《过程控制与现场总线技术》
课程设计报告
题目: 基于Lon works的智能防盗
控制系设计
专业: 电气工程及其自动化
班级: 10电气
姓名: 李启应
学号: 101401010202
指导教师: 郑老师吴老师
时间：2013 年12 月2 日----20 13 年12月27 日
目录
第一章设计题目分析与方案选择 (3)
1.1 设计题目分析 (3)
1.2 设计方案选择 (4)
第二章系统电路设计 (6)
2.1 智能防盗控制器设计 (6)
2.2 人体检测电路 (7)
2.3 单片机系统电路 (7)
2.4 报警电路 (8)
第三章系统硬件和软件设计 (9)
3.1系统硬件结构 (9)
3.2系统软件设计 (9)
3.3主程序 (11)
第四章调试及仿真 (14)
4.1系统测试分析 (14)
4.1.1 测试设备 (14)
4.1.2 测试方法 (14)
4.1.3 功能测试 (14)
4.1.4 指标测试及结果分析 (14)
4.2系统仿真 (16)
第五章总结 (17)
参考文献 (18)
第一章设计题目分析与方案选择
1.1 设计题目分析
随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们生活水平得到很大的提高，盗窃犯罪行为屡禁不止，严重的危害到广大人民群众的人身财产安全，同时人们对私有财产的保护意识在不断的增强，因而对防盗措施提出了新的要求。从现代人们住宅发展的趋势来看，现代人们住宅主要是向群体花园式住宅区发展，向高空中发展，一般都是一个住宅区有几栋至几十栋以上，但目前市面上所拥有的家庭电子防盗报警器，只能用于单一的住宅单元，不利于统一管理，而且也不能满足现代住宅区的发展要求，所以很有必要对家庭电子防盗报警器进一步完善和提高。
本文研究了Lon Works现场总线技术和单片机信号处理技术的防盗检测器的软硬件设计方法，用C语言进行软件设计，硬件则以热释电红外传感器为主，热释电红外传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到V/F转换接收的电压范围。所以送V/F转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后，V/F转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示，成本低且能很好地实现所要求的功能。
应用该方法设计的系统在反应速度、误报率、漏报率以及抗干扰能力方面都具有较好性能。主要特点是测量范围广, 响应速度快, 灵敏度高，抗干扰能力强，安全可靠。据悉，目前防盗报警系统的附加功能主要有一下几种：1、自动拨号报警功能。系统探测到窃贼入室或火灾等信息后，按事先设定的电话号码自动拨号，播通后自动播放报警信息，以有效地减少报警时间。2、系统可利用Lon Works 接口通信技术与计算机进行相连接，当探测到窃贼入室时，单片机所接收到的数据通过Lon Works总线传送到计算机，这样有利于小区的统一管理。3、为了提高灵敏度，减少误报率，可以采用摄像头作为探测头，将采集到的信号进行图像处理及判断后再决定是否报警。如果系统接收到报警信号后，保安人员可以通过查询报警记录来确定是否真有人经过。今后,随着电子高科技的飞速发展,防盗技术的发展定将日新月异。同时,功能更加齐全的高精度的先进防盗器将会不断问世,其应用范围也会更加拓宽。
1.2 设计方案选择
智能防盗控制系统是利用现代计算机、通讯与网络、自控、IC卡技术，通过有效的传输网络，将安防与物业管理等系统集成。从而为住户提供方便快捷的家居服务。系统分为3层结构：管理中心、LON网络和智能控制器。三者有机结合在一起，管理中心不仅是系统的网络管理中心，而且是系统局域网连接Internet的通道，LON网络是传输各种数据的通道，智能控制器是系统网络上的节点，用于采集数据，
本系统采用了热释电红外传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作。以家庭住户为基本扩展单位，各种传感器包括烟雾探测器、煤气探测器、大门振动传感器、窗户玻璃破碎传感器等等，通过各自节点将数据传上智能控制器，然后通过接口与路由器相连，最终接到Lon Works 总线上。由许多个家庭住户形成一个住宅单元。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，该控制中心的计算机一方面通过电话网接入Internet，同时通过Lon Works网络连接到居民住宅楼。进程框图如图1-1所示。
图1-1：进程框图
智能安全防盗控制系统框图如下图1-2所示：
图1-2：智能安全防盗控制系统框图
第二章系统电路设计
2.1 智能防盗控制器设计
智能防盗控制器的结构如图2-1所示，本系统由程控主机、用户电话报警分机、电源系统、电控锁、闭门器、LCD显示器、智能卡（IC卡）等部分组成。
