家居安全自动报警系统设计方案.docx
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家居安全自动报警系统设计方案
毕业设
囱衣N隶乂孝工後按梆尊施
计<论文）
家居安全自动报警系统设计
学生姓名：
张琴
所在系部：
电气信息系
专业班级：
电子信息工程
指导老师：
日期：
二0—三年十月
Homefurnishingsecurityalarmsystemdesign
By
Qinzhang
October2018
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1、保密□，在年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
＜请在以上相应方框内打“V"）
作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
摘要
随着我国经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，人们对自己生活环境的要求也日益增加，安全、舒适的居住环境成了每个家庭住户必备的生活需求，提出了住宅安全保障的自动化问题。
本课题从中国用户的实际情况出发，将传统的报警系统、红外报警系统、可燃气体泄漏报警系统、火灾报警系统等独立的系统进行优化整合。
通过单片机进行控制，设计组成一个综合性的全方位的家居安全报警系统。
本系统主要包括硬件和软件两部分。
在信号检测硬件部分,热释电传感器应用在防盗系统中，温度传感器可以实时监控室内温度，判断险情，CO传感器用于检测室内是否有可燃气体泄漏。
西门子的无线通信模块TC35I具有结构简单、可靠性高、便于操作等特点。
矩阵键盘用于设定模块的工作状态、液晶显示器实时显示当前的安全状况。
当发生紧急情况时，可以实现语音、短信报警。
该安全系统具有实时性好，操作简单，具有良好的人机界面等特点。
关键词:
安全系统传感器TC35I
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,thelivingstandardofthe
peopleisimprovingcontinuously,peoplealsounceasinglymakedemandsofthelivingconditions.Safeandcomfortablelivingenvironmenthasbecomeanessentialfeatureofeveryhouseholdlivingneed,andtheautomationofresidentialsecurityisproposed.
FromtheactualsituationofChineseusers,thispaperoptimizesandintegratestraditionalalarmsuchasInfraredalarmsystem,combustiblegasleakagealarmsystem.Firealarmsystemandsoontoformanall-roundcomprehensiveresidentialalarmsystembyusingMCUsystemcontroltoprovidereliablesecurityservices.
Thissystemismainlyincludeshardwareandsoftwareparts.Inthesignaldetectionhardwarepart,Phroelectricinfraredappliesinguardingagainsttheftsystem.Thetemperaturesensorisabletomonitorthereal-timeindoortemperatureandidentifydangerouscircumstanceandtheCOsensorisusedfortoxicgasdetection.WecanalsosetthetasksthroughthekeyboardandshowtheworkinginformationthroughtheLED.Thealarmsystemalsohastimelinesswell,thehuman-machineinterfacefriendly,themanagementoperationsimple.
Keywords:
SecuritySystem。
sensor。
TC35I
6/23
1引言
随着现代电子技术和通信技术的迅速发展，人们的家居生活正变得越来越舒适便利。
然而，生活中总存在这样那样的一些安全隐患：
如火灾、煤气中毒、盗窃案件等，严重危害到人们的安全。
早期人们安全防范的主要方法是安装防盗门，防盗窗，防盗网等。
这样不仅有碍美观，还不符合防火的要求。
于是智能家居的概念应运而生。
人们利用高科技智能设备来代替原来的物理安防，初期的家庭安全报警系统存在灵敏度不高、效率低、误报率高、功能单一、耗能大等缺点。
所以一套高效快捷、安全可靠、灵活方便的报警系统对家庭用户来说非常重要。
1.1国内外研究简况
美国知名电器生产企业Honeywell公司生产的家庭安全系统具有完善的功能，人性化的服务，实现了对家居生活的全方位控制，带给人们全新的舒适生活体验。
Honeywell公司生产的家庭安全系统包括户内外探测部分，楼宇对讲部分，家居控制部分以及网络家电部分。
户内外探测部分由红外报警电路，火灾报警电路，煤气报警电路，门磁报警电路组成，涵盖了各类安全报警范围。
楼宇对讲部分可以进行户内外、客厅与厨房、浴室的射频对话功能。
家居控制部分控制家庭内水电阀门、空调、窗帘、门锁，保证家居能源安全。
网络家电部分可以实现智能化家电功能，居住者可以遥控家电工作。
国内家庭安全报警系统目前基本上都具有火灾报警，煤气泄漏报警，防盗报警和紧急呼叫报警功能。
利用烟雾传感器、温度传感器、红外传感器、门磁电路实现探测功能。
同时，部分产品附带安装摄像头，进行二十四小时实时监控。
但是在产品质量及功能上与国外还存在一定差距。
据市场调查，有少部分市区家庭安装了简易安全报警装置，将报警信息发送到用户指定的，由于产品的质量部稳定，没有采取有效的误报警防范措施，且报警信息又得不到有效的分析过滤，处警也得不到有效的保证，因此防范效果不理想。
也有部分小区通过与楼宇对讲系统共有设备及线路，在室内分机并接安全报警装置，将报警信息发送到小区物业的方式来实现家庭
安防目的。
但是由于各类产品功能原理不同，互相间存在不兼容现象，对报警信息不能进行有效的处理，安防效果不明显。
1.2本课题设计的意义
本文根据国内外研究现状，研究并设计了基于GSMc线技术的智能家居安全保
驾系统，最大限度地满足用户人性化需求。
本家居安全报警系统以无线数据通讯模块TC35I作为通讯电路主要器件构建GSMS讯模块、串口通讯模块MAX23用于计算机通讯。
本系统具有以下特点：
无线控制的智能家居安全报警系统免去了传统有线报警系统在小区和主宅内复杂的布线工作，保障了非小区住户和分散用户的实用，适合于各种家庭住宅。
此课题的研究对普及中国家居安防系统居有现实意义。
2设计原理及方案
根据国内外在家居安防方面上的研究和发展成果，家居安全系统势必向着多功能化发展。
