毕业设计(论文)-基于单片机的学生宿舍防盗报警系统设计
摘要
本设计是以AT89C51为控制中心，实现对宿舍人员进出情况及人数的统计、贵重物品的检测及报警功能。本系统设计并制作了一个主机，多个从机。从机由信号采集单元、信号传输单元、控制单元等组成，完成对宿舍盗情等信息的采集、处理和发送功能。其中盗情检测由热释电红外传感器、光电开关和电磁信号感应技术（电磁型霍尔开关）完成。当防盗探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，再由单片机控制报警电路，实现自动报警。主机通过无线传输器件nRF905接受从机信息，实现异地实时监控功能；该系统成本较低，应用于学生宿舍，能较好地完成宿舍内的安防，在异常情况时立即报警。经过测试，本系统完成了题目的各项要求。
该系统不仅具有传统防盗控制方法的优点，还具有易于维护和实现非接触、高可靠监测的特点，并且硬件开销成本低，适宜宿舍、普通家庭、寝室、办公场所等。
关键词:AT89C51单片机, nRF905，热释电红外传感器，报警电路
I
目录
第一章绪论 (1)
第二章任务要求与系统方案的论证 (2)
2.1 设计任务及要求 (2)
2.2 总体方案论证 (2)
2.3 主控单元的选取方案 (3)
2.4 无线信号传输模块的选取方案 (3)
2.5 宿舍人员检测模块的选取方案 (3)
2.6 人员出入检测模块的选取方案 (5)
2.7 显示模块的选取方案 (5)
2.8 时间模块的选取方案 (6)
2.9 键盘的选取方案 (6)
第三章系统硬件设计 (8)
3.1 主控单元 (8)
3.1.1 AT89C51单片机的简单概述 (8)
3.1.2 AT89C51单片机的基本组成功能方块图 (8)
3.1.3 AT89C51管脚的说明 (8)
3.1.4最小工作系统原理 (10)
3.2 电源模块 (11)
3.3键盘解警电路设计 (11)
3.4 无线信号传输模块 (12)
3.4.1 nRF905概述 (12)
3.4.2 nRF905的特点 (13)
3.4.3 nRF905的外部管脚接线图 (14)
3.4.4 无线信号传输模块电路设计 (14)
3.5宿舍人员检测 (14)
3.5.1 热释电红外传感器工作原理 (14)
3.5.2热释电红外传感器内部电路原理 (15)
3.5.3 热释电红外传感器电路设计 (16)
3.6 人员出入检测 (17)
3.6.1 光电开关工作原理 (17)
3.6.2 人员出入检测电路设计 (17)
3.7 贵重物品的检测 (18)
3.8时钟芯片电路 (18)
3.9 液晶显示电路设计 (20)
3.9.1 LCD 12864接口时序 (20)
3.9.2 LCD12864引脚说明 (21)
3.9.3 液晶显示电路设计 (22)
3.10 KeilC 51的介绍 (23)
II
第四章系统软件设计 (24)
4.1 主机程序流程 (24)
4.2 从机程序流程 (24)
4.3 时钟读取显示流程设计 (25)
4.4 按键模块设计 (26)
4.5 密码模块设计 (27)
总结 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
附录 (32)
附录一主机系统接口连接示意图 (32)
附录二从机系统接口连接示意图 (33)
附录三 Proteus仿真原理图 (34)
附录四设计编程程序 (35)
III
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第一章绪论
防盗控制可广泛应用于工厂、家庭、汽车等场合。实现无接触、智能化报警是防盗控制系统目前的发展方向。随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。
近年来,各高校宿舍,如何有效地对宿舍进行防盗已经成为一个亟待解决的问题。本文介绍了宿舍智能防盗防火报警系统，采用AT89C51为核心单片机控制，集智能化防盗功能宿舍报警系统，可实现自动检测与无线传输报警。防盗检测是指由热释电红外探测与光电开关及电磁信号感应技术（电磁型霍尔开关）构成的探测器实现智能检测。多传感器的应用实现了低误报率，增强了系统可靠性。当防盗探测器检测到险情的时候，向单片机发出中断申请，从机与主机直接通信，实现人机交互，表现智能化。主机可以与各从机无线通信，能显示当前各监控端的平安信息。并能发送一些安防提醒信息。
