基于单片机智能安防监测系统的设计.docx
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基于单片机智能安防监测系统的设计
中工
信商
2014-XX16-
本科毕业论文（设计）
基于单片机智能安防监测系统的设计
系（部）
信息工程系
专业
电气工程及其自动化
学号
201207012108
学生姓名
唐龙
指导教师
赵强松
提交日期
2014年5月20日
摘要
随着我国社会与经济的发展，人民生活水平不断提高，人们对区域治安环境以及安全防范的要求也越来越高，同现代化技术高度发展的今天，犯罪更趋智能化，手段更隐蔽，所以保证区域安全必须从运用现代化的防盗报警技术。
本设计主要以单片机AT89C51为智能控制中心，结合烟雾检测模块、温度检测模块、人体检测模块及声控报警模块，及其外围辅助电路，构成了一个集防盗、防火、防毒气等多种检测功能为一体的多功能防盗报警系统。
首先由各传感器检测烟雾、火灾及人为非法入侵信号，当检测到的信号超出自身的设定值时，将其转化为电信号并传送给单片机处理，再由单片机将电信号传送给蜂鸣器驱动其报警。
该系统具有轻便灵巧、电路简单易实现，所使用的各类元器件灵敏度较高的特点。
利用单片机编程，可使电路功能易于控制，从而实现了识别不同警情的具有智能报警的智能安防检测系统。
本设计当达到烟雾传感器所设定的浓度基准值、温度传感器所设定的温度上限值或人体触发红外热释电传感器时，使信号经处理输出高电平信号，触发声光报警系统，从而达到防火、防盗、防毒气的智能安防的目的。
关键字：
AT89C51单片机，DS18B20数字温度模块，智能报警，热释电
Abstract
WiththedevelopmentofsocietyandeconomyinChina,thepeople'slivingstandardsimprove,peoplearepayingmoreforregionalsecurityenvironmentandsafetyrequirementshigher,withthedevelopmentofmoderntechnologytoday,thecrimeismoreintelligent,moresubtle,sotoensureregionalsecuritymustbefromtheuseofmoderntechnologyanti-theftalarm.
ThisdesignmainlywithAT89C51singlechipcomputerasthecontrolcenter,combinedwithsmokedetectionmodule,firedetectionmodule,humanintrusiondetectionmoduleandthevoicealarmmodule,anditsauxiliarycircuit,constitutesasetanti-theft,fire,gasandotherdetectionthemultifunctionalanti-theftalarmsystem.Firstofall,thesensorsdetectsmoke,fireandhumanintrusionsignal,whenthedetectedsignalexceedsthesetvalue,thesensorswilltransformitintoanelectricsignalandtransmitittotheMSCforprocessing,andthetransmitelectricalsignalswillbetransmittedtothealarmbuzzerfordriving.Thesystemisportableandflexible,thecircuitissimpleandeasytoimplement,usedbyvariouscomponentsofhighsensitivitycharacteristic.TheuseofMSCprogramming,canmakethefunctionofthecircuitiseasytocontrol,thusrealizingthepyroelectricsensortodetectillegalinvasion,gassensorfordetectionofgasandotherharmfulgases,temperaturesensorfordetectingthefire.Thedesignofthesensorwhenthesmokereachesthereferencevaluesetbytheconcentration,timelimitsorhumanpyroelectricinfraredsensortriggersatemperaturesensoronthesettemperature,thesignaloutputbythehigh-levelsignalprocessing,soundandlightalarmsystemistriggered,soastofire,theft,intelligentgasantivirussecuritypurposes.
