傳感器與綜合控制技術(shù)課件第7章：簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)VIP

第七章：簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)Introduction

簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)是課程講解的第一個(gè)完整的簡(jiǎn)單測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在前面學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)單模塊基礎(chǔ)上，通過(guò)組合硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單測(cè)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，然后編寫(xiě)簡(jiǎn)單代碼來(lái)了解簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的工作。本章的主要順序?yàn)椋?/p>

首先直接給出簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目規(guī)范，其中包含需要實(shí)現(xiàn)的具體功能。

第二，使用計(jì)算機(jī)電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；

第三，實(shí)際搭建出該簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)；最后通過(guò)編寫(xiě)控制代碼來(lái)對(duì)該簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與使用。本章要點(diǎn)本章需要掌握的要點(diǎn)如下：

·簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

·簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的搭建與測(cè)試

·使用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的行為本章需要了解的要點(diǎn)如下：

·簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理

·簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單項(xiàng)目規(guī)范目錄7.1簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介7.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)范7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.5系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試7.1簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介[課程目標(biāo)]簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)非法入侵[實(shí)際場(chǎng)景]實(shí)際中中典型場(chǎng)景為：防止外界非法入侵的紅外柵欄。例如當(dāng)用戶在院墻附近安裝紅外柵欄后，如果有非法用戶翻墻入內(nèi)，當(dāng)碰觸到紅外柵欄的紅外線信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到該信號(hào)被觸發(fā)，由系統(tǒng)軟件控制交流繼電器閉合，聲光報(bào)警裝置通電并啟動(dòng)，此時(shí)聲光報(bào)警裝置閃爍并警鈴響起。則以此種方式通知戶主并警告入侵者，起到了簡(jiǎn)單的安全防范作用。實(shí)際當(dāng)中的入侵檢測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)比上述應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，例如：遭受入侵之前的警告提示，遭受入侵時(shí)的物業(yè)預(yù)警、報(bào)警、拍照取證、用戶實(shí)時(shí)告知等等行為。7.1簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖演示了一個(gè)完整的入侵檢測(cè)系統(tǒng)。由這些子系統(tǒng)共同組成了一個(gè)嚴(yán)密、可靠、完整的安防監(jiān)控體系，這是一個(gè)最終的實(shí)際應(yīng)用案例系統(tǒng)。[Hint]一個(gè)人的力量無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述完整系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、研發(fā)、實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)以及安裝調(diào)試全部過(guò)程。但是同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)整體體系的過(guò)程當(dāng)中不僅需要研發(fā)某個(gè)產(chǎn)品點(diǎn)，而且需要從整體系統(tǒng)的角度去理解整個(gè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。這是一個(gè)專業(yè)技術(shù)人員從基本技術(shù)學(xué)習(xí)到專業(yè)技術(shù)管理轉(zhuǎn)變的畢竟之路，一般而言的一個(gè)專業(yè)技術(shù)人員后續(xù)的從業(yè)生涯通常是從專業(yè)技術(shù)到專業(yè)技術(shù)管理的轉(zhuǎn)變。所以從這個(gè)角度而言，學(xué)習(xí)與實(shí)踐專業(yè)技術(shù)過(guò)程是任何一個(gè)依賴專業(yè)技術(shù)從事工作的人不可避免的必經(jīng)之路。7.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)范7.2.1簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本章需要完成一個(gè)非常簡(jiǎn)單的入侵檢測(cè)系統(tǒng)，該簡(jiǎn)單系統(tǒng)主要依據(jù)前面兩章我們自行設(shè)計(jì)的光電開(kāi)關(guān)模塊與繼電器模塊來(lái)完成。

系統(tǒng)行為過(guò)程描述：

當(dāng)有物體到達(dá)光電開(kāi)關(guān)模塊前方時(shí)，若物體在光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)范圍之內(nèi)，則檢測(cè)有效；此時(shí)，啟動(dòng)繼電器使得其閉合。7.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)范7.2.1簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