智能宿舍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，采用热释电技术的红外探头，具有超低误报率、防电磁干扰、功耗小等特点，应用较广；防盗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通知管理中心，达到及时报警的目的，使人们能对现场进行高灵敏度监听。
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第二章任务要求与系统方案的论证
2.1 设计任务及要求
（1）实现人体检测与声光报警功能。
（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。
（4）实现异地监控。
（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。
（6）宿舍无人时提示锁门。
(7) 能记录最近几天的宿舍安防情况。
(8) 实现网络控制，可在监控平台监控多个宿舍。
（9）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。
2.2 总体方案论证
根据题目要求的需要，本系统设计规划成三个主要模块：一个主机模块，两个从机模块(以两个从机模拟多个从机)。主机模块主要由无线接收模块、液晶显示模块、声光报警模块、键盘解警模块和电源模块等构成；从机模块主要由无线发射模块，各种检测模块和电源模块等构成。硬件部分就应该包括以下几部，如图2.1所示。
图2.1系统总体结构图
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2.3 主控单元的选取方案
在该系统的两个组成部分中，都存在着MCU的选取问题，MCU的性能及其成本决定着整个系统的性能和成本。在异地监控站部分，MCU主要是对红外报警器进时监控、记录宿舍内的安防情况以及当警报发生时通过输入特定密码以达到解警行实的目的，因此可以有二种主控单元的选择方案。
方案一：选用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA作为新一代的可编程器件使得其应用较为灵活，功能从简单到复杂都可以实现，但是在该系统中，若使用FPGA则会提高系统的成本，同时由于增加的FPGA,也会给电路的维修工作带来不可必要的麻烦。
方案二：选用AT89C51单片机。AT89C51单片机具有体积小、驱动能力强、可靠性高、低功耗、处理中断能力强等特点，5V低电压供电，功耗较低；16位微处理器芯片能保证任务快速准确的执行；AT89C51具有丰富的功能模块资源：RAM、ROM空间大，AT89C51单片机自身支持ＡＤ/ＤＡ转换，功能强大，该芯片内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试，同时简化了外围电路，极大地提高了开发效率。
综上，将AT89C51单片机作为主控单元的最终选取方案。
2.4 无线信号传输模块的选取方案
在该系统中无线信号传输模块主要完成对报警信号的采集以及完成报警信号的无
线发送，因此有以下两种方案可供选择:
方案一：采用挪威Nordic公司生产的nRF905无线发射与接收模块。nRF905工作在433/868/915MHz 3个ISM频道，传输距离1000米左右，对于该系统来说，正合适对整个宿舍楼进行检测。虽然其成本高，但其器件得到充分利用。
方案二：采用PT2262/PT2272无线发射与接收模块。PT2262/PT2272工作于315MHz，传输距离比nRF905要近，但该系统是对整个宿舍楼进行远距离监控，其传输距离不足。因此选用nRF905作为该系统的无线发射与接收模块。
2.5 宿舍人员检测模块的选取方案
热释电红外传感器（人体红外感应模块）是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。它目前正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构；开启监视器或自动门铃上的应用；结合摄影机或数码照相机自动记录动物
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或人的活动.
