第七章：簡單入侵檢測系統Introduction

簡單入侵檢測系統是課程講解的第一個完整的簡單測控系統，該系統是在前面學習的簡單模塊基礎上，通過組合硬件實現簡單測控系統硬件的設計與實現，然后編寫簡單代碼來了解簡單入侵檢測系統的工作。本章的主要順序為：

首先直接給出簡單入侵檢測系統的項目規范，其中包含需要實現的具體功能。

第二，使用計算機電路設計軟件進行電路設計；

第三，實際搭建出該簡單入侵檢測系統；最后通過編寫控制代碼來對該簡單入侵檢測系統進行測試與使用。本章要點本章需要掌握的要點如下：

·簡單入侵檢測系統的架構設計

·簡單入侵檢測系統的搭建與測試

·使用C語言編寫軟件實現簡單入侵檢測系統的行為本章需要了解的要點如下：

·簡單入侵檢測系統的基本原理

·簡單入侵檢測系統的簡單項目規范目錄7.1簡單入侵檢測系統簡介7.2簡單入侵檢測系統項目目標與項目規范7.3硬件系統設計與實現7.4軟件設計與實現7.5系統聯合調試7.1簡單入侵檢測系統簡介[課程目標]簡單入侵檢測系統用于檢測非法入侵[實際場景]實際中中典型場景為：防止外界非法入侵的紅外柵欄。例如當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，當碰觸到紅外柵欄的紅外線信號后，系統會檢測到該信號被觸發，由系統軟件控制交流繼電器閉合，聲光報警裝置通電并啟動，此時聲光報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，起到了簡單的安全防范作用。實際當中的入侵檢測系統遠比上述應用場景復雜，例如：遭受入侵之前的警告提示，遭受入侵時的物業預警、報警、拍照取證、用戶實時告知等等行為。7.1簡單入侵檢測系統簡介圖演示了一個完整的入侵檢測系統。由這些子系統共同組成了一個嚴密、可靠、完整的安防監控體系，這是一個最終的實際應用案例系統。[Hint]一個人的力量無法實現上述完整系統從設計、研發、實現、生產以及安裝調試全部過程。但是同學們在學習嵌入式與物聯網整體體系的過程當中不僅需要研發某個產品點，而且需要從整體系統的角度去理解整個系統的整體架構。這是一個專業技術人員從基本技術學習到專業技術管理轉變的畢竟之路，一般而言的一個專業技術人員后續的從業生涯通常是從專業技術到專業技術管理的轉變。所以從這個角度而言，學習與實踐專業技術過程是任何一個依賴專業技術從事工作的人不可避免的必經之路。7.2簡單入侵檢測系統項目目標與項目規范7.2.1簡單入侵檢測系統設計目標

本章需要完成一個非常簡單的入侵檢測系統，該簡單系統主要依據前面兩章我們自行設計的光電開關模塊與繼電器模塊來完成。

系統行為過程描述：

當有物體到達光電開關模塊前方時，若物體在光電開關檢測范圍之內，則檢測有效；此時，啟動繼電器使得其閉合。7.2簡單入侵檢測系統項目目標與項目規范7.2.1簡單入侵檢測系統設計目標

通常光電開關模塊可以直接控制一個報警裝置，比如：220V的警鈴之類的。于此同時開發板上一排LED開始閃爍。當物體離開光電開關前方，系統恢復正常。上述過程可多次重復。簡單入侵檢測系統的基本系統架構如下圖示

單片機主控制系統光電傳感器模塊

繼電器模塊LED模塊7.2簡單入侵檢測系統項目目標與項目規范7.2.2簡單入侵檢測系統設計規范[任務名稱]簡單入侵檢測系統設計要求[目標簡述]完成簡單入侵檢測系統的設計與實現[具體功能] 1、自行設計簡單入侵檢測系統的原理架構圖。 2、依照設計的原理架構圖來連接系統電路板，并測試該電路板硬件正常，簡單入侵檢測系統信號線連接到P0.0口上，控制線連接到P1.0口上。 3、編寫簡單代碼測試繼電器電路板，簡單入侵檢測系統收到信號“1”，則繼電器跳（會有聲音）；繼電器收到“0”信號，繼電器跳回原來狀態；重復此循環。7.2簡單入侵檢測系統項目目標與項目規范7.2.2簡單入侵檢測系統設計規范9、講解用PPT,講解用PPT上交文件名為：