程控主机部分由CPU处理器、IC卡读写器、通话控制电路、数据保护和数据自动恢延电路、使用记录存储电路、开锁控制电路、电视监视头及系统功能软件组成。IC卡读写器供用户进入系统防盗门时使用,采用EEPROM存储数据,上电自动复位和手动复位相结合方式。并随时记录以下内容：开门次数、开锁时间、开门时间、闭门时间、存储容量在二千个以上。主机面板设计一综合性软触开关的键盘、带夜间自动照明的LCD显示屏、故障报警指示灯（黄）、警报灯（红）、一路广播呼叫输出接口等。
IC卡操作模式为：卡+密码。小区用户可以持卡进入,输入密码。IC卡有开门、修改密码和退出等功能,由LCD液晶显示屏显示,通过键盘选择功能操作。系统管理员凭卡可以进行系统时间设定、IC卡挂失、IC卡恢复、系统密码修改、监控时间设定、查询用户档案、IC卡注销、通话时间设定、退出等功能。
用户可以在报警分机上通过按键实现报警、求救、开门、打开监视器等功能。客人来访可以通过主机上的按键呼叫小区主人,通过电话交谈,实现为客人开门等功能。智能控制器主机、子机均采用中断方式与从机进行通信,波特率设为9600Hz,串行口中断设为最高优先级,采用方式3工作,主机处于监测IC卡插入、监测是否有按键和串行口中断状态。同时,如果有按键,子机向主机发送本机地址,然后等待主机的中断响应。
图2-1：智能防盗控制器的结构
2.2 人体检测电路
人体检测电路是由热释红外传感器P2288—02来实现的。传感器P2288—02为双元型被动式热释电人体红外传感器。它采用平衡检差方式工作，只感应7—14um波长的活动人体红外辐射线，不会受环境温度及可见光的影响。传感器加装菲涅尔透镜可感应10m以内的人体辐射红外线。活动人体辐射的红外线被传感器检测到后，传感器将产生微弱的电信号，送到信号处理电路。
基于BISS0001的人体红外信号处理电路如图2-2所示。热释电红外传感器P2288输出的电信号，经过由电阻R和两个电容组成的低通滤波电路，滤除高频干扰噪声，送至BISS0001的14脚。经内部二级放大和双向幅度鉴别后，通过逻辑控制延时电路在BISS0001的2脚输出高电平，经过一个电阻R送至三极管9015，反相后变成低电平输出到单片机的外部中断0。
图2-2：基于BISS0001的人体红外信号处理电路
2.3 单片机系统电路
本系统采用了89C521,由INT1进行数据采集，并通过P2口传输数据到LED 显示，同时用P3.0来控制指示灯的闪烁延时报警，P3.1控制系统的报警，P3.2
进行控制系统的解除报警，防止误报警。其电路如图2-3所示。
图2-3：单片机系统电路图
2.4 报警电路
报警电路是由P3.1口输出经一个三极管送到蜂鸣器一个高电平，然后使蜂鸣器发声报警。当热释红外传感器在无触发信号输入的静态时，保持高电平；当有检测信号时，经BISS0001的人体红外信号处理电路后输出一个低电平， P3.0所接的指示灯点亮闪烁熄灭后再产生报警。其电路如图2-4所示。
图2-4：报警执行电路
第三章系统硬件和软件设计
3.1 系统硬件结构
硬件主要包括智能节点、路由器、硬件接口卡和智能防盗控制器等。
系统的现场信号主要有各报警传感器和执行器的状态等。由于神经元芯片有11个I/O口和2K的RMA,所以只需再加少量调理电路便可直接与现场的各I/O 量相连,再加上一个收发器即可构成一个现场智能节点。最后所有的节点都挂接在Lon Works总线上,网络拓扑可为总线型、星型或自由拓扑型。硬件接口卡主要完成主机与神经元芯片间的数据转换。
节点建成后，先要进行网络安装设定节点逻辑地址，然后将节点间的网络变量和显示报文连接起来，以实现节点间的通讯，并和中心控制计算机交换数据。通信模块使用DDE协议，DDE是在Windows下多个程序间交换数据的一种方式,利用DDE协议,可在多个应用程序间以client端和server端方式建立一条动态数据链,使得多个程序之间分享和交换数据,当原始数据变化时,自动更新连接的数据,这样就实现了多个程序中交换数据的动态更新。选用的LNS DDE Server 能完成Lon Works智能模块和Windows应用程序间的数据交换,使得Windows应用程序可作为一个DDE客户程序来监控Lon Works网络。
3.2 系统软件设计
本系统使用AT89S51单片机C语言编程。通过分析本系统的功能要求，系统程序可以划分为以下几个模块来写：数据采集、按键控制、报警和显示等子函数。主要实现对人体的检测并计数、报警、指示灯的闪烁、解除报警，显示入侵次数及报警，显著特点是用软件简便实现某些硬件功能。
本系统的程序巧妙地利用单片机的内部定时/计数器T1来计时，每50ms中断一次，并用该值为基准来计算时间；系统检测到人体的信号经过比较放大之后得到标准的脉冲信号，然后输入单片机的INT1端口，使用外部中断的方式进行计算。
按上述工作原理和硬件结构分析可知，如下3-1所示。
图3-1：系统主程序工作流程图
本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续1分20秒后自动停止报警15秒，同时显示出入侵报警次数以便人们查询，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间过程中通过手工按键停止的声光报警的功能。
