设计基于单片机智能家居安防报警系统的设计.docx
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设计基于单片机智能家居安防报警系统的设计
【关键字】设计
江苏农林职业技术学院
毕业设计（论文）
SNL/
基于单片机智能家居安防报警系统的设计
专业机电一体化技术
学生姓名曹家凯
班级12机电一体化3班
学号2
指导教师孙昌权
完成日期
成绩评议
学号 2 姓名曹家凯
题目基于单片机智能家居安防报警系统的设计
指导教师建议成绩：
评阅教师建议成绩：
答辩小组建议成绩：
院答辩委员会评阅意见及评定成绩：
答辩委员会主任签字（盖章）：
年月日
毕业设计（论文）任务书
姓名
曹家凯
学号
2
班级
12机电一体化3班
题目
基于单片机智能家居安防报警系统的设计
设计（论文）主要内容
本文是基于AT89C51单片机设计的智能家居安防报警系统，主要包含设计和软件设计两个部分。
1.硬件设计包括低频带通放大电路、电压比较整形电路、报警电路、灯光警示电路、状态显示电路、供电电源电路、单片机最小系统。
2.软件设计包括主程序和中断程序的设计。
重点研究问题
1.主控芯片的选用
2.前端探测器的主要功能
3.系统软件程序的设计
主要技术指标
1.安防报警系统能够长时间稳定运行。
2.系统硬件设计和软件设计具有可行性。
3.能够实现智能安防报警的作用。
其它要说明的问题
指导老师意见
指导教师签字：
年月日
指导教师意见
对论文的简短评价：
1.指出论文存在的问题及错误
2.对创造性工作评价
3.建议成绩
优良中及格不及格
指导教师签字
年月日
评阅教师意见
对论文的简短评价：
1.指出论文存在的问题及错误
2.对创造性工作评价
3.建议成绩
优良中及格不及格
评阅教师签字
年月日
答辩小组评议意见
学号 2 姓名曹家凯
题目基于单片机智能家居安防报警系统的设计
答辩小组意见：
1、对论文的评价
2.建议成绩等级
优良中及格不及格
3.需要说明的问题
答辩小组长签字
年月日
基于单片机智能家居安防报警系统的设计
摘要:
随着经济的发展，人们越来越重视家庭人身财产的安全，安全防护已经是最近几年的热门话题之一。
智能家居安防报警系统作为现代家庭安防的主要方式，已被社会各界广泛的使用。
本文设计的作用是当门或者窗受到不明外来侵害，或者意外发生火灾时，系统会自动发出报警信号以提高人身的安全和降低财产的损失。
本系统包含硬件设计和软件设计两个部分。
硬件部分是由处理器MCS-51系列的AT51单片机与红外传感器、烟雾传感器等组合而成的。
系统软件控制着整个系统的运行。
关键词：
报警系统；智能家居；传感器；AT51：
Abstract:
Withthedevelopmentofeconomy,peoplepaymoreandmoreattentiontofamilypersonalpropertysecurity,securityisoneofthehottopicsinrecentyears.Smarthomesecurityalarmsystemasthemainwayofmodernfamilysecurity,hasbeenwidelyusedfromallwalksoflife.Designofthisarticleiswhenthedoororwindowisunknownforeigninvasion,orwhenafireaccidenthappened,thesystemwillautomaticallysendalarmsignaltoimprovethepersonalsafetyandreducethelossoftheproperty.Thissystemincludeshardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.HardwarepartlybyMCS-51seriesprocessorAT51single-chipmicrocomputerandinfraredsensor,smokesensorcombination.Theoperationofthesystemsoftwarecontrolsthewholesystem.
Keywords:
Alarmsystem;intelligenthome;sensors;AT51:
1绪论
随着社会生产力的发展和科学水平的进步，贫富两极分化程度不断扩大，贫富之间的矛盾更加日益分化，使得社会治安也存在着一些不稳定因素，另外随着城乡人口的流动量的增大。
入室盗窃、抢劫高科技犯罪的案件时有发生，给人们的生活安全带来了一定的影响。
那么如何能尽量避免这些盗窃事件的发生呢?