红外发射接收有两种方式，可以采用主动和被动方式。主动方式需要红外接收源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。主动方式最大的缺点是把运动着的生物体和运动着的非生物体区分开来，只要将红外线束或红外光路遮挡，就会触发误报。如果有物体坠落遮挡，都会导致误报。
被动式红外传感技术是利用红外敏感元件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施监控。它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。综合考虑后本设计采用被动式红外传感器作防盗传感器。
红外线波长范围大致在0.76—1000μm之间。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足
λm*T=2989（um*k）
其中λm为最大波长，T为绝对温度。人体的正常体温为36~37.5oC，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为
λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um
中心波长为9.65um。
从内部结构分，热释电红外传感器有单探元、双元件、四元件及特殊型。双探元是将两个特性一致的探测元进行串接，组成差动平衡电路，有利于抑制因探测元自身温度变化而产生的干扰。四元件与双元件类似。用于人体探测的热释电红外传感器多采用双（探测）元或四元的器件。由于灵敏度要求不是很高，加之四元件价格相比双元更贵，因而设计最终采用双元的热释电红外传感器。选择了几种器件作比较，如表2.1所示。
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5 表2.1 几种红外传感器的主要参数 型 号
Q74 P228 LN084 性能说明 探测元
双元 双元 双元 探头类型 封装形式
TO-5 TO-5 TO-5 金属封装 响应度 6500V/M 4500 V/M
3900 V/M 衡量灵敏度的重要指标 等效噪声功率
9.6×10-10
1×10-9 1.1×10-9 衡量稳定度的主要指标 窗口波长 7—15um 7—14um 7—14um 探测器接收红外线的谱
范围
使用温度 -55
—+125℃ -40—+80℃ -40—+80℃ 器件能正常使用的温度范围
从上表分析可以知道Q74的综合性能较好，且几者的价格相差不大，因而选用Q74热释电红外传感器用于电路设计。
2.6 人员出入检测模块的选取方案
光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用。按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。对射式检测距离近，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。本系统选择对射式光电开关。
2.7 显示模块的选取方案
12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵，16*8=128，16*4=64，一行只能写8个汉字，4行；）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM （GDRAM ）。本系统选取其作
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6 为显示模块，适时显示宿舍的安防情况。
2.8 时间模块的选取方案
DS1302是美国DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V ～5.5V 。采用三线接口与CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM 数据。DS1302时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW 。DS1302时钟芯片的最大优点是当单片机掉电后DS1302时钟芯片能继续计数。DS1302的引脚如图2.3所示。
图2.3 DS1302的引脚功能图
2.9 键盘的选取方案
键盘有两种，一种是编码键盘，一种是非编码键盘。编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常作为CPU 的中断请求信号，以便通知CPU 以中断的方式接受按键的键码，这种键盘使用方便，但硬件电路复杂，一般不采用。而非编码键盘的每个按键的作用只是使相应接点接通或断开，每个按键的键码并非由硬件电路产生，而是由相应的扫描处理程序对它扫描形成的，因此，非编码键盘的硬件电路简单，得到广泛的应用。
非编码键盘又有矩阵式和独立式两种。
矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个3×3的行列结构可以构成一个有9个按键的键盘。同理，一个4×4的行列结构可以构成一个16键的键盘，很明
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显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。按键设置在行列线交点上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行列线为多键共用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来做适当的处理，才能确定闭合键的位置。
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
为了节省I/O口，我决定使用矩阵式键盘，使用4×4的。
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8 第三章 系统硬件设计
3.1 主控单元
3.1.1 AT89C51单片机的简单概述
AT89C51单片机是美国Atmel 公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel 公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash 存储 8单元，功能强大。AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.1.2 AT89C51单片机的基本组成功能方块图
图3.1 AT89C51的基本组成方块图
