基于單片機(jī)AT89S52 智能窗的硬件設(shè)計(jì)

于信生

（廣西英華國際職業(yè)學(xué)院，廣西 欽州）

引言

隨著我國生活水平的提高，特別是物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對個(gè)人和家庭的財(cái)產(chǎn)安全越來越重視，保障安全的智能產(chǎn)品已經(jīng)成為一種市場需求，特別是在防盜、防災(zāi)、防事故上。特別是近幾年國家智能化小區(qū)建設(shè)的推廣，安全防范的迫切需要給防盜報(bào)警系統(tǒng)提供了越來越廣泛的市場。市場上有各種各樣的報(bào)警設(shè)備，但多數(shù)安全可靠性較差、功能比較單一或造價(jià)較高而難于普及，因此運(yùn)行可靠功能強(qiáng)大的安全防范設(shè)備已成為眾商家關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 研究背景

智能窗系統(tǒng)中的防盜模塊是一種當(dāng)監(jiān)視范圍內(nèi)受到非法入侵時(shí)（可以是人為或者非人為性意外行為），能夠產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的電子系統(tǒng)，它是人力防盜最重要的補(bǔ)充措施，它甚至能起到人力所不能防的作用，也可以說它是一位忠實(shí)的“警衛(wèi)”，保障了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。此外智能窗系統(tǒng)還有防風(fēng)，防煤氣，防雨雪的功能，各功能模塊通過紅外傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器和風(fēng)壓傳感器對周圍環(huán)境的檢測，然后由中央處理器對其進(jìn)行控制，最后把信號(hào)發(fā)送給報(bào)警器，并控制窗戶的開關(guān)。這使得我們的房子更加人性化也更加舒適安全。

2 問題提出及研究意義

在科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力在現(xiàn)代人類社會(huì)中，本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能防盜報(bào)警系統(tǒng)正是順應(yīng)著時(shí)代的發(fā)展趨勢，其研究也是具有十分重要的意義。

本設(shè)計(jì)是從技術(shù)上介紹一種基于單片機(jī)控制的有線智能防盜報(bào)警系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52 控制為核心，采用紅外熱釋電傳感器，實(shí)現(xiàn)本地報(bào)警和遠(yuǎn)程電話報(bào)警。從市場角度看，根據(jù)其結(jié)構(gòu)簡單、功能多、成本低的特點(diǎn)，該產(chǎn)品推向市場之后，將會(huì)在國家智能化小區(qū)建設(shè)中扮演重要的角色。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)是一種以AT89S52 單片機(jī)作為控制中心將信號(hào)檢測電路、鍵盤/顯示、存儲(chǔ)器、聲光報(bào)警電路相結(jié)合，從而形成一個(gè)防盜報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)功能主要包括信號(hào)檢測、聲光報(bào)警、狀態(tài)顯示、電機(jī)控制等。用于信號(hào)檢測的探測器要安裝在用戶家里需要防范的部位，報(bào)警主機(jī)放在比較隱蔽的區(qū)域。通常情況下，監(jiān)控器處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有盜賊進(jìn)入時(shí)，檢測部分檢測到信號(hào)后立即現(xiàn)場聲光報(bào)警，同時(shí)用濕度傳感器，檢測室內(nèi)的濕度，下雨下雪時(shí)，關(guān)閉窗子，防止雨雪打入室內(nèi)。用氣體傳感器，檢測屋內(nèi)煤氣的濃度，當(dāng)煤氣泄漏時(shí)，能自動(dòng)控制開窗，保持室內(nèi)的氣體流通。用風(fēng)壓傳感器，測量室外的風(fēng)力，當(dāng)刮大風(fēng)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉窗子。綜上組成防風(fēng)，防雨，防盜，防毒的智能窗系統(tǒng)。

單片機(jī)AT89S52 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，接收報(bào)警信號(hào)并控制、協(xié)調(diào)各功能模塊的正常工作，負(fù)責(zé)控制檢測輸入/輸出顯示等一系列的程序動(dòng)作。

信號(hào)檢測電路主要采用熱釋電紅外探測器檢測人體信號(hào)。采用MQ-5 氣敏電阻檢測室內(nèi)煤氣濃度，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)高過一定濃度值時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警，提醒正在作業(yè)的人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。

聲光報(bào)警部分采用蜂鳴器和LED 發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)檢測電路檢測到有不明物體出現(xiàn)時(shí)立即現(xiàn)場報(bào)警。

電機(jī)模塊由直流馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)電路組成，主要模擬窗子，可以根據(jù)檢測的信號(hào)做出反應(yīng)，達(dá)到開關(guān)窗的目的。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能窗系統(tǒng)由6 個(gè)部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報(bào)警器、控制電路、A/D 轉(zhuǎn)換和電源模塊，傳感器部分采用氣體、風(fēng)力、紅外和濕度傳感器組成，其能感知環(huán)境中煤氣氣體并將與氣體種類和濃度、環(huán)境水分、風(fēng)力、人體熱量等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[2]。這種電信號(hào)是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，傳感器把這些信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化離散的數(shù)字信號(hào)然后傳輸給控制電路主芯片AT89S52, 通過程序和算法對采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和判斷，分析出待檢測氣體成分及濃度、環(huán)境濕度、風(fēng)力并送到LCD顯示器顯示出來[3]。當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)控制電機(jī)窗戶打開，疏通氣流，排氣；當(dāng)檢測環(huán)境濕度超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)控制電機(jī)窗戶關(guān)閉；當(dāng)檢測風(fēng)力超出設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)控制電機(jī)窗戶關(guān)閉；當(dāng)有盜賊進(jìn)入時(shí)，檢測部分檢測到信號(hào)后立即現(xiàn)場聲光報(bào)警[4]。