除了国家地区的治安维护外，安全到位的防盗系统也是必不可少的。
传统的防盗设备是金属打造的防盗网，除不美观之外，安全风险也是漏洞百出。
金属防盗网造价成本高，安装困难。
当主人不在家时，盗贼用很少的时间就可以破网而入，进入房间时没有任何的警报信息传递出去，从而使犯罪分子可以随心所欲的进行盗窃。
假设一旦发生火灾，这种金属防盗网势必会给自己的逃生带来困扰,在这个高度发达的社会，高科技智能安防产品必然会取代传统的“铁笼子”，成为人们的首选。
在这个信息通讯技术高速发展的时代，单片机具有价格低廉、体积小、高性能和高集成度等优点被广泛应用于数据采集、工业控制、数控机床等行业。
利用单片机开发的智能防盗系统操作简单价格低廉被广泛的应用于社会各界，以单片机为主的报警器对中国家庭来说价格较低，人们更容易接受。
1.1安防报警系统的概述
安防报警系统的设置是为了满足现代化住宅的需要以及维护社会公共安全为目的，它主要是由各种安防产品和其它相关产品所组成的入侵报警系统。
一个完整体系的安防报警系统主要包括门禁、报警和监控三大部分构成，给人们的生命财产安全加上了一道保险。
1.2安防报警系统的构成
现在小区安防一般是由报警控制器和前端探测器两部分组成。
报警控制器是一台和电脑服务器一样的，用于控制信号的处理，检测系统本身的故障。
在一个整体的安防系统中报警控制器一般是由信号的输入输出部分、电源部分、内置拨号器等这几个方面组成。
前端探测器是由红外探测器、红外微波双鉴器、玻璃破碎探测器、紧急呼救按钮以及门磁开关等部分组成。
现代小区住宅的防盗报警系统一般有五道安全防线。
由小区住宅四周的报警系统组成的第一道防线，是为了防止不法分子以不正当的手段进入小区；由社区的整体监控系统组成的第二道安全防线，是为了监控小区的进出人员以及小区周围的人群，提高报警响应效率；第三道安全防线是由保安的日常巡逻管理所构成；第四道安全防线是由门铃及对讲可视系统构成；第五道安全防线也是整个安防体系中最后也是最重要的一环，它是由家庭防盗报警系统组成，当不法分子以不正当手段入侵住户或者发生灾情时，能够即时有效的将
室内发生的情况传递出去，以达到安防系统的目的。
1.3安防报警器的分类
安防报警器一般包括红外报警器、声光报警器、激光报警器等；若按信息传输信道的不同，从探测器到主机之间可分为有线报警和无线报警；按探测器的工作方式可分为主动式和被动式两类；从探测器到主机之间可分为有线和无线2种；按使用场所可分为：
室内报警和室外报警；按警戒范围可分为：
现场警告型和无线报警型。
每一种报警器都有它的优点和缺点，选择报警器要根据实际情况来选择。
1.4安防报警系统的应用
近年来随着科技的发展人们住宅水平不断提高，使人们意识到了家庭安防的重要性，安防行业随着现代社会的需要得到了非常大的发展前景，各式各样的安防产品被应用于各类行业中，为了保互社会的发展和家庭人身财产的安全发挥了重要的作用。
做为整个安防系统中最重要的一环节防盗报警系统在很多大小型场合都发挥着至关重要作用，比如学校、家庭住宅、大型超市等。
防盗报警系统的应用面在逐渐扩大，市场前景也越来越好。
防盗报警系统在某单一领域中呈良好的发展趋势，比如：
1.小区防盗报警系统：
目前越来越多的房地产开发商开发楼盘的时，都会把“安防”作为整个楼盘的卖点，但是大多数所谓的“安防”只是一个华丽的装饰，基本上起不到安全防盗作用，现在绝大多数的小区居民安防意识不够高,小区安防系统也不够完善，所以才会不断的发生入室盗窃案件。
2.学校防盗报警系统：
从2010年开始，校园安防在各大高校之间逐步重视起来，随着国家加大教育的投资高校扩建，招生人数在不断扩大，高校进入了一个飞速发展时期，使校园防盗系统的应用范围程度不断扩大，校园安防也具有巨大的市场潜力。