由图可见，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I/O 口、定时器／计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。再配置一定的外围电路，即可构成一个基本的微型计算机系统
3.1.3 AT89C51管脚的说明
AT89C51采用40引脚双列直插封装形式，引脚图如图3.1所示。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。其引脚分为电源及时钟引脚、控制引脚、I/O 口引脚三类：
(1)电源线
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9 VCC:供电电源 GND:接数字地
(2)端口线
4个8位端口共32条引脚，用于传输数据、地址、控制、状态等信息。
PO 口(P1.0'P1.7)：多功能端口，作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。
Pl 口(P1.0'P1.7)：单功能端口，用于数据输入／输出传输。P1口是专为用户使用 的准双向I/O 口，应先向端口输出锁存器输入高电平[11]。
P2口(P2.0'P2.7)：多功能端口，用于传输地址信息或作为普通I/O 端口。
P3口(P3.0'P3.7)：多功能端口，用于传输地址信息或作为普通I/O 端口。
P3.0: RXD ，串口输入
P3.1：TXD ，串口数出
P3.2：INTO ，外部中断O 输入
(3)控制线：共6条，传送控制信号。
ALE:用于地址锁存，用于区分在多功能端口传送的数据／地址信息，ALE=O ，锁存 数据，ALE=1，锁存地址。
PROG:对片内flash 存储器编程时，作为输入端。
RST:复位信号输入端。RST=1，复位。
EA:允许访问外程序存储器。EA=O/1:片外／片内存储器有效。
XTALl:反向振荡放大器的输入及内部耐钟工作电路的输入。
XTAL2:反向振荡器的输出，如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
图3.2为AT89C51单片机的引脚图
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10 3.1.4最小工作系统原理
图3.3 最小系统原理图
此图是单片机工作的最小系统原理图，在这个电路中又可以分为复位电路和晶振电路，如图3.4和图3.5所示：
图3.4复位电路
复位电路可以分为上电复位和手动按键复位两种。在系统上电的一瞬间单片机上电复位，原理是利用电容两端的电压不能突变，在一上电的瞬间电容好比短路，所以
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11 加在第九脚RST 的电平是高电平，虽然时间很短，但是足以让单片机系统复位。
手动按键复位的原理是，在系统正常工作的过程中可以手动触动按键使单片机复位。具体原理是，按下S1按键，因此5V 电压经过一个200欧姆的电阻分压后加到系统的RST 上，手动按键按下到抬起的过程足以使系统复位。
图3.5晶振电路
对于单片机系统而言，晶振电路就好比是人的心脏一样，是一个跳动的动力来源，18,19号引脚接的是11.0592M 的晶振。
3.2 电源模块
220V 交流电压经过变压器变成12V 的交流电压，然后经过整流桥变成直流电压，经过电容的滤波后和7805直接相接，在经过滤波后变成5V 电压。转化电路图如图3.6所示： 1
23
4D1BRIDGE1
+C13300p f +C33300p f Vin 1G N D 2Vo ut 3U1
VOLTREG
C2
0.1u f C40.1u f
7805电源
T1
TRANS1220AC V CC
图3.6 电源供电模块电路
3.3键盘解警电路设计
由于本系统所使用到的单片机端口资源较少，端口资源充足，因而在设计键盘电路时，我们采用常用IOA0-IOA7口来做一个4*4矩阵键盘，IOA4-IOA7口作为列线，通过上拉电阻接+5V ，被箝位在高电平状态，IOA0-IOA3口为行线，如图3.7所示。对键盘的
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12 扫描过程可分为两步：第一步是CPU 首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别是哪个键按下。对键盘的识别方法通常采用逐行（逐列）扫描法。 S1S5
S9S13S2S6S10S14S3S7S11S15S4
S8
S12S16
IOA0
IOA1
IOA2
IOA3
IOA4
IOA5
IOA6
IOA7R1R2R3R4VCC
10K 的上拉电阻
图3.7 4*4矩阵键盘
通常按键在按下和释放时都存在一个抖动的暂态过程。这种抖动的暂态过程大约经过5-10ms 的时间，人的肉眼察觉不到，但对高速的CPU 是有反应的，可能产生误处理。为了保证按键动作一次，仅进行一次处理，必须采取措施以消除抖动，在应用系统中通常采用软件方法来消除抖动。在本系统中同样采用软件的方法来实现。
3.4 无线信号传输模块
3.4.1 nRF905概述
nRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHz 的ISM 频段，由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器。组成ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和CRC ，可以很容易通过SPI 接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为-10dBm 时，发射电流为11mA ，快速参考数据接收电流为12.5mA.进入POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。
nRF905无线传输模块；编程简单，性能也简单稳定，工作电压为1.9V ～3.6V ，nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码／解码，使用SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低。nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内；nRF905较稳定，传输距离较远，且可穿透墙体。
nRF905采用Nordic 公司的VLSI ShockBurst 技术。ShockBurst 技术使nRF905能