基于单片机的汽车防盗报警系统的设计与实现.doc
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1、1.绪 论 二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑,因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点,目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统,
2、蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。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,学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在,这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子,单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。 单片机能大大地提高这些产品的智能性,易用性及节能性等主要性能指标,给我们的生活带来舒适和方便的同时,在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类,一种是通用型单片机,另一种是专用型单片机。1.1 单片机基础知识 单片机又称单片微控制器,它不是完成某
3、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。 MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,与MCS- 48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。 DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿
4、真实验仪之一,是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。 1.2 单片机的应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分为如下几个范畴: 一、在智能仪器仪表的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。 二、在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。三、在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工
5、厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。四、在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。 五、单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航
6、空等领域都有着十分广泛的用途。 1.3单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有: 一、微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT
7、(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。二、低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物
8、半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 三、主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合
9、(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增,与其底价质优的优势,占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。 九十年代以后,单片机在结构上采用双CPU或内部流水线,CPU位数有8位、16位、32位,时钟频率高达20MHZ,片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展,使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理
10、、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有NEC公司的MPD7800,MITSUBISHI公司的M337700,REVKWELL公司的R6500。 2.硬件设计2.1 硬件设计2.1.1 80C51单片机的内部结构 图2-1为80C51单片机功能结构框图 80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件,并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件:(1) 一个8位CPU;(2) 一个片内振荡器和时钟电路;(3) 4KB ROM(80C51有4KB掩膜ROM,87C51有4KB EPROM,80C
11、31片内有无ROM);(4) 128B内RAM;(5) 可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路;(6) 两个16位定时/计数器;(7) 21个特许功能寄存器;(8) 4个8位并行I/O口,共32条可编程I/O端线;(9) 一个可编程全双工串行口;(10) 5个中断源,可设置成2个优先级。振荡器及时序 OSC8051CPU程序存储器4KB ROM数据存储器256B2个16位定时器/计数器64K总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外时钟源 外部事件计数 中断 控制 并 行 口 串行通信 图2-1 80C51单片机功能结构框图2.1.2 80C51单片机的引脚功能 80C51单片机一般采
12、用双列直插DIP封装,共40个引脚,图2-2a为引脚排列图。图2-2b为逻辑符号图。40个引脚大致可分为4类:电源、时钟、控制和I/O引脚。 图2-2 80C51引脚图1.电源 (1)Vcc芯片电源,接+; (2)Vss接地端。2.时钟 XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。3.控制线 控制线共有4根,其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能,正常使用时是一种功能,在某种条件下是另一种功能。 (1)ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能:用来锁存P0口送出的低8位地址。 80C51在并行扩展外存储器(包括并行扩展I
13、/O口)时,P0口用于分时传送低8位地址和数据信号,且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢?当ALE信号有效时,P0口传送的是低8位地址信号;ALE信号无效时,P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿,锁定P0口传送的内容,即低8位地址信号。 需要指出的是,当CPU不执行访问外RAM指令(MOVX)时,ALE以时钟振荡频率1 / 6的固定频率输出,因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是,当CPU执行MOVX指令时,ALE将跳过一个ALE脉冲。 ALE端可驱动8个LSTTL门电路。 PROG功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输
14、入编程脉冲。 (2)PSEN外ROM读选通信号。 80C51读外ROM时,没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时,PSEN无效。 PSEN可驱动8个LSTTL门电路。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。 正常工作时,RST(Reset)端为复位信号输入端,只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平,80C51芯片即实现复位操作,复位后一切从头开始,CPU从0000H开始执行指令。 Vpd功能:在Vcc掉电情况下,该引脚可接上备用电源,由Vpd向片内供电,以保持片内RAM中的数据不丢失。 (4) EA/Vpp 内外R
15、OM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能:正常工作时,EA为内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB,其中4KB在片内,60KB在片外(80C31芯片无内ROM,全部在片外)。当EA保持高电平时,先访问内ROM,但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时,将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时,则只访问外ROM,不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片,片内无ROM,因此EA必须接地。 Vpp功能:片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚用于施加编程电源Vpp。 对4个控制引脚,应熟记起第一功能,了解其第二功能。 严格来讲,80C51的控制
16、线还应该包括P3口的第二功能。4. I/O引脚 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 (1)P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL门。 VCC地址/数据控制锁存器P0.XDCPQQMUXV1V2P0.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚&1图2-4 P0口位结构(2) P1口8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5
17、所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。VCC锁存器P1.XDCPQQP1.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻图 2-5 P1口位结构 (3) P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-6所示,引脚上拉电阻同P1口。在结构上,P2口比P1口多一个输出控制部分。锁存器P2.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP2.X引脚内部上拉电阻1地址控制MUX图 2-6 P2口位结
18、构 (4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。 图 2-7 P3口位结构P3口第二功能如下: P3.0RXD:串行口输入端; P3.1TXD:串行口输出端; P3.2INT0:外部中断0请求输入端; P3.3INT1:外部中断1请求输入端 P3.4T0:定时/计数器0外部信号输入端; P3.5T1:定时/计数器1外部信号输入端; P3.6WR:外RAM写选通信号输出端; P3.7RD:外RAM读选通信号输出端。 上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包
19、括并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。 2.2 应用系统硬件设计2.2.1 硬件系统电路图以下是应用系统硬件的构成图,共由7部分构成。1、单片机小系统包括:(1)复位电路; (2)时钟电路; (3)80C51。2、六反相缓冲/变换器:3个 3、光电隔离器:16个4、电流放大器:16个 5、中间继电器:16个6、驱动继电器:16个 7、负载(
20、电灯):16个 系统构成图2.2.2 4049驱动器: 4049是6反相缓冲驱动器,内由6个反相器构成。作用:将P0.0P1.7口输出的驱动电流放大,达到足够的电流使光电隔离器中的发光二极管发光,使光电器件的输出满足逻辑上的要求,完成光电隔离的作用。2.2.3光电隔离器 在这个电路板里使用的是光耦4N25的光电隔离器。光电隔离器的原理: 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端获得一个反向的输出逻辑信号,这样就实现了电光电的转换。2.2.4 继电器: 在这个电路板上使用的是直流电磁继电器。里
21、面有两种,一种是中间继电器,一种是驱动继电器。继电器工作原理: 继电器就是电子机械开关,它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈,当线圈中流过电流时,圆铁芯产生了磁场,把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住,使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。当线圈断电时,铁芯失去磁性,由于接触铜片的弹性作用,使铁板离开铁芯,恢复与第一个触点的接通。因此,可以用很小的电流去控制其他电路的开关。整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着,有的还是全密封的,以防触电氧化。 如上图所示,当控制电路中的开关K闭合时,电磁铁便具有磁性,将衔铁吸下,使继电器触点接触,与触点相连接的电源电路便接通;当控制开关K断开时,电磁
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