模塊項目講解文件.PPT10、全部文檔資料整理打包,文件名為：

序號_姓名.rar[注意]序號_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]源代碼需要達到如下要求：源代碼中最上面一行加一個注釋，寫上：序號_姓名上面的要求（3）源代碼關鍵位置給出注釋上面的要求（4）函數的開始處寫上注釋上面的要求（5）XXX硬件測試文檔.DocXXX軟件測試文檔.DOC XXX功能說明書.DOC原理圖與PCB文件問題文檔.DOC模塊項目講解文件.PPT[要求]1、必須寫出算法文檔（中文、偽代碼均可）

[注意]1、主程序一個算法

每個子程序（函數）各自一個算法2、必須畫出程序流程圖

[注意]1、主程序一個程序流程圖

每個子程序（函數）各自一個程序流程圖

源代碼上交與注釋規范。硬件測試文檔,硬件測試文檔上交文件名為： XXX硬件測試文檔.Doc5、必須給出軟件代碼測試的測試用例表格,軟件代碼測試文檔上交文件名為： XXX軟件測試文檔.DOC6、必須給出實體系統功能的功能說明書,功能說明書上交文件名為： XXX功能說明書.DOC 7、原理圖、PCB文檔。原理圖與PCB文檔依照要求完成即可。8、本項目完成過程中的問題文檔,上交文件名為：問題文檔.DOC7.3硬件系統設計與實現圖7.2的問題：硬件部分：

光電傳感器模塊與單片機主控系統如何連接？

繼電器模塊與單片機主控系統如何連接？ LED模塊與單片機主控系統如何連接？軟件部分：

整個系統行為是什么？

光電傳感器模塊對整個系統而言做什么用？如何用？

繼電器模塊對整個系統而言做什么用？如何用？ LED模塊對整個系統而言做什么用？如何用？

如何編程？綜上所述：圖7.2過于概括了，它只是個大概的框架而已，根本無法解決問題！

單片機主控制系統光電傳感器模塊

繼電器模塊LED模塊7.3硬件系統設計與實現7.3.1原理設計第一個問題：光電傳感器模塊與單片機主控系統的連接問題。這個問題的根本就是：光電傳感器模塊的引腳有幾個，是哪幾個？單片機上能夠提供何種方式與其連接，怎么連接？7.3硬件系統設計與實現7.3.1原理設計第二個問題：繼電器模塊與單片機主控系統的連接問題。這個問題的解決思路與第一個問題類似7.3硬件系統設計與實現第三個問題：LED發光二極管模塊與單片機主控系統連接。這里由于教材采用的單片機主控板上帶有LED發光二極管，因此只需直接編程控制即可。讀者后續也可以自行設計LED發光二極管模塊，當然讀者也可以自行設計段碼LED模塊或是點陣LED模塊7.3硬件系統設計與實現7.3.2硬件實現第一步：連接光電傳感器模塊到單片機主控板上7.3硬件系統設計與實現7.3.2硬件實現第二步：連接繼電器模塊到單片機主控板上繼電器模塊光電傳感器模塊7.3硬件系統設計與實現7.3.2硬件實現第三步：使用萬用表測試是否短路、電壓是否正常等主要目標在于測試兩個可能導致的嚴重問題：第一個問題為電源與地線是否短路問題，第二個問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，需要使用萬用表來檢測連接是否正常，特別注意這種檢測只是初步檢測，而且不要給電路通電，是通電之前的嚴重故障預防方法。第四步：初次通電檢查操作演示7.4軟件設計與實現閉環控制是控制論的一個基本概念，指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。控制論中，閉環通常指輸出端通過“旁鏈”方式回饋到輸入，所謂閉環控制。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環控制的目的，這種目的是通過反饋來實現的。本章介紹的簡單入侵檢測系統，輸入的信號為0,1信號，受控的信號為開關信號（事實上也是0,1信號）。即：通過不斷測量輸入的信號，根據輸入信號的情況進行判斷，然后發送信號給控制端；并根據輸入信號的變化來發送不同的數據給控制端，以實現根據輸入信號進行調整，并控制輸出端。7.4軟件設計與實現7.4.1算法設計系統分析：