除了上述的两个行业以外，还有其他的领域，比如金融，交通等。
在这些行业中安全隐患漏洞百出，安防系统在这些行业中有很大的潜在市场。
所以未来的防盗报警系统将会得到更快更好更成熟的发展。
1.5安防报警系统在国内外的发展
自从第一幢智能建筑在美国出现以后，欧洲、澳大利亚、韩国等一些经济比较发达的国家先后提出了各类智能家居的计划。
在美国，他们的家庭安全方面主要使用了联网报警服务模式，联网报警将把北美的安防产业进行整体合并，是一个非常成功的商业模式；在日本，家庭报警服务业非常发达。
他们在联网报警服务服务方面主要采取设备购买制或设备租赁制；在韩国，安防系统中的视频监控得到了普遍的使用。
中国的安防事业起源于上世纪中后期，它是随着科技的发展而成长起来的。
尤其是在加入WTO之后，安防事业的形式一片大好。
目前，随着我国安防的需求不断扩大，安防行业得到了巨大的发展，在北京、深圳等城市中，安防事业的发展各具特色。
但也存在着不少弊端，在近20年的发展国内从事报警运营服务的大约有3000家左右，然而，国内却无“领头羊”都是各自发展，终其原因是国内安防价格较高，质量上存在隐患，服务方式滞后，系统维护不到位难以形成统一的管理。
但是伴随着科技的进步，人们安全意识程度不断的提高，相信在不久的将来，安防行业会越来越规范化，越来越国际化。
2总体设计
2.1方案选择论证
一个完整的智能家居安防报警系统主要是由家庭报警主机和各种前端探测器组成
该系统设计方案有以下两种：
方案一：
利用报警系统和固定电话的联网来实现，该系统是由无线防盗报警探头、家庭服务器等组成。
利用无线报警探头的双重探测原理，确定是否有盗贼的入侵，当发现有不明情况时声光报警立即启动，同时通过无线数据传输的方式将警情发送到家庭服务器上，家庭服务器会立刻将报警信息通过短信的形式发送到用户手机上，同时会把发生警情的时间地区以及地理位置发给辖区派出所，所辖派出所接到警情后会派出警力迅速处理。
入侵室内同步发出声光报警装置，阻止犯罪人的进一步行为，减少人身财产的损失。
图2.1方案一流程图
方案二：
通过传感器对室内进行监测分析，当有人以非法手段进入室内时单片机会自动检测到警情，然后把检测结果送入到单片机中并发出中断请求，报警电路会立即启动。
通过对两个方案的，方案一设计复杂需要花费大量时间来制作安装。
它比较适用于大型商场、大型住宅小区和较大的工业生产基地。
方案二制作简单，成本较低而又满足快速有效的原则符合现代人的生活观念，所以选择方案二。
2.2单片机主控芯片的选择
通过对各种单片机的性能价位以及速度等情况的对比，本文选择了AT89C51单片机。
单片机又称微控制器简称MCU，是指将中央处理单元CPU、存储器Memory、定时/计数器和多种I/O接口集成到一块硅片构成的小而微型计算机系统。
单片机的发展大概经历了以下三个阶段。
1.早期阶段
单片机最早开始于1974年左右，主要目的是寻找单片机的最佳体系结构。
在这个时期中美国的仙童公司研究出了世界上第一款单片机编号为F-8，随后英特尔公司推出了那一阶段中最具有代表意义的MCS-48单片机。
英特尔公司在开创嵌入式系统发展的道路上功不可没。
2.中期发展
这个时期的单片机得到了很大的发展，硬件结构日益成熟，指令系统逐渐完善。
它所涉及的领域都与对象系统有关。
英特尔公司的MCS-51、摩托罗拉公司的6801以及Zilog公司的Z8等在这一时期最具有代表意义，这些单片机的中断定时器/计数器具有16位、存储器寻址范围可至64K，还具有多级中断处理系统、串行接口，其中多数芯片还扩展了A/D转换器接口。
3.当前趋势
这一时期的单片机应用在社会各个领域，它主要的特点是品种越变越多、功能越变越强、速度越变越快。
