基于單片機AT89S52 智能窗的硬件設計

于信生

（廣西英華國際職業學院，廣西 欽州）

引言

隨著我國生活水平的提高，特別是物質生活水平的不斷提高，人們對個人和家庭的財產安全越來越重視，保障安全的智能產品已經成為一種市場需求，特別是在防盜、防災、防事故上。特別是近幾年國家智能化小區建設的推廣，安全防范的迫切需要給防盜報警系統提供了越來越廣泛的市場。市場上有各種各樣的報警設備，但多數安全可靠性較差、功能比較單一或造價較高而難于普及，因此運行可靠功能強大的安全防范設備已成為眾商家關注的焦點。

1 研究背景

智能窗系統中的防盜模塊是一種當監視范圍內受到非法入侵時（可以是人為或者非人為性意外行為），能夠產生報警信號的電子系統，它是人力防盜最重要的補充措施，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的“警衛”，保障了人們的生命財產安全[1]。此外智能窗系統還有防風，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、氣體傳感器和風壓傳感器對周圍環境的檢測，然后由中央處理器對其進行控制，最后把信號發送給報警器，并控制窗戶的開關。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

在科學技術作為第一生產力在現代人類社會中，本設計的基于單片機的智能防盜報警系統正是順應著時代的發展趨勢，其研究也是具有十分重要的意義。

本設計是從技術上介紹一種基于單片機控制的有線智能防盜報警系統，整個系統以單片機AT89S52 控制為核心，采用紅外熱釋電傳感器，實現本地報警和遠程電話報警。從市場角度看，根據其結構簡單、功能多、成本低的特點，該產品推向市場之后，將會在國家智能化小區建設中扮演重要的角色。

3 系統結構和功能介紹

3.1 系統結構框圖

本系統是一種以AT89S52 單片機作為控制中心將信號檢測電路、鍵盤/顯示、存儲器、聲光報警電路相結合，從而形成一個防盜報警系統。系統結構見圖1。

圖1 系統結構框圖

3.2 系統功能介紹

本系統功能主要包括信號檢測、聲光報警、狀態顯示、電機控制等。用于信號檢測的探測器要安裝在用戶家里需要防范的部位，報警主機放在比較隱蔽的區域。通常情況下，監控器處于休眠狀態，當有盜賊進入時，檢測部分檢測到信號后立即現場聲光報警，同時用濕度傳感器，檢測室內的濕度，下雨下雪時，關閉窗子，防止雨雪打入室內。用氣體傳感器，檢測屋內煤氣的濃度，當煤氣泄漏時，能自動控制開窗，保持室內的氣體流通。用風壓傳感器，測量室外的風力，當刮大風時，自動關閉窗子。綜上組成防風，防雨，防盜，防毒的智能窗系統。

單片機AT89S52 控制器是整個系統的核心，接收報警信號并控制、協調各功能模塊的正常工作，負責控制檢測輸入/輸出顯示等一系列的程序動作。

信號檢測電路主要采用熱釋電紅外探測器檢測人體信號。采用MQ-5 氣敏電阻檢測室內煤氣濃度，將檢測到的瓦斯氣體濃度和標準值進行比較，當高過一定濃度值時進行相應的聲光報警，提醒正在作業的人員進行相應的處理。

聲光報警部分采用蜂鳴器和LED 發光二極管實現，當信號檢測電路檢測到有不明物體出現時立即現場報警。

電機模塊由直流馬達和驅動電路組成，主要模擬窗子，可以根據檢測的信號做出反應，達到開關窗的目的。

4 硬件系統設計

本設計的智能窗系統由6 個部分組成：傳感器、LCD顯示器、聲光報警器、控制電路、A/D 轉換和電源模塊，傳感器部分采用氣體、風力、紅外和濕度傳感器組成，其能感知環境中煤氣氣體并將與氣體種類和濃度、環境水分、風力、人體熱量等有關的信息轉換成電信號[2]。這種電信號是連續變化的模擬信號，傳感器把這些信號通過A/D轉換將其轉化離散的數字信號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字信號進行處理和判斷，分析出待檢測氣體成分及濃度、環境濕度、風力并送到LCD顯示器顯示出來[3]。當檢測氣體濃度超出設定報警閥值時控制電機窗戶打開，疏通氣流，排氣；當檢測環境濕度超出設定報警閥值時控制電機窗戶關閉；當檢測風力超出設定報警閥值時控制電機窗戶關閉；當有盜賊進入時，檢測部分檢測到信號后立即現場聲光報警[4]。