结合中国人的居住条件和实际情况，完成一款家居安全系统的设计，需要以下几种方法：
<1）用红外线感应器对人体体温的感应；
<2）用温度感应器对火焰和室内温度进行感应;
<3）用CO气体感应器对煤气进行感应；
<4）用GSM模块进行事故发生时的实时通知根据以上方法，设计了硬件系统总体框图：
LCD显示模块、电源模
本系统以AT89C51为核心，外设部分由键盘输入模块、
块、扬声器报警模块、GSM通信模块、传感器感应模块组成。
电源模块利用家用220V电压转化为单片机及其外设模块电压，键盘和LCD模块控制输入和输出，设定时间和通讯号码。
扬声器GSM通信模块则用于声光报警和短信报警。
传感器感应模
块组成由热释电红外传感器电路、温度传感器电路、煤气泄漏传感器电路组成，用于探测盗窃、火灾、可燃气体泄漏等情况。
2.1单片机AT89C51原理
本设计采用的MCI是C51系列的AT89C51该单片机以MCS-51为内核，其中包
括一个CPU，128B的RAM32个I/O口，工作频率在33MHz
其引脚排列如图所示：
PDIP
AT89C51管脚功能介绍:
VCC供电电压
GND接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流vILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C5啲一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚
备选功能
P3.0
RXD串行输入口）
P3.1
TXD串行输出口）
P3.2
/INT0＜外部中断0）
P3.3
/INT1＜外部中断1）
P3.4
T0＜记时器0外部输入）
P3.5
T1＜记时器1外部输入）
P3.6
/WR＜外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD＜外部数据存储器读选
通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时
间。
ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位
字节。
FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周
期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲
或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE
脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOV，MOVC旨令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器vOOOOH-FFFFH,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESE；T当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加
12V编程电源＜VPP。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2来自反向振荡器的输出。
2.2GSM模块
GSM模块TC35I是一个支持中文短信息的工业级GSM工作在GSM900和
GSM1800双频段，可传输语音和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。
其数据接口vCMOSt平）通过AT命令可双向传输指令和数据，并且支持Text和PDU格式的SMS可通过AT命令或关中断信号实现重启和故障恢复。
TC35主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、电源模块＜ASIC）Flash闪存，ZIF连接器、天线接口6部分组成。
作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM^端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
TC3535模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。
TC35共有40个引脚，通过ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。
TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座＞连接器引出。
这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。
TC35i的第1〜5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第6〜10引脚是电源地。
11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压（共外电路使用＞，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。
15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35i进入工作状态必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。
16〜23为数据输入/输出，分别为DSR0、
RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。
tc35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232接口标准。
它有固定的参
数：
8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps~115kbps之间可选，默认9600。
硬件握手信号用RTS0/CTS0,软件流量控制用XON/XOFF,CMOS电平，支持标准的AT命令集。
其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。
TC35i使用外接式SIM卡,24〜29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35i是这样连接的:
SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。
TC35i的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。
当LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75ms亮/3s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。
30、31、32脚为控制
