制调试时调整rp1rp2应使继电器在电源输出14v左右时吸合否则可调换稳压二极管再试图2-14 lm317应用电路24系统软件设计com流程图st89c52单片机的工作周期单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作控制信号必须定时发出为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的并组成下面几种工作周期如图2-15所示这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的并组成下面几种工作周期如图2-15所示图2-15 振荡周期状态周

48、期机器周期和指令周期振荡周期是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期状态周期每个状态周期为振荡周期的 2 倍 是振荡周期经二分频后得到的 在一个状态周期中有两个时钟脉冲通常称它为p1p2机器周期一个机器周期包含 6 个状态周期s1s6 也就是 12 个振荡周期 在一个机器周期内 cpu可以完成一个独立的操作指令周期它是指cpu完成一条操作所需的全部时间控制部件是单片机的神经中枢以主振频率为基准主振周期即为振荡周期控制器控制cpu的时序对指令进行译码然后发出各种控制信号它将各个硬件环节组织在一起一般情况下算术逻辑操作发生在时相p1期间而内部寄存器之间

49、的传送发生在时相p2期间这些内部时钟信号无法从外部观察故用xtal2引脚振荡信号作参考com st89c52单片机的工作过程和工作方式诺依曼原理即程序存储和程序控制存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列即程序及运行中所需的数据 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令加以分析并执行规定的操作单片机的工作方式有复位程序执行掉电保护和低功耗编程校验与加密等方式1通过某种方式 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位复位方式是单片机的初始化操作单片机除了正常的初始化外当程序运行出错或由于操作错误而使系统处于死循环时也需要按复位键重启机器

50、mcs51单片机复位后 复位不影响片内ram存放的内容 而ale在复位期间将输出高电平复位后 1 pc 0000h 表示复位后程序的入口地址为0000h即单片机复位后从0000h单元开始执行程序 2 psw 00h 其中rs1 psw4 0rs0 psw3 0表示复位后单片机选择工作寄存器0组 3 sp 07h 表示复位后堆栈在片内ram的08h单元处建立 4 p0口p3口锁存器为全1状态说明复位后这些并行接口可以直接作输入口无须向端口写1定时器计数器串行口中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响单片机在时钟电路工作以后 在rstvpd端持续给出2个机器周期的高电平时就可

51、以完成复位操作例如使用晶振频率为12mhz时则复位信号持续时间应不小于2us复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位以及看门狗复位三种类型前两种见图2-17所示 看门狗电路则是一种集成有单片机的电源监测按键复位以及对程序运行进行监控防止程序跑飞而出现死机而设计的电路图2-17 a上电复位电路 b上电外部复位电路2程序执行方式是单片机的基本工作方式由于复位后pc 0000h因此程序执行总是从地址0000h开始为此就得在0000h处开始的存储单元安放一条无条件转移指令以便跳转到实际程序的入口去执行3待机方式也称空闲方式是一种节电工作方式在待机工作方式中振荡器保持工作时钟脉冲继续输出到中断串行口

52、定时器等功能部件使它们继续工作但时钟脉冲不再送到cpu因而cpu停止工作4掉电方式也被称为停机方式在掉电方式中振荡器工作停止单片机内部所有功能部件停止工作它同样是一种为降低功耗而设计的节电工作方式待机方式和掉电方式都是为了进一步降低功耗而设计的节电工作方式它们特别适合于电源功耗要求很低的应用场合这类系统往往是直流供电或停电时依靠备用电源供电以维持系统的持续工作chmos型单片机的节电方式是由特殊功能寄存器pcon控制其具体使用可参考相关书籍和手册空闲和掉电模式外部引脚状态 如下表1 所示表1 空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序存储器alepsenp0p1p2p3空闲模式内部11数据数据数据数据

53、空闲模式外部11浮空数据地址数据空闲模式内部00数据数据数据数据空闲模式外部00浮空数据数据数据5 编程和校验方式对于内部集成有eprom可以进入编程或校验方式1内部eprom编程编程时时钟频率应定在3-6mhz的范围内其余各有关引脚的接法和用法如下p1口和p2口的p20p23为eprom的4k地址输入p1为8位地址p24p26以及psen应为低电平p0口为编程数据输入p27和rst应为高电平rst的高电平可为25v其余的都以ttl的高低电平为准eavpp端加21v的编程脉冲此电压要求稳定不能大于215v否则会损坏eprom在出现正脉冲期间aleprog端加上50ms的负脉完成一次写入2epr

54、om程序校验在程序的保险位未设置前无论在写入的当时或写入以后均可将片上程序存贮器的内容读出进行检验在读出时除p27脚保持为ttl低电平之外其他引脚与写入eprom的连接方式相同要读出的程序存贮器单元地址由p1口和p2口的p20p23送入p2口的其他引脚及保持低电平aleea和rst接高电平检验的单元内容由p0口送出在检验操作时需在p0的各位外部加上电阻10k3程序存贮器的保险位st89c52内部有一个保险位亦称保密位一旦将该位写入便建立了保险就可禁止任何外部方法对片内程序存贮器进行读写将保险位写入以建立保险位的过程与正常写入的过程相似仅只p26脚要加ttl高电平而不是像正常写入时加低电平而p0

55、p1和p2的p20p23的状态随意加上编程脉冲后就可使保险位写入保险位一旦写入内部程序存贮器便不能再被写入和读出校验而且也不能执行外部存贮器的程序只有将eprom全部擦除时保险位才能被一起擦除也才可以再次写入通过以上对单片机硬件系统的简单介绍应该已经掌握了单片机的内部结构及工作的原理和过程但是单片机要实现它的强大控制功能特性只有硬件是不能工作的还必须依靠它的指令才能发挥单片机的强大作用下面介绍单片机的指令系统com数流程图下图2-182-19为中断函数流程图图2-18外部中断0请求图2-19外部中断1请求25主控芯片单片机的选择20世纪80年代以来单片机的发展非常迅速就单片机而言世界上一些著名

56、的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列数百个品种目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下美国intel公司mcs-51系列及其增强型系列美国motorola公司6801系列和6805系列美国atmel公司89c51等单片机美国zilog公司z8系列及super8美国fairchild公司f8系列和3870系列美国rockwell公司65001系列美国t1德克萨司仪器仪表公司tms7000系列ns 美国国家半导体 公司tms7000系列尽管单片机的品种很多但是在中国使用最多的还是intel公司的mcs-51系列单片机和美国的atmel公司的89c51单片机mcs-51系列单片机包括三个基本型8031805187518031内部包括一份8位cpu128个字节21个特殊功能寄存器sfr4个8位并行io口1个全双工串形口2个16位定时器但片内无程序存储器外扩eprom芯片比较麻烦不予采用8051是在8031的基础上片内集成有4kb rom作为程序存储器是一个程序不超过4k字节的小系统rom内的程序是公司制作芯片时代为用户烧制的出厂的8051都是含有特殊用途的单片机所以8051适合与应用在程序已定且批量大的单片机产品中也不予采用8751是在8031基础上增加了4k字节的eprom它构成了程序小于4kb的小系统用户可以将程序固定在eprom中可以反复修改程序但是价格