随着16位机和24位机的相继出现，8位机进入改良阶段之后，单片机8位、16位、32位、64位呈现共同发展的趋势。
2.2.1AT89C51的主要特性
AT89系列单片机之所以成为目前主流单片机之一，是由它的性能决定的，AT89C51单片机的性能如下：
（1）内含4KB的Flash存储器；
（2）内部RAM128×8字节片；
（3）5个中断源；
（4）2个16位定时器/计数器；
（5）32位可编程I/O口线；
（6）1个全双工串行口；
（7）具有低能耗的闲置和掉电模式；
（8）片内时钟振荡器；
（9）工作频率位0～24MHz；
单片机是一个非常复杂的数字电路集合体。
如图
图2.2.1AT89C51内部结构图
2.2.2AT89C51引脚结构功能。
如图2.2.2
图2.2.2AT89C51引脚功能结构图
2.3前端探测器的组成
红外传感器在整个安防报警系统中起着测温、监控、报警等作用。
根据探测机理可以分为热探测器和光子探测器两种，前者是根据热效应后者是根据光电效应的原理来进行工作。
它是利用红外辐射与红外测温的原理来进行探测的。
红外线本质上是一种电磁波，位于可见光红光的外端，红外测温基础是依据绝对零度以上的物体都有辐射红外的能力的原理进行工作。
人体的体温一般都是恒温的，正常情况下在37℃左右，而且会都发出10μm左右的红外线，这部分红外线被红外传感器所探测到。
红外测温是属于非接触式测温，因其测温范围广，被普及到各行各业中。
如图
图
烟雾探测器又称感烟探测器，主要分为离子式、吸气式和光电式，主要用于消防系统，它是探测起火时所伴随的烟雾从而达到预警的作用。
烟雾探测器在整个安防体系中也有应用。
烟雾探测器按用途一般分为联网型烟感探测器、独立式烟感探测器、无线烟感探测器。
按感烟方式可分为：
红外光束感烟探测器、气体探测器、光电感烟式和离子感烟式探测器。
烟雾探测器一般和家庭防盗报警系统相连，达到防火预警的目的。
热释电传感器主要是将人体辐射出的红外线聚集在热释电探测元件上，用来提高红外线的探测灵敏度，其必不可少的部件就是菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜又称螺纹透镜最初是由法国物理学家发明，主要是起着类似透镜的作用。
他的表面一面是由小到大的同心圆另外一面是光面,简单来说一面是平坦一面是凸起的。
它的作用有两个：
一是聚焦作用；二是将探测区域中分为若干个暗区和明区，使进入探测区域的移动物体能以温度的变化形式在PIR上产生变化热释红外信号。
菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，可以使入射光汇聚起来，产生极大的光强，产生折射作用。
与传统透镜相比他的面积较大、重量较轻等优点被广泛应用。
菲涅尔透镜本质就像一个放大镜。
正确使用它能使探测距离增加，如果使用不当的话极易产生错误的信息。
根据菲涅尔透镜性能要求的不同，具有不同的焦距，从而使用在不同的监控场所，试场越多，控制越严密。
门磁开关的作用是用来检测门窗是否被非法打开，本文设计中所选用的门磁开关是嵌入式门磁开关，一般是由磁铁和干簧管组成。
利用干簧管内的触片被永磁体吸合的情况进行报警，安装门磁开关时要尽量把发射器装在门框上以防止因震动而引起的脱落。
使用时要检查主机是否能接收到报警信号以及门磁指示灯的情况。
这种门磁开关被广泛用于银行、小区、学校等众多领域的门窗安装使用。
本文的玻璃探测器使用的是双技术监测，避免声频率相近的声音引起误警，只有当敲击玻璃声音引发的振动和玻璃破碎时所发出的高频信号被同时探测到才会发出报警信号。