Keywords：
AT89C51singlechipmicrocomputerDS18B20digitaltemperaturemoduleIntelligentalarmPyroelectric
1引言
随着人类社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，主要表现在他们不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。
人们迫切需要一种智能的家庭安全防范报警系统，能可靠地进行日常安全防范工作，及时发现各种险情并通知户主，以便将险情消灭在萌芽状态，这样人们便可安心工作，同时也保证了居民的生命财产不受损失。
家居安防系统的设计与实现，是一项专业性很强的实用技术。
人们普遍认为，所谓的智能家居安防系统，就是以安全防范为主要目的，依靠和运用各种高科技设备及手段，系统、实时、全面、不间断地对人、设备及周边环境进行监督、控制的一系列设备的总和。
随着社会经济的发展进步，家居安防系统的应用普及越来越广，科技含量越来越高。
先进的安防系统集中体现了现代科学技术发展的最新研究成果，是现代高科技产品和技术的一个结晶和缩影[1]。
当然，安家居防监系统的研发不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足点还是必须回归实用性，在保障适用性的前提下追求最低的成本与价格。
本文基于上述原因提出一种能够及防火、防盗、防有毒气体的智能家居安防系统。
具体来说，该系统以热释传感器检测非法入侵、气体传感器检测煤气等有害气体、温度传感器检测火灾等，结合各种报警电路装置，及其外围辅助电路，以单片机为智能控制中心，构成了一个集防盗、防火、防毒气等多种检测功能为一体的多功能防盗报警系统。
2智能安防监测系统的概述
2.1智能安防系统的研究目的及意义
现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。
对于全身投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。
家居安防控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，既快捷又省力。
还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，同时还可以通过远程通讯，实时反馈家中情况，避免如火灾，盗窃造成的经济和安全损失，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量[2]。
一切发明和创造都是为了人类的生活更加方便和舒适。
住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。
由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷[3]。
智能信息家电及智能家居安防系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。
我国的家居安防开发相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，因此很多公司开发出的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。
还有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推广使用[4]。
因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居安防控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义[5]。
2.2智能安防系统的研究状况
智能化安防技术的主要内涵是其相关内容和服务的信息化传输和存储、数据的存储和处理等。
随着现代电子技术、计算机技术、通信技术、传感技术和制造业技术等的迅速发展，有关家庭安防报警方面的产品也愈来愈丰富[6]。
近年来，国内外已有如博世、霍尼韦尔、艾礼富科立信、联腾、宏泰等多家品牌公司开发研制出了一系列的家庭安防报警产品，它们可以通过有线或无线的方式完成一些报警和求助等功能，并且进行了比较成功的应用。
2.3智能安防系统的发展趋势
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居安防系统的方案。
家居安防在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用[7]。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。
它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。
2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。
2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。
现在，国外的智能家居安防系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。
于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居安防系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多[8]。
由于家居安防的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食家居安防市场。
虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念：
山那边遍地是金。
IBM公司的迈克尔·凯罗斯克说：
“这是个不容IBM公司忽视的市场机会。
”在智能家居安防系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。
近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居安放系统的研发中。
例如：
微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟的技术强占家居市场。
此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试[9]。
3总体方案设计
3.1总体设计思路
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。
电路结构可划分为：
烟雾传感器、温度传感器、热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
它们之间的总体设计框图如图3.1所示：
图3.1总体设计框图
3.2设计任务及要求
（1）该设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为数据采集、键盘控制、报警等模块子函数。
（2）本红外线防盗报警系统由热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。
用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。
终端由中央处理器、输入模块、输出模块、通信模块、功能设定模块等部分组成。
（3）系统可实现功能。
当人员外出时，可把报警系统设置在外出布防状态，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行声光报警电路。
3.3模块方案选择
3.3.1控制模块
方案一：
采用SPCE061A单片机来实现，虽然易于扩展外围电路，但不方便位寻址，且没有总线。
开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报。
但其占用内存太大，且模组比较贵，不经济，性价比比较高。
方法二：
采用现在比较通用的51系列单片机。
51系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，虽然处理速度不是很快，但资料丰富，系列之52单片机，内部集成8kflash空间，256BRAM区，足以实现设计程序，不需要外扩，而且其最小系统板已经设计好，不需要附加太多的外围电路，可以方便可靠的使用。
本设计需要网络控制，需要多块控制板，单价也要考虑在内，51系列单片机造价低，不会耗费太大开销，本次设计选取AT89C51单片机。
综合考虑我们选用方案二。
3.3.2烟雾检测模块
方案一：
选用光电烟雾传感器。
灵敏度高，可视范围大，具有报警锁定功能，可靠性高。