4.1 主控電路

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制著各個(gè)功能模塊的連接與工作，是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。它主要是進(jìn)行信息的處理，接收各種操作指令形成的各種控制信號(hào)，完成各種信息記錄。

4.1.1 芯片選擇 選用ATM公司的AT89S51 單片機(jī)做為主控芯片接口電路（見圖2）。

圖2 單片機(jī)接口電路

AT89S51 單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能完全符合設(shè)計(jì)要求，如4K 字節(jié)的Flash 閃速存儲(chǔ)器可用于系統(tǒng)編程,128*8 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,一個(gè)5 向量級中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，32 個(gè)I/O 口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的傳輸，但由于單片機(jī)的吸收電流很小，所以I/O 口都要加上拉電阻，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針,兩個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1,T0 作為時(shí)鐘信號(hào)控制語音芯片的CP 口，T1 與撥號(hào)芯片的IRQ/CP 相連，用于信號(hào)檢測時(shí)做為計(jì)數(shù)器使用。當(dāng)檢測警情時(shí)，INT0 做為報(bào)警信號(hào)中斷輸入單片機(jī)，INT1 與按鍵相接，作為鍵盤中斷信號(hào)輸入。

4.1.2 主控系統(tǒng)各端口連接描述 以下為AT89S52 管腳與其它模塊的連接功能介紹：

P0 口：P0 口為一個(gè)8 位漏級開路雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總路線復(fù)用口。

P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8 位雙向I/O口，P1 口緩沖器能接收輸出4 個(gè)TTL門電流。

P2 口：P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口。在本設(shè)計(jì)中，P2 口主要是作為控制信號(hào)與各芯片控制引腳相連。

P3 口：P3 口管腳是8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4 個(gè)TTL門電流。

P3 口在設(shè)計(jì)中主要也是作為一些特殊功能口，如下所示：

P3.0 RXD（串行輸入口），控制模擬摘機(jī)。

P3.1 TXD（串行輸出口），控制聲光報(bào)警。

P3.2 /INT0（外部中斷0），與紅外探測器相連，當(dāng)檢測到警情時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)。

P3.3 /INT1（外部中斷1），與鍵盤相連，當(dāng)按下按鍵時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)。

P3.4 T0（記時(shí)器0 外部輸入），與語音芯片的時(shí)鐘接口相連。

P3.5 T1（記時(shí)器1 外部輸入），與撥號(hào)芯片的IRQ/CP 相連，用于信號(hào)檢測時(shí)做為計(jì)數(shù)器使用。

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）與各芯片的/WR 腳相接。

P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）與各芯片的/RD腳相接。

P3 口：主要為輸入程序和程序校驗(yàn)的信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。復(fù)位電路，初始化電路重新工作。

4.1.3 顯示電路 LCD1602 顯示在設(shè)計(jì)中主要是用于顯示系統(tǒng)中的風(fēng)力，壓力和氣體濃度的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，當(dāng)外部環(huán)境的狀態(tài)變化時(shí)，LCD1602 就會(huì)把這些變化通過數(shù)據(jù)表示顯示出來，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)相應(yīng)的控制窗戶實(shí)行開窗或者關(guān)窗。

在本設(shè)計(jì)中，LCD1602 液晶顯示電路采用的是并行接口，見圖3，它的輸入數(shù)據(jù)線路DB0 到DB7 與AT89S51 控制芯片P0 到P7 端口相連，RS、R/W、E 與AT89S51 相對應(yīng)的P25、P26、P27 三個(gè)控制端口相連，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)或命令選擇、讀與寫選擇、模塊使能的功能。VO口是LCD對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～5 V。接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高。

圖3 顯示電路原理

4.1.4 熱釋電紅外傳感器 本設(shè)計(jì)采用的是熱釋電紅外傳感器，見圖4，它有一個(gè)關(guān)鍵性的元件是熱釋電紅外傳感器（即探頭PTR）PTR 能將紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用。它是利用紅外輻射的熱輻射作用引起元件本身的溫度變化檢測信號(hào),由于熱型傳感器可在室溫下使用，靈敏度與波長無關(guān)，所以應(yīng)用很廣泛[5]。

圖4 熱釋電紅外傳感器連接電路

4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

在開發(fā)產(chǎn)品之前，我們可以使用Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，Proteus 是一款功能強(qiáng)大的電子電路軟件，我們可以在該軟件上搭建好電路，然后點(diǎn)擊AT89S52 芯片，我們設(shè)置芯片的時(shí)鐘頻率為12 MHz，軟件方面使用C 語言在Keil 軟件編寫好，然后生成HEX 文件，導(dǎo)入到芯片當(dāng)中，保存后點(diǎn)擊OK，系統(tǒng)就可以運(yùn)行了，仿真電路圖見圖5。

圖5 仿真原理

5 結(jié)論

完成智能窗系統(tǒng)，需要了解溫度、氣體、濕度、風(fēng)力傳感器，此外還需要熟悉單片機(jī)的工作原理和掌握C 語言編寫，是一個(gè)軟硬件結(jié)合的一項(xiàng)工作，用到的知識(shí)較多，科學(xué)研究是一項(xiàng)復(fù)雜有趣的工作，能夠開發(fā)出一款滿足市場需要，解決人們生活痛點(diǎn)的產(chǎn)品是一件有無比成就感的事情，本研究通過智能窗系統(tǒng)硬件方面的介紹，給廣大對智能安全設(shè)備研究的人員做一些借鑒和參

考。