使用时要选择正确安装位置，尽量避免误报的情况发生，要根据安装场所的实际情况选用不同原理的探测器。
它主要包括有线和无线两种玻璃破碎探测器，被广泛应用于银行、图书馆等需要报警的场所。
红外微波双鉴探测器的作用是为了增强探测器的免疫力，实现地误报率。
它通常包括红外线发射器、接收器、信号处理器等组成。
是将两种不同技术原理的探测器整合在一起，克服单一技术探测器带来的缺陷，实际上它是把微波和红外探测技术集合于一体，只有当两者都产生报警信号时才能输出。
这种双鉴探测器的性能稳定、抗干扰性强、可靠性高、能耗低而且灵敏度较高。
2.4热释电红外传感器控制电路芯片的选择
热释电红外传感器是采用非接触的方式来检测人体红外线，与以往的主动式技术常常因为被不明物体挡住而发出的错误信息相比，热释电红外传感器克服了以往红外传感技术不能分辨运动的生物和非生物之间区别的缺点。
从根本上避免了误报。
它是集接手、放大、处理、等功能于一体的的数模混合芯片
根据防盗报警系统的要求，本着价格便宜成本低廉，所以本系统选择的是LM324芯片。
LM324芯片是价格低廉的四路运算放大器，具有真正的差分输入。
在单电源应用中LM324芯片与其它四路运算放大器有着比较大的优势。
该四路放大器工作的电源电压范围是低于在3.0V-32V之间，静态电流是MC1741的五分之一左右（每个放大器）。
共模输入范围包括负电源，因此在应用中无需外部偏置元器件。
输出电压范围也包括负电源电压。
M324四路运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
热释电红外传感器控制芯片具有频率相应比较均匀，检测温度范围较大，不用设光源等优点。
近年来被广泛用于火灾报警、测量温度、家庭安防等领域。
3系统硬件
3.1低频带通放大电路
热释电红外传感器输出的检测信号非常弱，容易受到噪声的干扰，需要经过低频放大器放大后，才能进一步处理。
灵敏度和可靠性对放大器的宽带有着至关重要的作用，宽带越窄，噪声越小错误动作越低；相反带宽越宽，噪声越大，错误动作率越高。
如图3.1所示。
图3.1低频带通放大电路
3.2电压比较整形电路
电压比较器是将一个电压信号和另外一个电压参考信号做比较，简单来说就是对两个模拟电压比较其大小，并判断哪一个电压比较大。
电压比较器的灵敏度较高、内部结构简单，可以用于模拟电路和数字电路的接口等。
同时电压比较器可以将正弦波变成同频率的方波或矩形波从而起到保护作用。
此次设计采用的双相电压比较器是由LM324剩余的两个集成运算比较器构成。
如图3.2所示。
图3.2电压比较整形电路
电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个固定的参考电压和另一个模拟量的电压信号做比较，输出的电压在两者幅度相近的区域将产生跃变，相应的输出高电平或者低电平。
电压比较器多用于电子设备中，要根据实际情况选用合适的电压比较器。
3.3声音报警电路
报警电路以红外防盗报警器为主热释红外探头和扬声器为辅，当热释红外探头检测到不明入室者的人体红外线会发出报警信号，与之相应的有关人员会及时有效的处理。
如图3.3所示。
图3.3报警电路
3.4灯光警示电路
本文灯光警示电路的设计采用的是12V的炫目灯，在正常情况下炫目灯的工作电流比较大，所以采用发光二极管进行工作。
当发光二极管灯亮时会起到警醒作用。
如图3.4所示：
图3.4发光二极管警示电路
3.5状态显示电路
此次设计中状态显示电路所使用的是共阴极数码管，假如没有人闯入室内一切正常时，数码管的DP点闪烁，当数码管则显示E时就说明有人非法闯入起到一个警示作用。
如图3.5所示。
图3.5状态显示电路