本系统出现报警持续时间为1分20秒，主要是由硬件系统决定（与现实的智能防盗报警系统比较接近），软件程序只能延长报警的时间和等待时间而无法再缩短报警时间。综合考虑已经实现了要求的功能，而且比较接近现实报警系统。
3.3 主程序
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define shuma P2 //数码管端口
sbit hw=P3^3; //红外输入口
sbit b_led=P3^0; //报警灯接口
sbit z_led=P1^2; //正常工作指示
sbit baojin=P3^1; //报警
sbit rst=P3^2; //重置按键
uint num=0; //一个用于数码显示用的变量
unsigned char leddata[]={ //段码表
0x3F, //"0"
0x06, //"1"
0x5B, //"2"
0x4F, //"3"
0x66, //"4"
0x6D, //"5"
0x7D, //"6"
0x07, //"7"
0x7F, //"8"
0x6F, //"9"
0x00 //熄灭
};
void delayms(uint z) //延时函数
{ unsigned int i,j;
for(i=z;i>0;i--)
for(j=1000;j>0;j--);
}
uchar panduan() //判断人走了没有，走了就返回1 { uchar flag=0;
if(hw==1)
{ delayms(150);
if(hw==1)
{
/*delayms(1000);
delayms(1000);
delayms(1000);
delayms(1000);
delayms(1000);
if(hw==1)*/
flag=1;
return flag;
}
}
}
void int1() interrupt 2 //中断1的服务函数，实现报警的功能{ EX1=0; //关中断1
delayms(10);//
if(hw==0)
{ num++;
if(num==10)
num=0;
baojin=1;
shuma=leddata[num]; //输出至数码管显示
while(!panduan()) //等到人走
{ baojin=1; //报警
b_led=1; //点亮报警指示灯
delayms(100);
b_led=0; //关闭报警指示灯
delayms(100);
baojin=0; //关报警，这样开关能实现报警灯常亮的郊果，并能保证与
闪耀灯同步
}}
EX1=1; //开中断1
}
void init0() interrupt 0 //中断0的服务函数，实现功能的复位
{ EX0=0;
if(rst==0) //如果复位键按下
{
delayms(10); //延时去抖
if(rst==0) //如果还是按下
{ EA=0;
if(hw==1)
num=0; //清数码管
else
num=1;
shuma=leddata[num];
b_led=0;
while(rst==0) //等待键释放
{ z_led=0; //指示不在工作
}
z_led=1; //退出时指示在工作
EA=1; //开总中断}}
EX0=1;
}
void main()
{
z_led=1;
b_led=0;
baojin=0;
shuma=leddata[0];
PX0=1; //这些是中断初始化工作
PX1=0;
IT0=1;
EX0=1;
IT1=1;
EX1=1;
EA=1;
while(1); //无限循环等待
}
第四章调试及仿真
4.1 系统测试分析
4.1.1测试设备
秒表：精度0.01s
卷尺：精度0.01m
笔套：量角器
4.1.2 测试方法
1．首先让电路正常工作，把热释红外传感器放在适当的位置，使人体从远处逐渐靠近探测头，可测到的最大范围。
2．在距离探测头设定的距离，间隔一定时间内出现被测物，可测出传感器的最小反应时间。
3．把探测头置于一定的高度时，被测物由垂直最小的距离往两边逐渐扩大距离，测出传感器最大测量角度。
4．把不同的物体放入热释红外传感器的探测范围，可知什么物体可干扰传感器的测量。
4.1.3功能测试
1．本系统可测量最大范围为5.76米，最大角度为58°。
2．当检测到被测物体时，系统可以产生声光报警，并可使用手动键盘解除报警信号。
3．利用LED实时显示所测入侵次数。
4. 当系统单片机处于工作状态时，指示灯将会显示常亮，当有人入侵时常灭的指示灯将会闪烁，一段时间后将会熄灭。
4.1.4 指标测试及结果分析
1．探测头在离被测物一定的距离时，测量出经过探测头测量范围的入侵次数。如表4-1所示。
表4-1 一定距离的入侵次数探测
距离1m 2m 3m 4m 5m 5．5m 6m 入侵的次数30 30 30 30 30 30 30 实测的次数35 33 30 30 30 28 12
