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11绪论1.1单片机介绍单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和计算机功能类似的模块，比如CPU，存储器，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都比我们的家用计算机弱很多，相对而言价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是一些独特的功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编语言虽然原始却还是在大量使用。21.2单片机的发展与趋势单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。2.2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与界面电路，突显其对象的智能化控制能力。3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。总体看来，单片机的发展历史大致可分为三个阶段：第一阶段（1976~1978年）：初级单片机微处理阶段。第二阶段（1978~1982）：高性能单片机微处理阶段。第三阶段（1982~现在）：8位单片机微处理改良型及16位单片机微处理阶段。纵观20多年的发展过程，单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容方向发展。预计今后的发展趋势会体现在以下几个方面：1.多功能。在单片机中尽可能地把应用所需的存储器、各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，成为名副其实的单片机。2.高性能。为了提高速度和执行效率，在单片机中开始使用RISC、流水线和DSP等设计技术，使单片机的系统明显地优于同类型的微处理器。3.低电压、低功耗。单片机大量应用于携带式产品和家电消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要，许多单片机已可在1.2V或0.9V的电压下工作，功耗已非常低，在一粒纽扣电池下就可以长期运行。34.低价格。单片机应用的另一显著特点是量大面广。因此，世界各个公司在提高单片机性能的同时，也十分注意降低价格。提高性价比是各公司竞争的主要策略。单片机技术作为计算机技术领域的一个重要分支，广泛应用于工业控制，家用电器，智能化仪器仪表，甚至电子玩具等各个领域，它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。因此，越来越受到各个行业的重视。总之，单片机技术经历了这些年的发展有了很大的进步和提高。随着科技的发展，我们有理由相信单片机技术一定有更美好的未来。1.3研究的目的和意义随着微电子技术与网络技术的飞速发展，人们对于居住环境的安全、方便、舒适提出了越来越高的要求，因此智能化住宅随之出现，也随着改革开放的深入和市场经济的迅速发展、提高，城市外来流动人口大量增加，带来许多不安定因素，刑事案件特别是入室盗窃、抢劫居高不下，因此家庭智能安全防范系统是智能化社区建设中不可缺少的一项，而以往的做法是安装防盗门、防盗网，但普遍存在有碍美观，不符合防火要求，而且不能有效地防止犯罪分子对住宅的入侵，故利用高科技的电子防盗报警系统也就应运而生。目前家庭住宅的主要防范措施是利用防盗门，商店的防盗措施主要是监控器和出门口的红外报警器。随着人们认识的深入，利用智能防盗、防火、防煤气将成为人们的首要选择，智能安防也是安防行业的发展趋势。本系统采用常用的AT89S52单片机系列作为系统的核心控制部分，是一个利用红外传感器作为信号输入控制部分的多路智能报警器。当有不明物体经过某一发射器与接收器中间时，会有控制信号输入单片机，进而输出刺耳的报警声来引起相关人员的注意，同时利用显示器来显示不明物体的地理位置，这样很大程度上减少了搜索时间，从而提高了实效性。达到了信号接收灵敏度高，显示反映快，报警声音响的效果。42设计方案的确定1.方案一：可编程逻辑电路控制实现采用数字逻辑芯片。本方案具有延时电路、显示电路、报警模块等多个功能模块。各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号。系统结构图如图2-1所示。图2-1可编程逻辑电路结构图本方案由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路，因此，本设计并未采用这种方案。2.方案二：单片机控制实现本方案采用单片机作为整个控制系统的核心。采用了AT89S52单片机系统。系统结构图如图2-2所示。键盘控制可编程逻辑电路显示模块延时电路报警模块5图2-2单片机控制原理图AT89S52主要负责系统的控制与协调工作。具体设计方案如下：首先，主要是从外部获取控制信号，其次，在单片机中进行数据处理及其控制，数据处理完毕之后单片机便将控制信号输出到报警电路进行报警，将显示数据输出到显示电路进行显示等。这样的设计使安装和调试工作可以并行进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间，为发挥部分的制作以及其他功能扩展提供了充足的内部空间和更多的外部接口。3.设计方案的确定经过方案一与方案二的对比，最终采用方案二：单片机控制电路，来完成多路智能报警器的设计。89S52报警信号输入移位寄存器驱动电路报警电路AT89S5263系统硬件设计3.1系统总机构为了实现设计要求的基本功能，本系统必须包含四个基本功能模块：1.单片机控制模块2.传感器模块3.报警模块4.显示模块其中单片机控制模块主要用于回应传感器信号和进行显示程控；传感器模块主要用于感应是否有物体通过，并形成电平信号输出；报警模块主要用于报警声响提示；显示模块主要用于显示报警地点。为完善系统的功能同时能够达到系统的设计指标，本系统必须包含以下功能模块：1.复位电路：实现单片机的复位控制2.振荡电路：提供所需的单片机时钟频率3.2系统设计原理图本系统基本原理结构图如图3-1所示。7由以上系统基本原理框架图可以看出，本系统的外围电路相对比较简单，功能的实现主要是从外部获取控制信号之后在单片机中进行数据处理，数据处理完毕之后单片机便将控制信号输出到报警电路进行报警，将显示数据输出到显示电路进行显示。所以本系统的单片机数据处理方面的程序相对比较复杂一些，所有的感应信号和显示数据的处理和输入控制都是在单片机中进行处理，这就要求在设计程序的时候要认真思考单片机存储空间的合理分配和管脚的分配问题。3.3硬件设计基础3.3.1系统控制器——AT89S521.AT89S52的特点与主要性能：与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。2.AT89S52单片机的功能与应用AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6矢量2级中断显示电路振荡电路复位电路传感器电路AT89S52单片机图3-1系统基本原理结构图报警电路8结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器,8K字节在系统可编程FlashAT89S52。AT89S52管脚图如图3-2所示。现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在智能仪器仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机扮演着越来越重要的角色，具有广阔的应用前景。图3-2AT89S52引脚图3.3.2外围电路本设计除应用单片机作为控制芯片外，还运用了74LS48、74LS138芯片组成显示模块作为外围电路，同时也根据需求设置了特定的晶振电路、红外传感电路及报警电路。9在显示模块中，主要用到了74LS48（七段译码器）作为段选信号控制芯片和74LS138（3线—8线译码器）作为位选信号控制芯片。报警电路则由一蜂鸣器、三极管、红灯显示及若干电阻电容组成。红外传感电路部分，由红外发射二极管、红外接收三极管及若干电阻电容组成。3.4外围电路设计3.4.1振荡电路振荡电路与单片机的时钟电路一起构成单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟电路方式和外部时钟电路方式。外部时钟方式一般应用于多块单片机同时工作，以便同步运行，本系统采用的是内部时钟电路方式，其电路连接图如图3-3所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X1CRYSTALC133pC233p根据AT89S52芯片特点，其振荡频率的最佳选择范围为：3M~33MHZ，因此晶振选用12MHz频率，其中C1和C2取30pF，由此可计算出系统各时钟周期的具体数值：振荡周期=1/12μs；图3-3振荡电路10时钟周期=2×(1/12μs)=1/6μs；机器周期（SM）=12×(1/12μs)=1μs；指令周期＝1～4μs。振荡电路的输出端与单片机的XTAL1、XTAL2两个界面相连接。XTAL1（19脚），接外部晶体和微调电容的一端，在片内，它是振荡电路反响放大器的输入端；XTAL2（18脚）接外部晶体和微调电容的一端，在片内它是振荡电路反相放大