通常光電開(kāi)關(guān)模塊可以直接控制一個(gè)報(bào)警裝置，比如：220V的警鈴之類的。于此同時(shí)開(kāi)發(fā)板上一排LED開(kāi)始閃爍。當(dāng)物體離開(kāi)光電開(kāi)關(guān)前方，系統(tǒng)恢復(fù)正常。上述過(guò)程可多次重復(fù)。簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的基本系統(tǒng)架構(gòu)如下圖示

單片機(jī)主控制系統(tǒng)光電傳感器模塊

繼電器模塊LED模塊7.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)范7.2.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[任務(wù)名稱]簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[目標(biāo)簡(jiǎn)述]完成簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[具體功能] 1、自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)的原理架構(gòu)圖。 2、依照設(shè)計(jì)的原理架構(gòu)圖來(lái)連接系統(tǒng)電路板，并測(cè)試該電路板硬件正常，簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)線連接到P0.0口上，控制線連接到P1.0口上。 3、編寫(xiě)簡(jiǎn)單代碼測(cè)試?yán)^電器電路板，簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)收到信號(hào)“1”，則繼電器跳（會(huì)有聲音）；繼電器收到“0”信號(hào)，繼電器跳回原來(lái)狀態(tài)；重復(fù)此循環(huán)。7.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目目標(biāo)與項(xiàng)目規(guī)范7.2.2簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范9、講解用PPT,講解用PPT上交文件名為：

模塊項(xiàng)目講解文件.PPT10、全部文檔資料整理打包,文件名為：

序號(hào)_姓名.rar[注意]序號(hào)_姓名.rar打包文件目錄列表：XXX算法文檔.doc程序流程圖.docXXX.C [注意]源代碼需要達(dá)到如下要求：源代碼中最上面一行加一個(gè)注釋，寫(xiě)上：序號(hào)_姓名上面的要求（3）源代碼關(guān)鍵位置給出注釋上面的要求（4）函數(shù)的開(kāi)始處寫(xiě)上注釋上面的要求（5）XXX硬件測(cè)試文檔.DocXXX軟件測(cè)試文檔.DOC XXX功能說(shuō)明書(shū).DOC原理圖與PCB文件問(wèn)題文檔.DOC模塊項(xiàng)目講解文件.PPT[要求]1、必須寫(xiě)出算法文檔（中文、偽代碼均可）

[注意]1、主程序一個(gè)算法

每個(gè)子程序（函數(shù)）各自一個(gè)算法2、必須畫(huà)出程序流程圖

[注意]1、主程序一個(gè)程序流程圖

每個(gè)子程序（函數(shù)）各自一個(gè)程序流程圖

源代碼上交與注釋規(guī)范。硬件測(cè)試文檔,硬件測(cè)試文檔上交文件名為： XXX硬件測(cè)試文檔.Doc5、必須給出軟件代碼測(cè)試的測(cè)試用例表格,軟件代碼測(cè)試文檔上交文件名為： XXX軟件測(cè)試文檔.DOC6、必須給出實(shí)體系統(tǒng)功能的功能說(shuō)明書(shū),功能說(shuō)明書(shū)上交文件名為： XXX功能說(shuō)明書(shū).DOC 7、原理圖、PCB文檔。原理圖與PCB文檔依照要求完成即可。8、本項(xiàng)目完成過(guò)程中的問(wèn)題文檔,上交文件名為：?jiǎn)栴}文檔.DOC7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖7.2的問(wèn)題：硬件部分：

光電傳感器模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)如何連接？

繼電器模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)如何連接？ LED模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)如何連接？軟件部分：

整個(gè)系統(tǒng)行為是什么？

光電傳感器模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言做什么用？如何用？

繼電器模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言做什么用？如何用？ LED模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言做什么用？如何用？