簡單入侵檢測系統設計目標，我們來簡單分析滿足設計要求的系統行為，這個系統行為可以歸結為需要實現如下幾個功能：

系統能夠正確接收光電傳感器模塊采集的外部信號

系統能夠控制繼電器模塊的閉合與斷開

系統能夠控制板子上LED的開關

當沒有物體擋在光電傳感器模塊前時，無外部信號觸發、系統沒有任何變化；

當有物體擋在光電傳感器模塊前時，有外部信號觸發、系統啟動繼電器，并LED燈閃爍模擬報警。當擋在光電傳感器模塊前的物體離開時，系統關閉繼電器，LED等閃爍停止（注意到該過程需要持續一段時間）。7.4軟件設計與實現7.4.1算法設計算法描述算法：簡單入侵檢測系統行為描述算法輸入：無輸出：無第一步：當沒有外部信號被觸發時，等待光電傳感器外部信號被觸發；第二步：開啟繼電器第三步：開啟LED閃爍第四步：延時一段時間第五步：關閉繼電器，關閉LED。第六步：重復上述循環

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

7.4軟件設計與實現7.4.2軟件設計[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，同學們發揮創造力，每個人都可以寫出完全不一樣風格的代碼，但是其功能卻是完全一樣的。操作演示7.5系統聯合調試系統聯合調試的主要目標是希望對我們搭建的簡單測控系統硬件、和編寫的代碼結合起來，并達到前面預期的簡單測控目標。最直接的目的就是：

當有個物體擋住在了光電傳感器模塊的光電頭前端的時候，繼電器閉合（注意由于沒有接任何負載，因此只能聽到閉合當時的一次很小的吸合聲）、并且LED開始閃爍。

當光電傳感器模塊的光點頭前端沒有任何遮擋的時候，系統不作任何響應。即：LED不閃爍，繼電器歸位。只要完成了上述功能，即當是完成了簡單的入侵檢測系統的最簡單的功能，系統聯合調試，只要能達到這個目標即可。7.5系統聯合調試系統聯合調試是所有嵌入式系統開發過程中的必要部分，一般遵循的原則比較簡單：先易后難。以本系統為例，聯合調試的時候，由于有硬件部分與軟件部分；或許單獨使用都沒有任何問題，但是全部裝配到一個整體板上就存在某些“不可預知”的問題。那么解決這些問題遵循先易后難的原則實際上的做法就是：

第一步：單獨從硬件到軟件測試每一個模塊

第二步：逐個聯合測試其他模塊

第三步：統一測試整個系統。7.5系統聯合調試7.5.1模塊調試[Hint] 在模塊測試中一般而言最先測試的一定是最穩定的模塊，并將最穩定的模塊作為最基本的依據，最好是顯示模塊。這是由于顯示模塊可以給開發者以提示，提示開發者繼續后續的開發工作，其他模塊就沒有這種優勢了。從這個角度出發，最好是先測試顯示模塊。7.5系統聯合調試7.5.1模塊調試本系統有三個模塊：光電傳感器模塊、繼電器模塊、LED發光二極管模塊。系統中LED發光二極管顯示模塊是直接設計到單片機開發板上的，測試起來就尤其簡單了。則我們確定了測試的第一個模塊：LED發光二極管模塊。在剩下的光電傳感器模塊與繼電器模塊兩個當中，光電傳感器模塊是集成器件，而且前面章節設計的模塊也非常簡單，但是繼電器模塊就相對復雜。測試的第二個模塊應當在剩下的兩個模塊中選擇光電傳感器模塊。那么我們的模塊測試順序應當如下：

第一步：先測試LED發光二極管模塊

第二步