基于单片机AT89S52 智能窗的硬件设计

于信生

（广西英华国际职业学院，广西 钦州）

引言

随着我国生活水平的提高，特别是物质生活水平的不断提高，人们对个人和家庭的财产安全越来越重视，保障安全的智能产品已经成为一种市场需求，特别是在防盗、防灾、防事故上。特别是近几年国家智能化小区建设的推广，安全防范的迫切需要给防盗报警系统提供了越来越广泛的市场。市场上有各种各样的报警设备，但多数安全可靠性较差、功能比较单一或造价较高而难于普及，因此运行可靠功能强大的安全防范设备已成为众商家关注的焦点。

1 研究背景

智能窗系统中的防盗模块是一种当监视范围内受到非法入侵时（可以是人为或者非人为性意外行为），能够产生报警信号的电子系统，它是人力防盗最重要的补充措施，它甚至能起到人力所不能防的作用，也可以说它是一位忠实的“警卫”，保障了人们的生命财产安全[1]。此外智能窗系统还有防风，防煤气，防雨雪的功能，各功能模块通过红外传感器、湿度传感器、气体传感器和风压传感器对周围环境的检测，然后由中央处理器对其进行控制，最后把信号发送给报警器，并控制窗户的开关。这使得我们的房子更加人性化也更加舒适安全。

2 问题提出及研究意义

在科学技术作为第一生产力在现代人类社会中，本设计的基于单片机的智能防盗报警系统正是顺应着时代的发展趋势，其研究也是具有十分重要的意义。

本设计是从技术上介绍一种基于单片机控制的有线智能防盗报警系统，整个系统以单片机AT89S52 控制为核心，采用红外热释电传感器，实现本地报警和远程电话报警。从市场角度看，根据其结构简单、功能多、成本低的特点，该产品推向市场之后，将会在国家智能化小区建设中扮演重要的角色。

3 系统结构和功能介绍

3.1 系统结构框图

本系统是一种以AT89S52 单片机作为控制中心将信号检测电路、键盘/显示、存储器、声光报警电路相结合，从而形成一个防盗报警系统。系统结构见图1。

图1 系统结构框图

3.2 系统功能介绍

本系统功能主要包括信号检测、声光报警、状态显示、电机控制等。用于信号检测的探测器要安装在用户家里需要防范的部位，报警主机放在比较隐蔽的区域。通常情况下，监控器处于休眠状态，当有盗贼进入时，检测部分检测到信号后立即现场声光报警，同时用湿度传感器，检测室内的湿度，下雨下雪时，关闭窗子，防止雨雪打入室内。用气体传感器，检测屋内煤气的浓度，当煤气泄漏时，能自动控制开窗，保持室内的气体流通。用风压传感器，测量室外的风力，当刮大风时，自动关闭窗子。综上组成防风，防雨，防盗，防毒的智能窗系统。

单片机AT89S52 控制器是整个系统的核心，接收报警信号并控制、协调各功能模块的正常工作，负责控制检测输入/输出显示等一系列的程序动作。

信号检测电路主要采用热释电红外探测器检测人体信号。采用MQ-5 气敏电阻检测室内煤气浓度，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理。

声光报警部分采用蜂鸣器和LED 发光二极管实现，当信号检测电路检测到有不明物体出现时立即现场报警。

电机模块由直流马达和驱动电路组成，主要模拟窗子，可以根据检测的信号做出反应，达到开关窗的目的。

4 硬件系统设计

本设计的智能窗系统由6 个部分组成：传感器、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D 转换和电源模块，传感器部分采用气体、风力、红外和湿度传感器组成，其能感知环境中煤气气体并将与气体种类和浓度、环境水分、风力、人体热量等有关的信息转换成电信号[2]。这种电信号是连续变化的模拟信号，传感器把这些信号通过A/D转换将其转化离散的数字信号然后传输给控制电路主芯片AT89S52, 通过程序和算法对采集的数字信号进行处理和判断，分析出待检测气体成分及浓度、环境湿度、风力并送到LCD显示器显示出来[3]。当检测气体浓度超出设定报警阀值时控制电机窗户打开，疏通气流，排气；当检测环境湿度超出设定报警阀值时控制电机窗户关闭；当检测风力超出设定报警阀值时控制电机窗户关闭；当有盗贼进入时，检测部分检测到信号后立即现场声光报警[4]。