脚，其中30为RTCbackup,31为Powerdown,32为SYNC。
35〜38为语音接口，35、36接扬声器放音。
37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音<37是话筒正端，39是话筒负端）
2.3热释电红外传感器
热释电红外线vFIR）传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探
测元件，它是一种能够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系统或各种自动化节能装置。
菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以达到提高接收灵敏度。
用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60〜
70dB,就可以检测10〜20m处人的活动。
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转化为电压信号输出，当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小决定于敏感元件温度变化的快慢，将这个电信号加以放大，便可以驱动各种控制电路。
热释电红外传感器如图所示
;封装内部电帚Rgnd
热释电红外传感器的主要工作参数：
工作电压：
常用的热释电红外传感器工作电压范围为3〜15V。
工作波长:
通常为7.5〜14卩m。
源极电压：
通常为0.4〜1.1V,R=47kQ。
输出信号电压：
通常大于2.0V。
检测距离：
常用热释电红外传感器检测距离约为6〜10m
水平角度:
约为120。
；
工作温度范围：
—10C〜+40C。
2.4MQ-7甲烷、天然气传感器
MQ-7气敏传感器由微型AL2O3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。
填充活性碳的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类等气体的干扰。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4只用于信号输出，2只用于提供加热电流。
MQ-7气敏传感器对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，同时具有长期使用寿命和可靠地稳定性。
女口图为MQ-7灵敏度曲线
其中
温度：
20C
相对湿度：
65%
氧气浓度：
21%
RL=10©
Rs:
器件在不同气体，不同温度下的电阻值。
R0:
器件在洁净空气下的电阻值。
MQ-7传感器标准工作条件
符号备注
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
<10V
DC
VH（H>
加热电压＜高）
5.0V±0.2V
AcorDC
VH（L>
加热电压＜低）
1.5V±0.1V
AcorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Q±3Q
室温
TH（H>
加热时间＜高）
60±1seconds
TH（L>
加热时间＜低）
90±1seconds
PH
加热功耗
约350mw
MQ-7传感器灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体电阻
2-20KQ
在100ppmCO中
a
浓度斜率
小于0.6
Rs（300ppm>/Rs（100ppm>
标准工作条件
温度：
20C±2C相对湿度：
65%±5%
Vc:
5.0V±0.1VVH<高）:
5.0V±0.1VVH<低）:
1.5V±0.1V
预热时间
不短于48小时
探测氾围：
10ppm-1000ppm—氧化碳
敏感体功耗VPs）值可用下式计算：
Ps=VcxRs/（Rs+RL＞
传感器电阻Rs=（Vc/VRL-1>xRL
2.5DS18B20温度传感器
DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的采用1-Wire总线技术的典型产品。
它可以将被测温度直接转化成数字量,因此单片机可以方便地通过串行总线实现读取。
另外,1-Wire具有成本低、节省I/O口、抗干扰能力强、便于总线扩展和维护等特点。
DS18B20内部结构图如下
DS18B20®过编程后，可实现9~12位的温度度数。
由于DS18B20可以由数据线本身提供电源,因此单片机与其连接时,需要一根数据线和和一根地线。
由于每片DS18B20内部都有一个独特的片序列号，所以一条单总线上可以挂多片DS18B20特
别适合构成多点温度测控系统。
工作性能如下：
1-Wire数据通信；
可用数据线供电，电压范围为3-5.5V；
12位分辨率时最大工作周期为750ms可选择寄生工作方式
检测温度在-55~+125C
被测温度在-10~+85C时，精度为土0.5C
64位光刻ROM内置产品序列号，方便多机挂接
3系统的硬件设计
3.1报警系统的总体硬件结构设计
本课题采用AT89C51单片机作为主控芯片，AT89C51具有很强的实用性
能，同时价格便宜，已被广泛运用于各种电子仪器中。
在AT89C51单片机的
XTAL1XTAL2端口外接定时元件，使单片机内部振荡器产生自激震荡。
外部震荡元件使用12MHz石英晶体和30pF电容构成并联谐振回路。
为避免程序出错或操作错误引起系统出现死锁状态，在单片机RST端口外设复位电路，利用一个
手动开关和电容构成。
3.2GSM模块与单片机连接的设计
通讯模块TC35与单片机连接的电路如图所示，TC35RXD\TX口与MAX232芯片
连接，通过MAX232TAT89C51连接。
单片机AT89C51通过RXD和TXD脚实现对通讯
模块收发信息的控制
TC35I通过串行接口与单片机进行通信。
TC35IGSM数据接口按照RS-232C标
准，工作在2.65VCMOS电平，ZIF上所有RS-232信号都是低电平有效。
TC35IGSM
数据接口配置为8个数据位、无奇偶校检、一个停止位，可以工作在300bps〜
115bps。
3.3防盗报警电路的设计
防火报警电路的设计
为了决定使用DS18B20温度模块作为
3.5防煤气泄漏报警电路的设计
根据本设计的原理，当室内的煤气浓度大到一定程度时，传感器触发，产生感应信号传输给MCU所以在选用合适的传感器同时，还要设计传感器的信号放大以及A/D转换电路。
综合考虑各种因素，决定采用MQ-7—氧化碳传感器模块。
该模块具有以下特点：
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、对甲烷气体，天然气有较好的灵敏度。
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
MQ-7一氧化碳传感器模块电路如下图
4系统软件设计
系统软件基于单片机开发系统keilC51,本系统软件流程图如下图所示
TC35I模块初始化
MCU监控模块初始化
扬声器报警
M
GS模块发送短信
Y
Y
Y
传感器模块初始化
结束
AT
升级会员 