如何編程？綜上所述：圖7.2過(guò)于概括了，它只是個(gè)大概的框架而已，根本無(wú)法解決問(wèn)題！

單片機(jī)主控制系統(tǒng)光電傳感器模塊

繼電器模塊LED模塊7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.3.1原理設(shè)計(jì)第一個(gè)問(wèn)題：光電傳感器模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)的連接問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的根本就是：光電傳感器模塊的引腳有幾個(gè)，是哪幾個(gè)？單片機(jī)上能夠提供何種方式與其連接，怎么連接？7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.3.1原理設(shè)計(jì)第二個(gè)問(wèn)題：繼電器模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)的連接問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的解決思路與第一個(gè)問(wèn)題類似7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第三個(gè)問(wèn)題：LED發(fā)光二極管模塊與單片機(jī)主控系統(tǒng)連接。這里由于教材采用的單片機(jī)主控板上帶有LED發(fā)光二極管，因此只需直接編程控制即可。讀者后續(xù)也可以自行設(shè)計(jì)LED發(fā)光二極管模塊，當(dāng)然讀者也可以自行設(shè)計(jì)段碼LED模塊或是點(diǎn)陣LED模塊7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.3.2硬件實(shí)現(xiàn)第一步：連接光電傳感器模塊到單片機(jī)主控板上7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.3.2硬件實(shí)現(xiàn)第二步：連接繼電器模塊到單片機(jī)主控板上繼電器模塊光電傳感器模塊7.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.3.2硬件實(shí)現(xiàn)第三步：使用萬(wàn)用表測(cè)試是否短路、電壓是否正常等主要目標(biāo)在于測(cè)試兩個(gè)可能導(dǎo)致的嚴(yán)重問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題為電源與地線是否短路問(wèn)題，第二個(gè)問(wèn)題是左邊引腳與右邊引腳的連接是否正常。[Hint]物理線路連接完成之后，需要使用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)連接是否正常，特別注意這種檢測(cè)只是初步檢測(cè)，而且不要給電路通電，是通電之前的嚴(yán)重故障預(yù)防方法。第四步：初次通電檢查操作演示7.4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制是控制論的一個(gè)基本概念，指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系?？刂普撝?，閉環(huán)通常指輸出端通過(guò)“旁鏈”方式回饋到輸入，所謂閉環(huán)控制。輸出端回饋到輸入端并參與對(duì)輸出端再控制，這才是閉環(huán)控制的目的，這種目的是通過(guò)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本章介紹的簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)，輸入的信號(hào)為0,1信號(hào)，受控的信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)（事實(shí)上也是0,1信號(hào)）。即：通過(guò)不斷測(cè)量輸入的信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)的情況進(jìn)行判斷，然后發(fā)送信號(hào)給控制端；并根據(jù)輸入信號(hào)的變化來(lái)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)給控制端，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，并控制輸出端。7.4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.4.1算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)分析：

簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們來(lái)簡(jiǎn)單分析滿足設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)行為，這個(gè)系統(tǒng)行為可以歸結(jié)為需要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：

系統(tǒng)能夠正確接收光電傳感器模塊采集的外部信號(hào)

系統(tǒng)能夠控制繼電器模塊的閉合與斷開(kāi)

系統(tǒng)能夠控制板子上LED的開(kāi)關(guān)

當(dāng)沒(méi)有物體擋在光電傳感器模塊前時(shí)，無(wú)外部信號(hào)觸發(fā)、系統(tǒng)沒(méi)有任何變化；

當(dāng)有物體擋在光電傳感器模塊前時(shí)，有外部信號(hào)觸發(fā)、系統(tǒng)啟動(dòng)繼電器，并LED燈閃爍模擬報(bào)警。當(dāng)擋在光電傳感器模塊前的物體離開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉繼電器，LED等閃爍停止（注意到該過(guò)程需要持續(xù)一段時(shí)間）。7.4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.4.1算法設(shè)計(jì)算法描述算法：簡(jiǎn)單入侵檢測(cè)系統(tǒng)行為描述算法輸入：無(wú)輸出：無(wú)第一步：當(dāng)沒(méi)有外部信號(hào)被觸發(fā)時(shí)，等待光電傳感器外部信號(hào)被觸發(fā)；第二步：開(kāi)啟繼電器第三步：開(kāi)啟LED閃爍第四步：延時(shí)一段時(shí)間第五步：關(guān)閉繼電器，關(guān)閉LED。第六步：重復(fù)上述循環(huán)