3.6供电电源电路
为了可以满足本系统所需的5V供电电压，本文所采用的是L7805CV来做电压芯片，因其为输出电流可达到1.5A,两端加电容的是为了保证电压的平稳，具有很好的滤波作用。
如图3.6所示
图3.6电源电路
3.7单片机最小系统
单片机最小系统包括：
单片机、复位电路、时钟电路、电源电路以及用一个发光二极管作为信号灯的显示电路。
其中单片机选用AT89C51芯片。
复位电路和时钟电路分别由一个按键、一个电阻、一个电解电容以及一个晶振和两个电容组成。
AT89C51的EA引脚链接+5电源，Vss引脚接地，从而构成电源电路；单片机并行端口P1口的P1.0引脚与发光二极管的负端链接，当输入低电平时，发光二极管点亮。
当输出高电平时，发光二极管熄灭。
如图3.7所示。
图3.7单片机最小系统
4系统软件
4.1主程序流程图
Y
N
Y
N
N
Y
图4.1主程序流程图
按照本文所设计的原理和控制要求可知主程序图如4.1所示。
它的作用使使用者能够清晰明了的知道一步步的流程。
按照主程序流程图布置的安防报警系统能够达到预期系统设计的目标。
从系统初始化开始，假如检测到有信号的输入，就表明有不法分子企图以不正当手段进入室内，声光报警电路就会启动开始报警报警器就会鸣响。
同理如果监测到室内有烟雾或者明火，报警电路也会启动。
所有程序启动时就会提醒相关人员到场进行处理，以达到保护人身财产安全的目的。
具体程序见附录一。
4.2中断函数流程图
图4.2中断程序流程图
依据前文中的设计中断流程图如图4.2所示。
在一个完整的程序设计中，中断程序是必不可少的。
所谓的中断就是中央处理器在执行某种功能的时候出现了异常情况，强迫其停止当前的活动转而去为其他事件服务，待事件结束后又能返回被中断的功能中继续执行。
本文中当外部中断0请求时，外部中断1就会打开同时将报警器、炫目灯关闭。
当外部中断1请求时定时中断0允许位开启同时炫目灯、数码显示管并同时开启，各个外设会关闭。
同理定时中断T0请求时，各个外设也会关闭。
具体程序见附录一。
5系统调试与运行
为了提高系统的准确性，在软件开发前需要对整个软件设计进行测试，以达到去除软件中的错误，提高其可靠性的目的。
测试所需要的仪器有米尺、万用表、示波器等。
无论设计什么软件，软件测试都伴随着整个软件开发从无到有的过程。
一般测试过程需要先进行单个模块测试，然后在进行局部测试，最后进行整体测试。
通过测试，仍发现软件设计过程中的不足之处，因而需要进一步的修改。
本文设计系统采用了KeilC51的开发系统进行测试，依据各个部分所需及功能流程图写出详细的C语言程序，然后在对照各个子程序进行调试运行，看是否能到达预期的效果，然后放在一起进行一次集成测试，在整体测试时要注意变量不可重复利用，而且要保证参数必须一致，在编译通过时必须再把各个子程序单独测试执行一遍，以确保整个程序的顺利的执行其功能。
根据前文的设计成果做了一个模拟的调试运行，为了保证整个系统的成功运行，测试前必须检查各器件的安装是否符合要求，电路的焊接是否能够正常运行，当以不法手段入侵整个系统时，热释红外传感器能够及时收集数据通过单片机发送到各个子系统中，各个子程序能够有效的发挥其自己的作用而达到了警示及报警作用，实验过程中也出现一些问题比如灯光警示电路未能及时回响应等情况，通过调试程序与各个模块之间的设计，实现对信号的处理过程。
6结束语
本论文的软硬件都经过了精心的设计，从而进一步开发和扩展了安防报警系统，整个系统主要是用AT89C51芯片。
热释电传感器、声光报警等部分组成。
AT89C51芯片具有体积
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