4.1 主控电路

本设计采用单片机控制着各个功能模块的连接与工作，是整个设计的核心。它主要是进行信息的处理，接收各种操作指令形成的各种控制信号，完成各种信息记录。

4.1.1 芯片选择 选用ATM公司的AT89S51 单片机做为主控芯片接口电路（见图2）。

图2 单片机接口电路

AT89S51 单片机的标准功能完全符合设计要求，如4K 字节的Flash 闪速存储器可用于系统编程,128*8 字节内部数据存储器RAM,一个5 向量级中断结构,一个全双工通信口,片内振荡器及时钟电路，32 个I/O 口负责数据及控制信号的传输，但由于单片机的吸收电流很小，所以I/O 口都要加上拉电阻，两个数据指针,两个16 位定时/计数器T0、T1,T0 作为时钟信号控制语音芯片的CP 口，T1 与拨号芯片的IRQ/CP 相连，用于信号检测时做为计数器使用。当检测警情时，INT0 做为报警信号中断输入单片机，INT1 与按键相接，作为键盘中断信号输入。

4.1.2 主控系统各端口连接描述 以下为AT89S52 管脚与其它模块的连接功能介绍：

P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，也即地址/数据总路线复用口。

P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O口，P1 口缓冲器能接收输出4 个TTL门电流。

P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O口。在本设计中，P2 口主要是作为控制信号与各芯片控制引脚相连。

P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4 个TTL门电流。

P3 口在设计中主要也是作为一些特殊功能口，如下所示：

P3.0 RXD（串行输入口），控制模拟摘机。

P3.1 TXD（串行输出口），控制声光报警。

P3.2 /INT0（外部中断0），与红外探测器相连，当检测到警情时，产生中断信号。

P3.3 /INT1（外部中断1），与键盘相连，当按下按键时，产生中断信号。

P3.4 T0（记时器0 外部输入），与语音芯片的时钟接口相连。

P3.5 T1（记时器1 外部输入），与拨号芯片的IRQ/CP 相连，用于信号检测时做为计数器使用。

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）与各芯片的/WR 脚相接。

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）与各芯片的/RD脚相接。

P3 口：主要为输入程序和程序校验的信号。

RST：复位输入。复位电路，初始化电路重新工作。

4.1.3 显示电路 LCD1602 显示在设计中主要是用于显示系统中的风力，压力和气体浓度的数据，实现人机对话，当外部环境的状态变化时，LCD1602 就会把这些变化通过数据表示显示出来，系统就会根据这些数据相应的控制窗户实行开窗或者关窗。

在本设计中，LCD1602 液晶显示电路采用的是并行接口，见图3，它的输入数据线路DB0 到DB7 与AT89S51 控制芯片P0 到P7 端口相连，RS、R/W、E 与AT89S51 相对应的P25、P26、P27 三个控制端口相连，分别进行数据或命令选择、读与写选择、模块使能的功能。VO口是LCD对比度调节端，电压调节范围为0～5 V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。

图3 显示电路原理

4.1.4 热释电红外传感器 本设计采用的是热释电红外传感器，见图4，它有一个关键性的元件是热释电红外传感器（即探头PTR）PTR 能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。它是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化检测信号,由于热型传感器可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用很广泛[5]。

图4 热释电红外传感器连接电路

4.2 系统仿真结果

在开发产品之前，我们可以使用Proteus 软件进行系统的仿真，Proteus 是一款功能强大的电子电路软件，我们可以在该软件上搭建好电路，然后点击AT89S52 芯片，我们设置芯片的时钟频率为12 MHz，软件方面使用C 语言在Keil 软件编写好，然后生成HEX 文件，导入到芯片当中，保存后点击OK，系统就可以运行了，仿真电路图见图5。

图5 仿真原理

5 结论

完成智能窗系统，需要了解温度、气体、湿度、风力传感器，此外还需要熟悉单片机的工作原理和掌握C 语言编写，是一个软硬件结合的一项工作，用到的知识较多，科学研究是一项复杂有趣的工作，能够开发出一款满足市场需要，解决人们生活痛点的产品是一件有无比成就感的事情，本研究通过智能窗系统硬件方面的介绍，给广大对智能安全设备研究的人员做一些借鉴和参

考。