但价格昂贵，不适合设计的低成本要求。
方案二：
选择气敏性烟雾传感器。
价格适中，可视范围大，可靠性高，体积小，电源电压小，灵敏度虽有些差，但可以满足监控无人时有无烟雾的设计要求。
故本模块选用方案二。
3.3.3人体检测模块
方案一：
选用人体红外热释电传感器探头。
造价低，性能优良，电路制作裕度大。
若自己设计外围电路，性能可能不稳定，而且传输距离只有一米左右，距离较短，不符合此次课题所达到的预期。
方案二：
选用人体红外热释电传感器模块。
性能稳定，体积小，外型美观，尤其是装有菲涅尔透镜，使得检测范围较宽，而且价格不高，三线引脚，输出距离可控，应用、编程简单方便。
故本模块选用方案二。
3.3.4声控检测模块
方案一：
声音发生体采用蜂鸣器，驱动只需要一只三极管，方便直接。
光电报警采用一个发光二极管。
功耗低且发光效果也很好。
方案二：
采用R110/120（10/20秒）语音录放模块，单片可分段录放模块，反复录放，零功耗永久保存信息，单5V供电，自动节电，接口简单，使用方便，但费用较高，所以放弃使用此方案[10]。
综合之，我们采用方案一。
4硬件设计
4.1烟雾检测模块
4.1.1气敏性烟雾传感器MQ-2简介
MQ-2气体传感器是一款适合多种应用的低成本传感器。
它所使用的气敏材料是在清洁空气中导电率较低的二氧化锡（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大。
现实应用中，可以使用简单的电路将电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的输出信号[11]。
MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高，也可以对天然气和其他可燃蒸气进行检测。
其结构和外形图分别如图4.1和图4.2所示：
由微型AL203陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内。
加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4只用于信号提取，2只用于提供加热电流。
以下是对于MQ-2物理性质的简要说明：
（a）尺寸：
长×宽×高为32mm×22mm×27mm；
（b）主要芯片：
LM393、ZYMQ-2气体传感器；
（c）工作电压：
直流5伏；
（d）特点：
（1）具有信号输出指示；
（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；
（3）TTL输出有效信号为低电平；（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；
（5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；
（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；
（7）快速的响应恢复特性。
图4.1气敏性烟雾传感器MQ-2的结构图
图4.2气敏性烟雾传感器MQ-2的外形图
MQ-2的内部芯片结构如图4.3所示：
图4.3MQ-2的内部芯片结构图
4.1.2LM339简介
LM339/E内部包括有四个独立的电压比较器，在很宽的电源电压范围内适用于双电源工作模式，也适用于单电源工作模式.它的使用范围包括方波发生器、时间延长器、脉冲发生器、多谐振荡器、高压数字逻辑门、A/D转换器和MOS时钟驱动器等。
LM339/E的封装形式为14引线双列塑封直插式其内部结构图和外形图分别如图4.4和图4.5所示：
图4.4LM339内部结构图
图4.5LM339外形图
4.1.3烟雾检测模块电路
烟雾检测模块电路图如图4.6所示：
图4.6烟雾检测模块电路图
图4.6中，烟雾传感器MQ-2相当于一个可变电阻，当空气中有烟雾时MQ-2的阻值会变小，导致其电压降低，从而K点电压升高；滑动变阻器Rv2的作用是调节烟雾浓度的基准值的；最初设定Q点电压大于K点电压，随着K点电压的降升高，最终当电压值超过预设Q点电压时，比较器LM339输出低电平信号给单片机的P1.2管脚，实现目标[20]。
当K点电压未超过Q点电压时，比较器LM339会输出高电平，但在程序中设定单片机读取低电平信号有效，故这种情况无需担心。
4.2温度检测模块
4.2.1DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与纯铜的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写[19]。
温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
以下对DS18B20的主要特点做简单介绍：
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）在使用中无需任何外围元件；
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0~+5.5V；
（4）测温范围：
-55~125°C；国有测温分辨率为0.5°C;
（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性：
电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
具体内部原理图和外形图如图4.7和图4.8所示：
图4.7温度传感器DS18B20内部原理图
图4.8温度传感器DS18B20外形图
4.2.2温度检测模块电路
DS18B20有三个管脚：
VCC，DQ和VDD。
电路图如图4.9所示：
图4.9温度检测模块电路
其中输出管脚与单片机的P1.0管脚相连。
本设计设定报警温度为40°C。
4.3人体检测模块
4.3.1热释电红外传感器简介
热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。
是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。
它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。
将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路[12]。
如图4.10示为热释电红外传感器的内部电路框图。
图4.10热释电红外传感器的内部电路框图
4.3.2PIR的原理特性
热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出[14]。
人体辐射的红外线中心波长为9--10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2--20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7--10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号[21]。
4.3.3核心处理芯片BISS0001
在此模块中，选用红外热式电感应模块作为检测人为入侵的元件。
其核心处理芯片为BISS0001，配套有360度体积为25×25×25mm的球形菲涅尔透镜，以及体积为8.3×4.2mm的配套的热释电元件。
以下对相关元件作简要介绍。
BISS0001是一款与有较高性能的传感信号处理集成电路，他配以热释电红外传感器和少量外界元器件构成被动式的热释电红外开关[15]。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的国道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
其外形图和管脚图如图4.11和图4.12所示：
图4.11BISS0001外形图
图4.12BISS0001管脚图
BISS0001具有以下特点：
（1）数模混合；
（2）具有独立的高输入阻抗运算放大器；
（3）内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰；
（4）内设延时时间定时器和封锁时间定时器；
（5）采用16脚DIP封装
表4.1BISS0001管脚说明：
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使V0输出从低到高时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变沿电平状态。
3
RR1
输出延迟时间Tx调节端。
4
RC1
输出延迟时间Tx调节端。
5
RC2
触发封锁时间Ti调节端。
6
RR2
触发封锁时间Ti调节端。
7
VSS
工作电源负极。
8
VRF
I
参考电压及复位输出端；通常接VDD。
9
VC
I
升级会员 