while(1){ while(!invade); RELAY=1; blinkLed(); delay(3000); RELAY=0;}

7.4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7.4.2軟件設(shè)計(jì)[Hint] 教材上是有源代碼的，但是教材上的源代碼不是唯一的方法，同學(xué)們發(fā)揮創(chuàng)造力，每個(gè)人都可以寫(xiě)出完全不一樣風(fēng)格的代碼，但是其功能卻是完全一樣的。操作演示7.5系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的主要目標(biāo)是希望對(duì)我們搭建的簡(jiǎn)單測(cè)控系統(tǒng)硬件、和編寫(xiě)的代碼結(jié)合起來(lái)，并達(dá)到前面預(yù)期的簡(jiǎn)單測(cè)控目標(biāo)。最直接的目的就是：

當(dāng)有個(gè)物體擋住在了光電傳感器模塊的光電頭前端的時(shí)候，繼電器閉合（注意由于沒(méi)有接任何負(fù)載，因此只能聽(tīng)到閉合當(dāng)時(shí)的一次很小的吸合聲）、并且LED開(kāi)始閃爍。

當(dāng)光電傳感器模塊的光點(diǎn)頭前端沒(méi)有任何遮擋的時(shí)候，系統(tǒng)不作任何響應(yīng)。即：LED不閃爍，繼電器歸位。只要完成了上述功能，即當(dāng)是完成了簡(jiǎn)單的入侵檢測(cè)系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單的功能，系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，只要能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)即可。7.5系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試是所有嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的必要部分，一般遵循的原則比較簡(jiǎn)單：先易后難。以本系統(tǒng)為例，聯(lián)合調(diào)試的時(shí)候，由于有硬件部分與軟件部分；或許單獨(dú)使用都沒(méi)有任何問(wèn)題，但是全部裝配到一個(gè)整體板上就存在某些“不可預(yù)知”的問(wèn)題。那么解決這些問(wèn)題遵循先易后難的原則實(shí)際上的做法就是：

第一步：?jiǎn)为?dú)從硬件到軟件測(cè)試每一個(gè)模塊

第二步：逐個(gè)聯(lián)合測(cè)試其他模塊

第三步：統(tǒng)一測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)。7.5系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試7.5.1模塊調(diào)試[Hint] 在模塊測(cè)試中一般而言最先測(cè)試的一定是最穩(wěn)定的模塊，并將最穩(wěn)定的模塊作為最基本的依據(jù)，最好是顯示模塊。這是由于顯示模塊可以給開(kāi)發(fā)者以提示，提示開(kāi)發(fā)者繼續(xù)后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作，其他模塊就沒(méi)有這種優(yōu)勢(shì)了。從這個(gè)角度出發(fā)，最好是先測(cè)試顯示模塊。7.5系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試7.5.1模塊調(diào)試本系統(tǒng)有三個(gè)模塊：光電傳感器模塊、繼電器模塊、LED發(fā)光二極管模塊。系統(tǒng)中LED發(fā)光二極管顯示模塊是直接設(shè)計(jì)到單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的，測(cè)試起來(lái)就尤其簡(jiǎn)單了。則我們確定了測(cè)試的第一個(gè)模塊：LED發(fā)光二極管模塊。在剩下的光電傳感器模塊與繼電器模塊兩個(gè)當(dāng)中，光電傳感器模塊是集成器件，而且前面章節(jié)設(shè)計(jì)的模塊也非常簡(jiǎn)單，但是繼電器模塊就相對(duì)復(fù)雜。測(cè)試的第二個(gè)模塊應(yīng)當(dāng)在剩下的兩個(gè)模塊中選擇光電傳感器模塊。那么我們的模塊測(cè)試順序應(yīng)當(dāng)如下：

第一步：先測(cè)試LED發(fā)光二極管模塊

第二步