4.1 主控電路

本設計采用單片機控制著各個功能模塊的連接與工作，是整個設計的核心。它主要是進行信息的處理，接收各種操作指令形成的各種控制信號，完成各種信息記錄。

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

圖2 單片機接口電路

AT89S51 單片機的標準功能完全符合設計要求，如4K 字節的Flash 閃速存儲器可用于系統編程,128*8 字節內部數據存儲器RAM,一個5 向量級中斷結構,一個全雙工通信口,片內振蕩器及時鐘電路，32 個I/O 口負責數據及控制信號的傳輸，但由于單片機的吸收電流很小，所以I/O 口都要加上拉電阻，兩個數據指針,兩個16 位定時/計數器T0、T1,T0 作為時鐘信號控制語音芯片的CP 口，T1 與撥號芯片的IRQ/CP 相連，用于信號檢測時做為計數器使用。當檢測警情時，INT0 做為報警信號中斷輸入單片機，INT1 與按鍵相接，作為鍵盤中斷信號輸入。

4.1.2 主控系統各端口連接描述 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8 位漏級開路雙向I/O 口，也即地址/數據總路線復用口。

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

P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的8 位雙向I/O口。在本設計中，P2 口主要是作為控制信號與各芯片控制引腳相連。

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

P3 口在設計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。

P3.1 TXD（串行輸出口），控制聲光報警。

P3.2 /INT0（外部中斷0），與紅外探測器相連，當檢測到警情時，產生中斷信號。

P3.3 /INT1（外部中斷1），與鍵盤相連，當按下按鍵時，產生中斷信號。

P3.4 T0（記時器0 外部輸入），與語音芯片的時鐘接口相連。

P3.5 T1（記時器1 外部輸入），與撥號芯片的IRQ/CP 相連，用于信號檢測時做為計數器使用。

P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通）與各芯片的/WR 腳相接。

P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）與各芯片的/RD腳相接。

P3 口：主要為輸入程序和程序校驗的信號。

RST：復位輸入。復位電路，初始化電路重新工作。

4.1.3 顯示電路 LCD1602 顯示在設計中主要是用于顯示系統中的風力，壓力和氣體濃度的數據，實現人機對話，當外部環境的狀態變化時，LCD1602 就會把這些變化通過數據表示顯示出來，系統就會根據這些數據相應的控制窗戶實行開窗或者關窗。

在本設計中，LCD1602 液晶顯示電路采用的是并行接口，見圖3，它的輸入數據線路DB0 到DB7 與AT89S51 控制芯片P0 到P7 端口相連，RS、R/W、E 與AT89S51 相對應的P25、P26、P27 三個控制端口相連，分別進行數據或命令選擇、讀與寫選擇、模塊使能的功能。VO口是LCD對比度調節端，電壓調節范圍為0～5 V。接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。

圖3 顯示電路原理

4.1.4 熱釋電紅外傳感器 本設計采用的是熱釋電紅外傳感器，見圖4，它有一個關鍵性的元件是熱釋電紅外傳感器（即探頭PTR）PTR 能將紅外信號變化轉變為電信號，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用。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,由于熱型傳感器可在室溫下使用，靈敏度與波長無關，所以應用很廣泛[5]。

圖4 熱釋電紅外傳感器連接電路

4.2 系統仿真結果

在開發產品之前，我們可以使用Proteus 軟件進行系統的仿真，Proteus 是一款功能強大的電子電路軟件，我們可以在該軟件上搭建好電路，然后點擊AT89S52 芯片，我們設置芯片的時鐘頻率為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，導入到芯片當中，保存后點擊OK，系統就可以運行了，仿真電路圖見圖5。

圖5 仿真原理

5 結論

完成智能窗系統，需要了解溫度、氣體、濕度、風力傳感器，此外還需要熟悉單片機的工作原理和掌握C 語言編寫，是一個軟硬件結合的一項工作，用到的知識較多，科學研究是一項復雜有趣的工作，能夠開發出一款滿足市場需要，解決人們生活痛點的產品是一件有無比成就感的事情，本研究通過智能窗系統硬件方面的介紹，給廣大對智能安全設備研究的人員做一些借鑒和參

考。