由测量结果可知，系统的探测头在距离被测物3m 到5m 的测量距离时，所测人数准确率最高。因为在热释传感器反应速度一定的情况下，被测物距离传感器距离越近时，被测物停留在传感器的探测时间就越长，因此会产生误判的情况。反之，被测物距离探测头比较远时，由于外界环境的干扰可能会产生测量不到的情况。
2．在入侵产生报警的情况下，其报警时间的测量，如表4-2所示。
表4-2 报警的时间测试
报警次数 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 第7次 每次报警时间（秒）
88
85
69
71
79
78
82
其平均值为：（88+85+69+71+79+78+82）／7=78.8（S ）
由测量结果可知，系统在产生报警时，其时间受外界及硬件的影响，同时也会由于人为计时产生误差引起。所测结果与现实生活比较接近，能直观的反映实际，其基本的报警时间基本在78.8秒左右。
3．把传感器置于离被测物高出1.5米的地方，然后往两边逐渐扩大距离,如图4-1，测试系统是否报警。如表4-3为所示。
表4-3 传感器探测角度范围
角度(A °) 0° 30° 40° 50° 55° 60° 是否报警
是
是
是
是
是
没
由以上所测结果所知，被测物的最大测量角度在55度到60度之间。 4．当不同的物体放入系统的被测范围时，可知什么物体可干扰传感器的测量,并且测试系统是否报警。如表4-4所示。
A °
1．5m
探测头
被测物
图4-1 探测头最大角度探测
表4-4 报警功能的测试
进入测量范围物体人体小狗发光电灯开启的计算机
是否测到和报警是是否否
由以上结论可知：由于小狗热辐射的红外线波长与人体热辐射的红外波长范围差不多,故可以探测到小狗。一些其他一些物体，即使是发光或发热，但由于他们所发射的波长与系统红外探测器的接收波长范围不同，所以探测不到其他物体。
4.2系统仿真
以上程序所编写的程序，通过Keil编译软件已经编译通过，同时运行效果已经通过仿真软件Proteus仿真，可以达到预定设计的目的，仿真效果图如下图
4-2所示。
图4-2 结果仿真效果图
通过仿真效果图可以看出，该设计程序的结果达到了预期的目的，通过多次调试和修改，且在程序设计过程中应考虑到各方面的干扰以及输入输出信号在工作中的不稳定因素，都应该在程序设计或硬件外围电路中对这些干扰和不稳定因素进行消除和稳定。在本设计中已经对外部输入信号和按键中断进行了软件消抖和防止干扰处理，并处理了设计中所应考虑的问题和因素。
第五章总结
本文基于Lon Works现场总线技术。建立了分散式智能控制网络系统,探讨了其结构特征、控制策略,并设计了基于Lon Works的小区智能安全防盗控制系统。随着现场总线技术的快速发展,可以遇见,Lon Works技术将在该领域中不断得到更为广泛的应用。
经过1个月毕设, 根据设计任务的要求，我详细了解Lon Works技术应用及红外传感器的工作原理和复习所学知识的基础上，并阐述了TA89C52单片机的控制原理、传感器使用方法，我完成了设计任务的要求，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了电路原理样机并进行调试。虽说这个课程设计不是很难，但从课题的选择，方案的论证，到电路的设计，程序的编写，一步步我都抱着严肃认真的态度，我收获很大。在设计中，我力求硬件电路简单，充分发挥软件灵活方面的特点，满足系统设计要求，因为四年很快就过去了，我总得做好一样东西让自己轻松地离开学校，那才不枉费这四年的青春。
整个课程设计过程，对我来说是一个能力提高的过程，我们不仅培养了我的独立思考能力，进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力，而且在编程方面和电路认识的能力有所加强，特别是编程方面，原本我的编程基础不是很好，但经过我的不断学习，努力攻克编程难关。如今，我发现原来程序设计也是很有趣的事情，而且也没有那么难。课程设计的过程又是一个考验我毅力和细心的过程，在题目的制作过程中，我遇到了很多困难和问题，经过查阅相关资料，还有老师和同学的热心帮助，解决重重困难，最终完成了作品。
通过课程设计，让我更加清楚了理论知识和实践能力的差别，了解到自己的缺陷，我将不断扩充知识量，加强动手能力的培养，积累实践工程经验，让自己在以后的工作中更快的适应和提高自己。
参考文献
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京:清华大学出版社,1999.
[2] 杨汉华，凌福玲.一种新型的家用防盗报普系统[J].信息技术.2002,7(4)
[3] 杨育红.Lon 网络技术及其应用.西安:西安电子科技大学出版社,1999
[4] 王爱英.智能卡技术--IC卡.北京:清华大学出版社,2000.
[5] 吴英才，林华清编著. 热释电红外传感器在防盗系统中的应用传感器技术
[J],信息技术，1993.